动作跟踪软件成研究进化和诊断疾病新利器
时间:2017-12-07

  运动跟踪软件进入新的疾病诊断工具 - 新闻 - 科学网

  动物行为研究是一门古老的学科,不断赋予科学技术发展新的内涵。图片来源:项目双胞胎

  说实话,古生物学家史蒂芬·盖茨(Stephen Gatesy)希望振兴一个已经灭绝的生物。当他凝视着已经死亡了很长时间的恐龙骨架化石和其他动物时,他想象他们将如何走路,跑步或飞行,以及这些动作如何演变成现今后代的步伐。我是一个非常先进的视觉人。他很幽默地说。

  但化石是死的,无生命的物体,告诉盖茨关于他们的动作的一点信息。结果,Gatesy把他的注意力转移到他在XROMM(X射线形态学重建)的同事和他在罗德岛普罗维登斯布朗大学的同事开发的软件包。

  XROMM利用运动捕捉技术,利用多个摄像头对不同角度的运动物体进行成像,然后通过计算机编程将物体上的令牌转换为3D模式。

  不同之处在于,XROMM不使用照相机,而是使用X光机,可以生成猪,鸭,鱼等活体动物的骨骼和关节的视频。了解与运动相关的动物骨骼的结构可以帮助古生物学家找出动物化石的动作。这是学习化学的完全不同的方式。盖茨说。

  XROMM于2008年推出,是一个开源软件包,也是让研究人员了解动物和人类如何走路,爬行和飞行的软件工具之一。这一与古代动物行为有关的广泛研究领域为研究生物多样性和设计腿部支撑,假肢和其他辅助医疗设备提供了新的机会。我们处在一个频繁使用相机和计算机技术的时代,这可以帮助我们扩大行为问题的研究范围。帕萨迪纳加州理工学院的神经科学家迈克尔·迪金森说。

  然而,为了开发和开发有效的软件,科学家们必须了解如何根据研究的需要来适应更广泛,更开放的工具,并且了解何时开发自己的研究工具。

  运动跟踪工具的出现部分是因为研究人员可以监控他们的改进能力。对动物和人类行为的第一次研究可以追溯到亚里士多德本人(公元前384年到公元前322年),他主要依靠肉眼观察和剖析手绘图画。到了19世纪,生物力学被摄影技术所推动,可能是英国摄影师Eadweard Muybridge拍摄的一系列拼图地图,后来在1887年出版的“动物运动”一书中发表。

  高速摄像机最终改善了他们可以捕捉的东西。但是,行动研究仍然需要个人仔细观察拍摄结果,并且追踪每一个步态,每一个侧翼的振动研究是非常困难的。这些冗长的过程现在可以通过使用计算机或其他测量工具变得不那么繁琐。但是这样的工具往往是非常昂贵的,即使在今天,许多研究人员也没有这样的设备。盖茨回忆起几年前研究生的一个惊喜,他用低端技术研究老鼠的步态:用一些墨水在老鼠的爪子上留下痕迹,留下足迹。根据研究的脚印这个方法在这个时候可以说是很普遍的,他说。

  然而,最近科学家们提出了更复杂,更廉价的方法。七月份,哥伦比亚大学发育生物学家Richard Mann,Csar Mendes及其同事发表了一篇关于老鼠步行者的文章,他们发明了自动分析老鼠步态的变化。它包括一个便宜的组件,允许鼠标在高速摄像机上方的透明表面上行走,并记录其脚步。另一种称为机器视觉分析的技术允许鼠标助手软件区分这些细节中的一些,例如每一步鼠标的身体位置。

  门德斯说,这些信息可以用来探索哪些步态模式是不正常的,这种情况可能出现在神经系统疾病如帕金森病中。据了解,由果蝇步行者Mendes及其同事开发的一种神经学家跟踪果蝇神经系统损伤行为障碍后仪器小鼠步行者和果蝇步行者是开源软件:研究人员希望能够免费提供这些软件,以吸引用户增加以前没有想到的功能。

  许多研究人员都渴望共享软件工具,所以运动跟踪软件正在许多领域找到方法,有时是无法预料的。我们希望人们可以使用我们开发的工具,然后用它们开辟新的研究方向。斯坦福大学工程师Jen Hickss说,他帮助管理开源软件包OpenSim,它可以让用户对关节,肌肉和动作进行建模。 OpenSim拥有2万多用户,Hickss的部分工作是组织一个不断增长的研讨会和培训指南的用户群。

  尽管当今有许多开源软件工具,研究人员仍在继续扩大运动跟踪软件的使用范围。希克斯希望看到更多的用户将其用于神经控制和自动化设计。她还希望进一步提高软件的性能,同时也在探索更多具有挑战性的行动数据,例如智能手机智能手机,她说将更多的机器学习和生物机制相结合是我们下一个研究项目(红枫)

  “中国科学”(2015-09-08第3版国际)

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  自然报告(英文)