Control y automatización de un dispositivo para
estudios neurocognitivos y comportamentales
en modelos experimentales
Device control and automation for neurocognitive and behavioral studies in
experimental models
Pablo Capusso
#1
, Vanesa Sánchez
#2
#
Centro de Estudios en Salud y Medio Ambiente, Escuela de Ciencia y Tecnología, Instituto de Tecnologías Emergentes y
Ciencias Aplicadas, Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas - Universidad Nacional de San Martín,
Avda. Gral Paz 5445, Edificio 23, Buenos Aires Argentina
1
pcapusso@estudiantes.unsam.edu.ar
2
vrsanchez@unsam.edu.ar
Resumen— En los últimos años han aumentado
considerablemente las investigaciones en el campo de las
neurociencias y el comportamiento. En este trabajo se expone
el diseño e implementación de un sistema de detección y
registro automático de parámetros de pruebas experimentales
en modelos murinos. La solución tecnológica desarrollada
permite asociar el funcionamiento del equipo con una interfaz
que facilita a los usuarios la realización de ensayos
experimentales, el análisis y el seguimiento de los resultados de
manera sencilla y eficiente.
Palabras Clave: Automatización; Pruebas Estandarizadas;
Neurocognición y Comportamiento
Abstract— In recent years, the research in neuroscience and
behavior fields has increased substantially. In this work, we
design a device with an automatic control, detection and
recording system of experimental tests to be used with
experimental murine models for investigation. The
technological solution developed allows the operation of the
equipment to be associated with an interface that makes it easy
for users to carry out experimental tests, analyze and monitor
the results in a simple and efficient manner
Keywords: Automation; Standardized Tests; Neurocognition
and Behavior
I. INTRODUCTION
El Centro de Estudios en Salud y Medio Ambiente
(CESyMA) pertenece a la Escuela de Ciencia y Tecnología
de la UNSAM y sus investigaciones y desarrollos se
encuentran orientados principalmente al área de la salud. En
particular aquí funciona el Laboratorio de Inmunología
Vacunas y Alergias (LIVA) donde, entre varias líneas de
trabajo, se desarrollan tratamientos, vacunas y sistemas de
diagnósticos contra la toxoplasmosis. En el laboratorio se
emplean distintos tipos de tecnologías y modelos
experimentales que incluyen pruebas estandarizadas en
sujetos de prueba de laboratorio, principalmente roedores
llamados modelos experimentales murinos. La infección
toxoplásmica en particular está asociada con secuelas a
nivel del sistema nervioso que conduce a cambios
comportamentales y neurocognitivos que son necesarios
evaluar para determinar la efectividad de las terapias
desarrolladas en el laboratorio.
Este desarrollo propone un dispositivo automatizado y
versátil que permite realizar una gran variedad de pruebas
estandarizadas para el estudio de las habilidades
neurocognitivas y comportamentales en modelos murinos.
Esta solución tecnológica permite evaluar características
como aprendizaje, memoria, actividad locomotora,
exploratoria, ansiedad, depresión a través de ensayos
ampliamente utilizados en el área como Open Field (campo
abierto), Novel Object Recognition (reconocimiento de
objetos novedosos) y Hole Board Test (exploración de
orificios) [1, 2]. Cabe destacar que en el mercado también
existen opciones con características similares aunque
requieren de la adquisición de distintos módulos para la
funcionalidad completa [3–5].
II. FUNCIONALIDAD DEL PRODUCTO
El dispositivo propuesto consta de una caja de
dimensiones específicas según el modelo animal
experimental a utilizar. En este caso se propone un equipo a
utilizar en ratones, modelos murinos, por lo cual las
dimensiones son de: 40 cm de ancho x 40 cm de largo x 40
cm de alto. Según las pruebas experimentales a realizar, se
utilizan distintos tipos de bases que permiten la realización
de varios tipos de ensayos.
La variedad de pruebas experimentales que se realizan en
este equipo se encuentran estandarizadas y se realizan bajo
condiciones específicas definidas para cada tipo de ensayo,
donde además se define un tiempo de duración para cada
prueba. Cada ensayo tiene una forma de adquisición y
procesamiento de datos determinada para su posterior
análisis y obtención de resultados. Cabe destacar que todos
los tipos de ensayos que se realizan en este dispositivo
requieren siempre del registro en video de las pruebas
realizadas.
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Recibido: 14/03/22; Aceptado: 10/06/22
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.6.1.153.2022
Student Article
El dispositivo automatizado en este trabajo permite
realizar los siguientes ensayos:
A. Hole Board Test
Es un tipo de prueba estándar para el estudio de la
memoria espacial, en donde en una caja con 16 orificios se
analiza cuántas veces el sujeto experimental explora los
orificios (Fig. 1). Puede involucrar además distintas
variantes, entre ellas se pueden colocar diferentes estímulos
en la parte inferior y/o variar el tiempo de prueba, cantidad
de días de entrenamiento y evaluación. El procedimiento de
registro de resultados se realiza procesando cada video,
observando y contabilizando el número de veces que el
sujeto experimental explora cada orificio. Las posibilidades
de variaciones del ensayo están limitadas al volumen de
videos que pueden procesar las/los investigadores y obtener
así los resultados.
Fig. 1 – Dispositivo de ensayos experimentales. Hole Board Arena
B. Open Field
Es un ensayo estándar que permite analizar el
comportamiento y la capacidad exploratoria del sujeto
experimental. Se coloca una base plana en el dispositivo con
una grilla dibujada (Fig. 2). El procedimiento de análisis
consta de generar videos de la prueba y analizarlos
observando la trayectoria del sujeto experimental dentro del
compartimiento. Se analizan además otras características
comportamentales asociadas al enfrentar al animal con un
entorno novedoso.
Fig. 2 – Dispositivo de ensayos experimentales. Open Field Arena
C. Novel Object Recognition (NOR)
Este tipo de ensayo consiste en registrar el tiempo que
cada sujeto experimental explora objetos que se introducen
en el dispositivo (Fig. 3). Se filma la prueba y se analiza el
video, observando y contabilizando el tiempo que el sujeto
experimental explora los distintos objetos.
Fig. 3. Dispositivo de ensayos experimentales. NOR Arena
III. ANÁLISIS DE LA PROBLEMÁTICA Y CONSIDERACIONES DE
DISEÑO
El desarrollo aquí expuesto comienza con la disposición
de un dispositivo físico en donde se realizan los
experimentos previamente detallados. Se generan
filmaciones asociadas a cada prueba experimental utilizando
una variedad de dispositivos móviles y cámaras digitales.
Luego de grabarlos, se analiza cada una de las filmaciones y
se registra manualmente cuantas veces el sujeto
experimental explora cada orificio, trayectoria y otras
características comportamentales. Previamente se debe
identificar cada video, indicando qué sujeto experimental se
utilizó para realizar la filmación y qué tipo de ensayo fue
realizado. Cabe destacar que por cada ensayo, en general,
se utilizan lotes de 20 a 30 sujetos experimentales y que
cada prueba se analiza al menos dos veces para el registro
de datos.
Con esta metodología de trabajo se generan grandes
demoras en el avance de las investigaciones y posibles
errores involuntarios asociados a la operatoria relacionada
tanto de adquisición de datos como al procesamiento y
almacenamiento de la información que se realiza de manera
manual por un operador humano. Por este motivo se plantea
el sensado automático de la capacidad exploratoria de los
orificios y un sistema que gestione los experimentos para
agilizar el trabajo y llevar la correcta trazabilidad de la
información. También se plantea la estandarización en la
adquisición de videos para que sean compatibles con un
software de análisis de video actualmente en desarrollo que
será acoplado también al equipo.
Luego del análisis el procedimiento para la realización de
los ensayos, se detecta las siguientes problemáticas a
resolver:
● Análisis diferido del ensayo grabado en video,
realizado por al menos dos investigadores por al
menos dos veces cada uno para el registro de datos.
Suponiendo un lote de 20 ensayos de 5 minutos
cada uno, tenemos una demora de análisis de 3
horas con 20 minutos.
● Desorganización de todos los archivos de video
grabados ya que los videos se guardan como
PANA107, PANA108, etc. De esta forma no
sabemos a qué corresponde cada video, se debe
abrir el archivo para ver qué tipo de ensayo es y
qué sujeto experimental fue utilizado. Además de
las diferentes resoluciones y calidades debido a
diferentes dispositivos, esto no permite tener un
estándar en las grabaciones.
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● En el análisis del experimento Hole - Board Test,
puede haber error en la interpretación del ingreso
del sujeto experimental al orificio, hay un error
humano inducido.
● Tedioso tracking de ensayos relacionados al mismo
sujeto experimental. No existe un registro ordenado
de los ensayos y resultados. Se generan
multiplicidad de carpetas y archivos de videos
generados en distintos dispositivos por cada lote de
sujetos experimentales por ensayo.
IV. DISEÑO Y DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN
A. Microcontrolador
Se decide trabajar con un microcontrolador Arduino
Mega, debido a su bajo costo, gran cantidad de
entradas/salidas que permiten futuras expansiones, fácil
integración con sensores y con un shield Ethernet, para
brindar la interconexión del sistema. Además, este
microcontrolador cuenta con la ventaja de que existe mucha
bibliografía respecto al uso de estos agregados y tiene una
interfaz de programación de fácil integración. A
continuación se muestra un esquema de la arquitectura
seleccionada (Fig. 4).
Fig. 4. Esquema de la arquitectura del microcontrolador seleccionada
Al microcontrolador junto con su shield Ethernet se los
ubica dentro de un gabinete realizado con impresión 3D
para contar con la protección de sus conexiones y sus
componentes (Fig. 5).
En el mismo gabinete se coloca el pulsador de inicio de
ensayos y un indicador LED, que se enciende bajo las
siguientes condiciones:
Fig. 5. Arduino Mega en gabinete., tapa con pulsador y LED
Al iniciar el ensayo, para avisar al usuario que el pulsador
ha sido presionado correctamente y que el ensayo está en
curso. Cuando se detecta el ingreso del sujeto experimental
a algún orificio la luz led se enciende. Esta función fue
incorporada para que antes de realizar el primer ensayo, se
verifiquen una por una las lecturas de los sensores, siendo
este un sistema de verificación rápida y sencilla del
funcionamiento del sistema. El usuario deberá ingresar
algún objeto en cada uno de los 16 orificios y verificar que
el LED encienda, de lo contrario, hay alguna falla en el
sistema y habrá que detectar qué sensor está fallando para
proceder a repararlo.
La comunicación entre el Shield Ethernet W5100 de
Arduino y la aplicación de escritorio se realiza mediante el
protocolo UDP (Universal Datagram Packet).
El protocolo UDP consta del envío de paquetes sin verificar
una conexión previa, el remitente no esperará para
asegurarse de que el destinatario haya recibido el paquete.
Para esta aplicación se utiliza una red dedicada con un
tráfico bajo, por lo tanto el protocolo propuesto se ajusta
perfectamente a los requerimientos del equipo.
B. Sensado automático
Se utilizan sensores ópticos para la detección del ingreso
a un orificio, ya que es una tecnología muy sencilla y
efectiva, consta de un LED emisor de luz infrarroja y un
fotodiodo detector. En la Fig. 6 se detalla el circuito del
sensor utilizado.
Fig. 6. Circuito del sensor
Se utiliza un modelo integrado para detección de luz
mediante un fotodiodo, el mismo cuenta con un circuito
integrado que detecta la luminosidad absorbida del
fotodiodo y entrega una salida analógica variable de 0V a
5V proporcional a la luminosidad detectada, además posee
una salida discreta que entrega un 0 lógico cuando detecta
luz, y un 1 lógico cuando no detecta luz. También cuenta
con un potenciómetro variable para ajustar el umbral de
luminosidad y diferenciar un 1 de un 0 lógico.
En este desarrollo se utiliza únicamente la salida discreta,
ya que solo nos interesa detectar si en algún momento es
interrumpido el haz de luz. Cuando el haz de luz es
interrumpido por el ingreso del sujeto experimental al
orificio, la señal del sensor cambia de estado y es leída por
el microcontrolador.
A continuación, en la Fig. 7 se muestra el principio de
funcionamiento del sistema en estado basal y la capacidad
de detección de la actividad exploratoria del animal en la
Fig. 8.
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Fig. 7. Sistema en estado basal
Fig. 8. Sistema detectando ingreso
De acuerdo a lo expuesto, un diagrama temporal de
detección puede ejemplificarse como en la Fig. 9, donde se
muestra la tensión de salida del sensor en función del
tiempo.
Fig. 9. Tensión de salida del sensor en función del tiempo
Para registrar la actividad exploratoria de los sujetos
experimentales en Hole Board Test a nivel de los orificios de
la base del dispositivo, es necesario monitorear 8 sensores
[6] cuando se da inicio al ensayo (Fig. 10). Al recibir la
lectura simultánea de dos sensores (uno de filas y otro de
columnas), se contabiliza un ingreso al orificio debidamente
identificado. La acción es controlada y procesada por el
microcontrolador Arduino incorporado en el dispositivo [7,
8].
Fig. 10. Matriz de sensado automático
En la Fig. 11 se señala la zona de detección de la
actividad en cada orificio en color verde. Si ingresamos en
alguno de los 16 orificios por esa sección, la lectura será
válida y contada como un ingreso.
Si ingresamos por la sección naranja, solo uno de los
sensores detecta ingreso mientras que el otro no, por lo
tanto, la lectura no es válida y no es contado como un
ingreso.
Si ingresamos por la sección roja, ningún sensor detecta
ingreso, por lo tanto, la lectura no es válida y no es contado
como un ingreso.
Este funcionamiento fue ensayado y validado con un
modelo a escala y luego con sujetos experimentales en el
laboratorio. Además, el requisito para que el ingreso sea
cuantificado, es que el sujeto experimental ingrese su nariz
completa dejando las orejas fuera, y eso se cumple cuando
ingresa por la zona verde.
Para las pruebas de validación se utilizaron ratones de
diferentes tamaños para verificar su correcto
funcionamiento ya que es una variable muy común a
considerar en el diseño de este tipo de ensayos.
Fig. 11. Zona de detección
C. Grabación de video
Se utiliza una cámara IP Dahua modelo
hfw1320sp-w-0280B de 3MP [9] con una resolución
máxima de 720p para grabar todos los tipos de ensayos que
se realizan en este dispositivo. La misma se conecta por
medio de una ficha RJ45 a la red y con su ficha de
alimentación a su respectiva fuente. Esta cámara permite
grabar el ensayo, que inicia mediante un pulsador colocado
en el equipo y envía la transmisión a través de la red interna
hacia la computadora y poder ver el ensayo en tiempo real
(Figura 13). Los archivos de vídeos de cada sujeto
experimental son utilizados luego por un software de
análisis que recopila la información del recorrido del sujeto
experimental durante el tiempo del ensayo y otras
habilidades exploratorias.
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Fig. 12. Cámara IP
D. Otras mejoras incorporadas al dispositivo
Como una mejora del sistema, se eligió agregar
iluminación al mismo para poder tener una imagen clara y
estandarizada sin sombras, que distraen a los sujetos
experimentales y alteran los resultados de los ensayos.
A continuación, se muestra una figura en donde se puede
apreciar la diferencia al utilizar el dispositivo con y sin la
iluminación.
Fig. 13. Comparación del sistema sin y con iluminación
E. Aplicación de escritorio para el control del
funcionamiento del dispositivo
Para controlar el desarrollo del ensayo, se programó una
aplicación de escritorio que se comunica con el
microcontrolador y permite setear los parámetros del ensayo
en particular que se va a llevar adelante, recopila la
información de los sensores, se comunica con la cámara
para permitir el streaming de video y genera el archivo para
su posterior análisis [10].
Fig. 14. Aplicación de escritorio
El inicio de cada experimento se da presionando un
pulsador situado en la caja, y la finalización se da cuando
transcurre el tiempo ingresado en la aplicación de escritorio.
El pulsador tiene además una alerta lumínica que permite
registrar de manera sencilla cuándo está en línea el equipo
(Fig. 5).
En la computadora donde se aloja la aplicación de
escritorio, se guardan los archivos de video y planillas de
cálculo correspondientes a los ensayos (Figura 14). Los
mismos tienen un nombre ordenado por fecha, hora, tipo de
ensayo e ID del sujeto experimental. Esto permite tener de
manera organizada todos los archivos para su simple
búsqueda.
La conexión física entre los dispositivos de la red
Ethernet, es mediante cable de red UTP de 8 hilos y fichas
RJ45. Esta conexión necesita de un switch ya que tenemos
más de dos dispositivos y no podemos realizar una conexión
punto a punto. Un diagrama de conexionado de red se
muestra a continuación (Fig. 15)
Fig. 15. Esquema de conexionado Ethernet
V. RESULTADOS Y PROCEDIMIENTO
Utilizando el dispositivo con las mejoras incorporadas y
el sistema de registro automatizado, el proceso experimental
y análisis se torna más rápido y efectivo. El sistema dispone
ahora de grabación automática de video, lectura automática
de ingreso a los orificios de la base, y una organización de
los archivos de cada ensayo.
Para evaluar el funcionamiento y diseño del dispositivo
propuesto se planificó y realizó una prueba de concepto con
3 sujetos experimentales. A continuación, podemos observar
los datos recolectados por el microcontrolador y guardados
en la planilla de cálculo [11] (Fig. 16).
Fig.16. Hoja de cálculo mostrando los datos de cada evento registrado
por el equipo ubicado en el tiempo dentro del ensayo
El microcontrolador detecta en qué orificio ingresó el
sujeto experimental y en qué tiempo específico referido al
inicio del ensayo.
Estos resultados fueron comparados con el registro
actual, analizando el video por el operador. Los resultados
obtenidos entre el registro manual y por el dispositivo
fueron comparables, con una diferencia menor al 3%.
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De esta forma, el operador no tiene que analizar el video y
anotar los ingresos, sino que automáticamente ya cuenta con
la información detallada en el archivo.
Con este diseño se obtiene no sólo los ingresos totales por
sujeto experimental (registro actual) sino que además el
registro detallado de ingresos permite utilizar filtros en la
planilla de cálculo para analizar la frecuencia con que
ingresa a algún orificio en particular, contar la cantidad de
veces que ingresó a algún orificio en particular, y muchos
análisis estadísticos más.
VI.VALIDACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se realizaron pruebas del dispositivo utilizando tres
sujetos experimentales, de los cuales se obtuvieron tres
planillas de registro con el detalle de la actividad de los
animales en los orificios de la base.
Para evaluar el funcionamiento del equipo, se analizaron
los videos manualmente y luego se compararon los
resultados obtenidos con los brindados por el dispositivo
automatizado.
Fig. 17. Análisis manual vs. Análisis automatizado.
Los resultados obtenidos muestran que el diseño del
dispositivo fue exitoso (Fig. 17). El registro manual de la
actividad de los ratones se hizo de manera tradicional con
dos observadores independientes (barras azules) En la
Figura 16 A se detallan los resultados obtenidos para cada
sujeto experimental de forma automática y por los
observadores y en B el resultado promedio del grupo. No se
observan diferencias estadísticamente significativas entre
los registros automáticos del equipo en comparación con los
obtenidos manualmente mediante el análisis de los videos.
Los datos fueron analizados utilizando. El análisis
estadístico fue llevado adelante utilizando GraphPad PRISM
6.0. Donde se aceptó como resultado estadísticamente
significativo cuando p ≤ 0,05, en este caso el análisis
comparativo utilizando T-test no mostró diferencias
significativas.
Es preciso señalar que el dispositivo devuelve las
planillas de registro automáticamente al finalizar la
experimentación, reduciendo a 0 el tiempo de registro.
VII. ANÁLISIS DE COSTOS Y COMPARATIVA
En la Fig. 18 se muestran equipos que se comercializan
en el mercado con funcionalidades acotadas, en este caso
sólo a la detección de hole board solamente, rondando los
1600 Dólares. Sin contar los costos de importación y
gestiones de compra.
Fig. 18. Equipos comerciales
Con la solución propuesta en este trabajo tenemos el equipo
desarrollado (Fig. 19), con un costo de materiales inferior a
los 100 Dólares, y con un costo total de aproximadamente
de 800 Dólares. Incluyendo grabación automática y
visualización en tiempo real de los ensayos. Esto representa
un costo de aproximadamente la mitad de los equipos que se
comercializan actualmente en el mercado.
Fig. 19. Equipo desarrollado
VII. CONCLUSIONES
Se logró el control y automatización de un dispositivo
para estudios neurocognitivos y comportamentales en
modelos experimentales. Se logró el sensado de los ingresos
a los orificios de forma automática con el uso de sensores
infrarrojos generando una planilla de cálculo para su
posterior análisis. Además, permite generar
automáticamente el correspondiente archivo de video para
respaldar las mediciones o analizar otros parámetros.
Este equipo logró mejorar los tiempos de registro de
resultados de las pruebas con la generación del reporte de
ingresos a los orificios de la base del dispositivo de estudio
experimental y la grabación de los ensayos estandarizada
para sumar un procesamiento automático posterior mediante
otro software acoplado. Dentro de las ventajas de este
sistema se encuentra la capacidad de realizar el seguimiento
de la información de cada sujeto de prueba, que se encuentra
ordenada por fecha y tipo de ensayo. Se configuró además la
subida automática de las planillas de cálculo y videos a la
nube, utilizando una carpeta en la cuenta institucional de
Google Drive de la UNSAM permitiendo el acceso a los
datos desde cualquier computadora con acceso a la cuenta.
Este sistema de automatización reduce considerablemente
los errores asociados a procedimientos de los usuarios
humanos. Dentro de ellos verificar el inicio de cada prueba,
la grabación asociada, la organización de los archivos de
video generado y la observación del video y registro manual
de los ingresos. Este equipo es fácilmente adaptable a
múltiples tipos pruebas estandarizadas del campo de la
neurocognición y el comportamiento.
Este tipo de desarrollos impulsan el avance de las
investigaciones experimentales acelerando
considerablemente los tiempos en la obtención de
resultados.
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AGRADECIMIENTOS
Agradecemos el apoyo del Centro de Estudios en Salud y
Medio Ambiente y la Escuela de Ciencia y Tecnología de la
UNSAM para poder llevar adelante este desarrollo.
REFERENCIAS
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studies: Protocols, assessment and comparison,” Eur. J.
Pharmacol., vol. 746, pp. 282–292, 2015, doi:
https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2014.10.017.
[2] Himanshu, Dharmila, D. Sarkar, and Nutan, “A Review of
Behavioral Tests to Evaluate Different Types of Anxiety
and Anti-anxiety Effects,” Clin. Psychopharmacol.
Neurosci., vol. 18, no. 3, pp. 341–351, Aug. 2020, doi:
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[3] C. Science, “Automated Hole Board.”
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[4] Panlab, “IR ACTIMETER.”
https://www.panlab.com/en/products/ir-actimeter-panlab.
[5] T. System, “Hole Board.”
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[6] Sensores, “Texas Instrument, Módulo Sensor De Luz
Fotodiodo Lm393 Arduino, 2018.”
[7] B. W. Evans, “Arduino Notebook: A Beginner’s Reference,”
San Fr., 2007.
[8] Arduino, “Rafael Enriquez Herradorl, Guia de usuario de
Arduino, 2009.”
[9] C. IP, “DH-IPC-HFW1320SP-W, 2020.”
[10] D. Bell, Programmeren in C. Pearson Education, 2012.
[11] Microsoft® Excel®
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