捕捉自由行为动物的运动
2022-05-20 点击量：

By Juan Siliezar




研究动物运动的科学家们一直渴望一种动作捕捉方法，类似于好莱坞动画师用来在大屏幕上创造壮观反派的方法(想想《复仇者联盟》(the Avengers)中的灭霸)。

现在，由哈佛大学(harvard)领导的科学家团队取得了一项突破，他们组合了一个结合了动作捕捉和深度学习的新系统，持续跟踪自由行为动物的3D运动。该项目监测大脑如何控制行为，有可能帮助对抗人类疾病或推动人工智能的创造。


这个系统，被称为使用反射器嵌入的连续的阑尾和姿势跟踪，简称捕捉，提供了被认为是前所未有的动物如何自然移动和行为的观察。有一天，这可能会导致对大脑如何运作的新理解。


哈佛大学生物与进化生物学系教授本斯·Ölveczky说:“这项技术最终将为神经科学、心理学、药物发现(和其它学科)提供大量信息，在这些领域，行为特征和表型的问题非常重要。”


到目前为止，还没有任何技术能够捕捉到动物在很长一段时间内的自然行为的复杂细节。在完成简单的任务(如按下杠杆)时，记录动物的精确运动是可能的，但由于科学家能够探索的运动和行为范围有限，目前尚不清楚获得的见解能否导致对大脑功能的全面了解。


捕获开始推动超越这些限制。它使用一系列固定在动物身上的定制标记，就像小耳环一样，通过12个相机阵列不间断地跟踪动物的全身位置。这使得他们可以数字化地重建动物的骨骼姿势，并在几周内测量它的正常运动。有了这些数据，科学家们就可以开发新的算法来创建动物正常行为的基本图谱。这些行为图可以与动物处于改变状态时的图进行比较，即使是一些最细微的差异也能让研究人员得到准确的观察。


最近发表在《神经元》杂志上的一项研究描述了捕获。哈佛大学博士后杰西·马歇尔(Jesse Marshall)领导了该项目。与他和Ölveczky一起工作的是William Wang ' 20和Diego E. Aldarondo，一个艺术与科学研究生院的学生。目前，这种方法仅适用于老鼠，但该团队计划未来将其推广到其他动物。



马歇尔说:“大型摄像阵列的工作原理就像你在制作《指环王》或其他类型的动画时追踪演员一样。”“我们用它来精确测量它们头部和四肢的位置，在此基础上还有很多分析，能够检测它们的行为，并隔离其他部分(比如行为组织)。”


马歇尔花了几个月的时间研究现有运动技术的局限性和优势，最终选定了运动捕捉技术。然后，他花了6个月的时间来研究哪种记号笔会粘在上面很长时间。\


“好莱坞传统的记号笔是用泡沫做的，这在老鼠中行不通，”马歇尔说。


该团队与当地兽医合作，用特殊的反射玻璃为老鼠设计了定制的身体穿孔，并将其固定在老鼠身上的20个位置。标记就位后，他们让老鼠探索一个自然区域，并在数周内全天候使用摄像机跟踪它们的活动。

研究人员绘制出了自然行为，如梳理毛发、养育孩子和走路，并展示了这些动作是如何组织成结构化模式的，比如将单词排列成句子。

研究小组随后观察了这些行为和模式在两种兴奋剂——咖啡因和安非他明——的作用下是如何变化的。正如预期的那样，这两种药物都使老鼠移动得更多，但它们的方式不同。咖啡因会让它们兴奋起来，但它们在笼子里的活动正常。马歇尔说，另一方面，安非他命改变了他们的行为方式，使他们感到不安。他们以重复的，连续的模式到处跑。


当研究小组研究患有某种自闭症的老鼠时，数据显示了另一个令人惊讶的结果。


科学家们看到老鼠表现出了以前从未被描述过的异常的梳理模式。梳理模式的改变可能是一个重要的指标，可以用来为观察到的自闭症患者的重复动作建模，但传统上很难测量。科学家们说，检测这些微妙而精确的行为缺陷对更好地治疗许多疾病很重要，而且可能是捕捉技术的主要用途之一。


其他扩大捕获范围的努力包括将他们的数据与神经活动的记录结合起来，通过老鼠的全套自然动作来映射大脑信号与行为之间的关系。他们还与谷歌DeepMind合作，利用捕获技术来模拟大脑如何产生行为，并有可能在人工智能领域取得新的进展。


马歇尔说:“我们只会走得更深。”


这项研究得到了海伦·海·惠特尼基金会、国家卫生研究院、国家科学基金会和西格尔家庭基金会的资助。




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