Porcine-CaMo multimodal wearable ECG, kinematics and heat- production data in respirometry chambers
पोर्सिन-कैमो (Porcine-CaMo) डेटासेट चाइना एग्रीकल्चरल यूनिवर्सिटी का एक दोहरी-कोहॉर्ट बहुविध संसाधन है जो पोर्सिन मेटाबॉलिक मॉडलिंग, हार्ट रेट वेरिएबिलिटी विश्लेषण और क्रॉस-कोहॉर्ट विधि मूल्यांकन में अनुसंधान को समर्थन देने के लिए रेस्पिरोमेट्री चैंबर्स में बढ़ते हुए सूअरों के निरंतर रिकॉर्ड किए गए वियरेबल ईसीजी (ECG) और काइनेमैटिक संकेतों को 5-मिनट के ऊष्मा-उत्पादन डेटा के साथ एकीकृत करता है।
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एक जानवर कितनी ऊर्जा जलाता है, इसका मापन जीव विज्ञान का एक मौलिक प्रश्न है, जो वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि एक सुअर भोजन को मांस में कितनी कुशलता से बदलता है या एक बड़ा जानवर अपने शरीर के तापमान को कैसे प्रबंधित करता है। दशकों से, इस उत्तर को प्राप्त करने का सबसे विश्वसनीय तरीका एक जानवर को एक सीलबंद, जलवायु-नियंत्रित कमरे के भीतर रखना और सावधानीपूर्वक इस बात को मापना रहा है कि वह कितनी ऑक्सीजन अंदर ले रहा है और कितनी कार्बन डाइऑक्साइड बाहर छोड़ रहा है। इस पद्धति को, जिसे 'इनडायरेक्ट कैलोरीमेट्री' (indirect calorimetry) कहा जाता है, ऊष्मा उत्पादन की गणना के लिए एक स्वर्ण मानक (gold standard) माना जाता है। हालाँकि, ये कमरे महंगे होते हैं, जिन्हें बनाए रखना कठिन होता है, और अक्सर इतने छोटे या प्रतिबंधात्मक होते हैं कि जानवरों को स्वाभाविक रूप से हिलने-डुलने नहीं देते, जिसका अर्थ है कि एकत्र किया गया डेटा वास्तविक दुनिया में उनके व्यवहार को प्रतिबिंबित नहीं कर सकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस ऊर्जा उपयोग का अनुमान लगाने के लिए एक सरल तरीका खोजने की कोशिश कर रहे थे, जो उन संकेतों को देख सके जो जानवर स्वाभाविक रूप से देता है, जैसे कि उसकी हृदय गति और उसकी गतिविधियाँ, लेकिन उनके पास कंप्यूटर को इस संबंध को सटीक रूप से बनाने के लिए सिखाने हेतु एक बड़े, उच्च-गुणवत्ता वाले डेटा सेट की कमी थी।
चीन कृषि विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस कमी को पूरा कर दिया है, उन्होंने इन विशेष कमरों के भीतर स्वतंत्र रूप से घूमते हुए बढ़ते हुए सूअरों का एक विशाल, विस्तृत रिकॉर्ड तैयार किया है। उन्होंने जानवरों को छोटे, पहनने योग्य उपकरण (wearable devices) पहनाए जो उनके जीवन की एक निरंतर डायरी की तरह काम करते थे, जो उनकी हृदय गति, उनके शारीरिक आंदोलनों और उनके ऊष्मा उत्पादन को एक साथ रिकॉर्ड करते थे। परिणाम स्वरूप एक डेटासेट प्राप्त हुआ जिसे 'पोरसाइन-कैमो' (Porcine-CaMo) कहा जाता है, जो दो अलग-अलग समूहों के सूअरों से प्राप्त 150 दिनों से अधिक के निरंतर डेटा को कैप्चर करता है। एक समूह बड़े सूअरों का था जिन्हें चार-दिवसीय के दस अलग-अलग अवधियों में देखा गया था, जबकि दूसरा समूह छोटे सूअरों का था जिनकी निगरानी बाईस-दिवसीय अवधि में की गई थी। इन पहनने योग्य रिकॉर्डों को कमरों के सटीक मापन के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक नया संदर्भ पुस्तकालय (reference library) प्रदान किया है जो अन्य लोगों को बिना जानवरों को चैंबर में बंद किए, ऊर्जा उपयोग की भविष्यवाणी करने के लिए बेहतर मॉडल बनाने की अनुमति देता है।
इस अध्ययन में उपयोग की गई पहनने योग्य तकनीक को निर्बाध और मजबूत बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। सूअरों की पीठ पर सुरक्षित रूप से बंधी ये डिवाइस, प्रति सेकंड पांच सौ बारह बार हृदय की विद्युत गतिविधि को रिकॉर्ड करती थीं, जिससे प्रत्येक धड़कन के सटीक क्षण को पकड़ा जा सके। साथ ही, वे हर सेकंड दस बार जानवर की गति को ट्रैक करते थे, यह नोट करते हुए कि सूअर तीन आयामों (three dimensions) में कैसे घूम रहा था और त्वरित हो रहा था। यह उच्च-गति रिकॉर्डिंग महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को न केवल यह देखने की अनुमति देती है कि जानवर ने हलचल की, बल्कि यह भी कि गति का हृदय की लय के साथ सटीक संबंध क्या था। शोधकर्ताओं ने यह भी सुनिश्चित किया कि उपकरण जानवरों के लिए सुरक्षित हों, जिसमें क्षतिग्रस्त होने से बचने के लिए हटाने योग्य तारों (detachable wires) का उपयोग किया गया ताकि यदि सूअर उन्हें चबा ले तो कोई नुकसान न हो, और जानवर पूरे प्रयोग के दौरान सामान्य रूप से खाने, पीने और आराम करने के लिए स्वतंत्र थे।
इस सूचना के सैलाब को समझने के लिए, टीम ने डेटा को साफ करने और व्यवस्थित करने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर प्रणाली विकसित की। कच्चे हृदय गति संकेतों (raw heartbeat signals) में अक्सर जानवर की गति के कारण उत्पन्न होने वाला शोर (noise) होता है, इसलिए शोधकर्ताओं ने वास्तविक हृदय गति की पहचान करने और गलत धड़कनों को हटाने के लिए एक विशेष कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) मॉडल का उपयोग किया। इसके बाद उन्होंने डेटा को पाँच मिनट के ब्लॉकों में समूहित किया, हृदय गति और गति के पैटर्न को कमरे के वायु सेंसरों द्वारा लिए गए ऊष्मा उत्पादन मापन के साथ मिलाया। इस प्रक्रिया ने एक सिंक्रोनाइज्ड टाइमलाइन बनाई जहाँ सूअर की गतिविधि या हृदय गति में होने वाले प्रत्येक परिवर्तन की सीधे तौर पर उसके द्वारा जलाई जा रही ऊर्जा में होने वाले परिवर्तन के साथ तुलना की जा सकती थी। टीम ने डेटा के दो संस्करण जारी किए: एक "सुधारित" (corrected) संस्करण जो अधिकांश शोध के लिए उपयुक्त है, और एक "पूर्ण" (perfect) संस्करण जिसे विशेषज्ञों द्वारा मैन्युअल रूप से जांचा गया है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि प्रत्येक धड़कन को सही ढंग से लेबल किया गया है, जो नए कंप्यूटर प्रोग्रामों को प्रशिक्षित करने के लिए एक स्वर्ण मानक प्रदान करता है।
अध्ययन से पता चला कि डेटा जटिल विश्लेषण के लिए पर्याप्त सुसंगत और विश्वसनीय है। शोधकर्ताओं ने जांच की कि हृदय गति के पैटर्न प्राकृतिक दैनिक चक्रों का पालन करते हैं, जो सूअरों की गतिविधि के स्तर के साथ बढ़ते और घटते हैं, और पुष्टि की कि ऊष्मा उत्पादन के आंकड़े जैविक रूप से तर्कसंगत हैं, जैसे कि उन दिनों में कम ऊर्जा उपयोग दिखाना जब सूअरों को भोजन नहीं दिया गया था। उन्होंने यह भी नोट किया कि हालांकि सूअरों के दो समूह आकार में भिन्न थे और उनके लिए उपयोग किए गए उपकरणों में थोड़े बदलाव थे, फिर भी मुख्य संकेत स्पष्ट और तुलनीय बने रहे। यह निरंतरता महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि डेटा का उपयोग यह परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है कि क्या एक समूह के सूअरों पर प्रशिक्षित मॉडल दूसरे समूह पर काम कर सकता है, जिससे पशु विज्ञान के लिए अधिक सार्वभौमिक उपकरण बनाने में मदद मिलती है।
यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने अकेले ही पशु ऊर्जा उपयोग को मापने की समस्या को हल कर दिया है, बल्कि यह आवश्यक कच्चा माल प्रदान करता है जिसकी आवश्यकता इसे करने के लिए है। इस डेटासेट और डेटा को प्रोसेस करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सॉफ्टवेयर को स्वतंत्र रूप से उपलब्ध कराकर, शोधकर्ताओं ने अन्य वैज्ञानिकों के लिए बेहतर भविष्यवाणी उपकरण विकसित करने की बाधा को कम कर दिया है। हर नए अध्ययन के लिए महंगे चैंबर बनाने के बजाय, भविष्य के शोधकर्ता ऊष्मा उत्पादन का अनुमान लगाने के लिए इन पहनने योग्य संकेतों का उपयोग अधिक सटीकता के साथ कर सकते हैं। इस डेटासेट में न केवल संख्याएँ शामिल हैं, बल्कि विश्लेषण को दोहराने के लिए आवश्यक कोड और निर्देश भी शामिल हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि वैज्ञानिक समुदाय इस नींव पर निर्माण कर सके ताकि पशु पोषण, कल्याण और प्रजनन प्रथाओं में सुधार किया जा सके।
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