The taste of precision

Ein neues computergesteuertes, vielseitiges Gustometer wurde von Andersen et al. vorgestellt, um den spezifischen Anforderungen an Verhaltens-, elektrophysiologischen und hämodynamische Untersuchungen gerecht zu werden.

Hardware

Labor-Setup

Die Arbeitsgruppe von Dr. Kathrin Ohla am Institut für Neurowissenschaften 3, Forschungszentrum Jülich, entwickelte ein kostengünstiges Gustometer, welches für vielfältige Experimente im Rahmen der Geschmacksforschung geeignet ist. Das Setup besteht im Wesentlichen aus mehreren Niederdruck-Spritzenpumpen neMESYS 290N, zur Dosierung wässriger Geschmackslösungen direkt auf die Zunge humaner Proband/-innen.

Andersen et al. verwendeten ein größtenteils aus handelsüblichen Komponenten bestehendes Mundstück, um die linke und rechte Zungenhälfte unabhängig voneinander zu stimulieren (Abb. 3). In dieser exemplarischen Untersuchung wurde zunächst nur deionisiertes Wasser ein- oder beidseitig auf die Zunge aufgebracht; die 18 Probanden/-innen gaben den Ort der wahrgenommenen Stimulation an. Um die Eignung des Systems für elektrophysiologische Untersuchungen mit hoher zeitlicher Auflösung (im Millisekunden-Bereich) zu demonstrieren, wurde bei einem Teil der Versuchspersonen wiederholt ein Geschmacksstimulus (Natriumchlorid-Lösung) ein- oder beidseitig aufgebracht und gleichzeitig ein Elektroenzephalogramm (EEG) aufgezeichnet. Die Auswertung der Daten zeigte wie erhofft eine durch die Geschmacksstimulation hervorgerufene neuronale Aktivierung. Die im Experiment verwendete Flussrate betrug 1 ml/s und die Dosier- und Nachfüllzyklen wurden im System integrierten 3/2-Wege-Ventilen (mit drei Anschlüssen, 1/4“-28 UNF) automatisiert.

Bild aus: A new gustometer: Template for the construction of a portable and modular stimulator for taste and lingual touch (Link) von Andersen et al. Lizenz: Creative Commons Attribution Non Commercial 4.0 International

Ein Schlüssel zum Erfolg ist die exakte und pulsationsfreie Dosierung des Stimulus in Kombination mit maximaler Reproduzierbarkeit, was wesentliche Hauptmerkmale der neMESYS Spritzenpumpentechnologie sind. Des Weiteren ist der modulare Aufbau für vielfältige individuelle Anforderungen erweiterbar sowie leicht zu reinigen, was aus technischen und hygienischen Gründen bei Geschmacksexperimenten sehr wichtig ist.

Bild aus: A new gustometer: Template for the construction of a portable and modular stimulator for taste and lingual touch (Link) von Andersen et al. Lizenz: Creative Commons Attribution Non Commercial 4.0 International

Software

Das Forscherteam nutzte das „CETONI Qmix Software Development Kit (SDK)“, um eine eigene Python Integration zu entwickeln. Das sogenannte „pyqmix“-Paket verwendet die Bibliotheken (DLLs) des Qmix SDK und verpackt die C-Schnittstelle des SDKs in eine objektorientierte Python Schnittstelle. Das Python Paket wurde als freie Open-Source Software auf GitHub veröffentlicht (https://github.com/psyfood/pyqmix). D.h. der Quelltext steht auch anderen Anwendern, die Qmix SDK verwenden, zur Verfügung und kann an eigene Anforderungen angepasst werden. Damit steht aktuell zusätzlich zur Python Integration von CETONI, eine alternative Python-Integration zur Verfügung.

Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht der beiden Python Pakete:

Der folgende Code zeigt an einem Beispiel die Verwendung des pyqmix Pakets:

from pyqmix import QmixBus, QmixPump, config
import time

# Specify the QmixELements configuration
config.set_qmix_config('qmix_config')

# Initialize the first pump
bus = QmixBus()
pump = QmixPump(index=0)
pump.set_flow_unit(prefix='milli', volume_unit='litres', time_unit='per_second')
pump.set_volume_unit(prefix='milli', unit='litres')
pump.set_syringe_params_by_type(syringe_type='50 ml glass')

# Fill the syringe
pump.generate_flow(-0.5, wait_until_done=True)

# Dispense 10x every 2 sec
for i in range(10):
    pump.dispense(volume=1, flow_rate=1, wait_until_done=True, switch_valve_when_done=True)
    time.sleep(2)

Basierend auf dem pyqmix-Paket wurde eine Fernsteuerungsschnittstelle und Web-App für pyqmix entwickelt: pyqmix-web. Der vom Benutzer sichtbare Teil von pyqmix-web läuft im Webbrowser, so dass der Anwender das Gustometer über eine grafische Oberfläche im Browser, d.h. per Remote steuern kann.

Durch diese einfache und übersichtliche Oberfläche lässt sich das Gustometer bequem über ein Touch-fähiges Gerät, wie z.B. einem Tablet-PC oder iPad, steuern. Auch diese Software steht als Open Source Software unter der GPL 3.0 Lizenz in einem GitHub Repository zur Verfügung.

Darüber hinaus bietet die freie Psychologie- und Neurowissenschafts-Software PsychoPy eine Integration von pyqmix, die die Einbindung von Pumpen in neurowissenschaftliche Experimente stark vereinfacht.

Zusammenfassung

Zusammenfassend wurde ein Software-gesteuertes, kompaktes Setup zur exakten und reproduzierbaren Applizierung von Fluiden zur oralen Reizstimulation sowie elektroenzephalographischen Messung entwickelt. Die hohe Präzision des neMESYS-Dosiersystems ermöglichte dem Forscherteam in einem ausgeklügelten Setup, gezielt und sehr reproduzierbar Geschmacksreize zu präsentieren. Das vielseitige Gustometer ist mit einer Erweiterung für die Überwachung von Multistimulussystemen geeignet. Zudem wurde auf Basis des CETONI-Software Development Kits (Qmix SDK) eine Python Integration entwickelt, die sogar eine Web-basierte Steuerung des Setups bzw. Fernzugriff auf die Hardware ermöglicht.

Verwendete CETONI-Geräte

• Basismodul BASE 120
• 5 x Niederdruck-Spritzenpumpe neMESYS 290N
• Qmix SDK

Literatur

Andersen C., Alfine L., Ohla K., Höchenberger R.: A new gustometer: Template for the construction of a portable and modular stimulator for taste and lingual touch. Behavior Research Methods, 2018:1-15. DOI: 10.3758/s13428-018-1145-1