实验鼠戴上“迷你二维码”,帮助科学家破解睡眠难题:计算机视觉高效追踪ArUco 标记

学术   科学   2024-11-14 07:31   北京  

本文通过ChatGLM/GPT进行辅助对近期Bio-protocol 期刊发表的方案进行解读和概括,若感兴趣请点击“阅读原文”查看详细的实验流程及试材。如果解读中有任何错误或遗漏,敬请指正

随着神经科学研究对动物行为精确分析需求的不断增加,传统手动评分方法逐渐暴露出耗时费力且容易出错的弊端。为此,科学家们纷纷尝试引入计算机视觉和自动化追踪技术,以提高行为分析的效率和准确性。研究人员创新性地为实验鼠配备了轻便的 ArUco 标记(黑白相间的方形图案,类似二维码),再通过计算机视觉技术高效追踪动物行为。该方法不仅提高了数据收集的效率和准确性,还有望为改善人类睡眠质量提供新的研究方向在这方面,2024年11月5日,Bio-protocol 期刊在线发表了美国得克萨斯大学达拉斯分校(The University of Texas at Dallas)Joseph J. Pancrazio团队题为“A Real-Time Approach for Assessing Rodent Engagement in a Nose-Poking Go/No-Go Behavioral Task Using ArUco Markers”的方法文章。

图1. 文章标题页 https://doi.org/10.21769/BioProtoc.5098
关键词ArUco标记 自动评分 计算机视觉 参与度分析 Go/No-Go 实时追踪

ArUco标记(ArUco markers)一种用于计算机视觉和增强现实(AR)应用的黑白方形图案,类似于二维码或条形码。它们由一个黑色边框和内部的独特二进制编码组成,每个标记都有一个唯一的ID,这使得相机和计算机能够轻松地识别和跟踪它们的位置和方向

图2. ArUco标记(来自Bio-protocol期刊)
在行为神经科学领域,准确评估动物行为对于理解复杂的大脑行为关系至关重要。传统的手动评分方法虽然广泛使用,但其劳动密集和容易出错的特性使得这些方法在大规模研究中变得不切实际。随着计算机视觉技术的进步,自动化行为评分系统应运而生,提供了一种更高效和客观的动物行为分析方式。尤其是标记无关的追踪系统,如DeepLabCut,虽然能够追踪复杂的动物运动,但需要依赖高端的计算设备和大量训练数据。与此相对,基于标记的系统,如ArUco标记系统,通过直接将物理标记附加到动物身上来追踪其运动,这种方法不依赖于复杂的机器学习算法,从而显著降低了对计算资源的需求,使其更适合实时分析和广泛的实验室应用。ArUco标记系统简单、易于部署,适合不同的实验设置,是推动行为神经科学研究自动化和可重复性的有力工具


  • ArUco标记的安装硬件不仅轻便,还可以轻松拆卸,这有助于减少对动物自然行为的干扰。

  • 该方法不需要高端的计算资源,只需常见的商业设备即可执行,这使得它可以广泛应用于各种实验室环境。

  • 文中包括了如何从GitHub提取必要代码的详细指导,使得实验设置可以根据实验室的具体环境进行定制。

—————文中代表性图/视频—————

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图3. ArUco标记安装组件的连接说明(来自Bio-protocol期刊

图4. 行为试验箱的设置(来自Bio-protocol期刊

视频1. 参与度分析程序的使用(来自Bio-protocol期刊
  • 动物行为研究
    该系统可以广泛应用于各类动物行为研究,尤其适用于评估动物在特定任务(如nose-poke任务)中的行为表现,帮助研究者理解大脑与行为之间的复杂关系。
  • 药理学实验
    ‍在药理学研究中,通过ArUco标记追踪动物的行为响应,可以有效评估药物的影响,特别是在行为药理学中评估药物对认知和动机的作用。
  • 行为基因学
    结合遗传学方法,使用ArUco标记系统来研究特定基因突变或敲除动物模型中的行为表型,提供一种精确的量化方法来观察基因对行为的影响。


这个方法的可重复性已经被本文作美国得克萨斯大学达拉斯分校(The University of Texas at Dallas)Joseph J. Pancrazio团队验证过,相关实验数据与结果发表在eNeuro,DOI:10.1523/ENEURO.0500-23.2024

温馨提示:积极引用本文不仅是对作者创新技术和科研共享的最佳肯定,也是确保实验可复现性的重要方式。

Smith, T. J., Smith, T. R., Faruk, F., Bendea, M., Kumara, S. T., Capadona, J. R., Hernandez-Reynoso, A. G. and Pancrazio, J. J. (2024). A Real-Time Approach for Assessing Rodent Engagement in a Nose-Poking Go/No-Go Behavioral Task Using ArUco Markers. Bio-protocol 14(21): e5098. DOI: 10.21769/BioProtoc.5098.

Smith, T. J., Smith, T. R., Faruk, F., Bendea, M., Tirumala Kumara, S., Capadona, J. R., Hernandez-Reynoso, A. G. and Pancrazio, J. J. (2024). Real-Time Assessment of Rodent Engagement Using ArUco Markers: A Scalable and Accessible Approach for Scoring Behavior in a Nose-Poking Go/No-Go Task. eNeuro. 11(3): ENEURO.0500–23.2024.

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