動(dòng)物行為實(shí)驗(yàn)工具（1）丨大小鼠3D姿勢(shì)追蹤

3D 姿勢(shì)追蹤與測(cè)量是核心技術(shù)環(huán)節(jié)，以自我中心參考系為基準(zhǔn)，精準(zhǔn)捕捉動(dòng)物頭部、背部、頸部的空間姿態(tài)與位置信息，采用高精度3D運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)記點(diǎn)的空間坐標(biāo)實(shí)時(shí)采集實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)姿勢(shì)數(shù)據(jù)記錄，確保捕捉自由覓食過(guò)程中快速姿勢(shì)轉(zhuǎn)換（如抬頭、轉(zhuǎn)身、俯身覓食等）。可為后續(xù)關(guān)聯(lián)神經(jīng)活動(dòng)分析提供了高維度、高穩(wěn)定性的行為數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)驗(yàn)步驟：

選擇大鼠用于開(kāi)展自由覓食狀態(tài)下的行為與神經(jīng)記錄實(shí)驗(yàn)。2米邊長(zhǎng)的八角形實(shí)驗(yàn)箱（arena）為大鼠提供充足的自由活動(dòng)空間，模擬自然覓食環(huán)境。

設(shè)置20分鐘/次的覓食，同時(shí)包含明、暗兩種光照條件以驗(yàn)證姿勢(shì)編碼對(duì)視覺(jué)地標(biāo)與視覺(jué)注意的獨(dú)立性。

3D姿勢(shì)追蹤與測(cè)量

追蹤目標(biāo)：

同步追蹤大鼠的頭部、背部、頸部三個(gè)關(guān)鍵身體部位，其中背部設(shè)置3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)以精準(zhǔn)捕捉軀干姿態(tài)。

測(cè)量指標(biāo)（以自我中心參考系為基準(zhǔn)）：

1. 頭部姿勢(shì)：通過(guò)歐拉角量化，包括俯仰角（pitch）、方位角（azimuth）、側(cè)滾角（roll）。

2. 背部姿勢(shì)：測(cè)量背部俯仰角（back pitch）、背部方位角（back azimuth），反映軀干的屈曲狀態(tài)。

3. 頸部狀態(tài)：記錄頸部高度（neck elevation），即頸部相對(duì)于實(shí)驗(yàn)箱地面的垂直高度。

4. 輔助行為參數(shù)：同時(shí)監(jiān)測(cè)跑步速度（running speed）、自身運(yùn)動(dòng)（self-motion）、頭部方向、運(yùn)動(dòng)方向、空間位置等allocentric信號(hào)，用于對(duì)照分析。

3D姿勢(shì)追蹤與測(cè)量的具體指標(biāo)：

頭部的俯仰角（Pitch）是頭部相對(duì)于實(shí)驗(yàn)箱地面的上下傾斜角度，以紅色箭頭標(biāo)記，以水平向前為0°，抬頭為正、低頭為負(fù)，可反映頭部高低位置（如覓食時(shí)低頭、警覺(jué)時(shí)抬頭）；

頭部的方位角（Azimuth）是頭部相對(duì)于身體軸向量（從尾部到頸基部）的水平偏轉(zhuǎn)角度，以深粉色箭頭標(biāo)記，能反映頭部左右轉(zhuǎn)向（如側(cè)視、朝向食物方向）；

頭部的側(cè)滾角（Roll）是頭部相對(duì)于實(shí)驗(yàn)箱地面的側(cè)翻角度，以淺粉色箭頭標(biāo)記，可反映頭部左右傾斜（如側(cè)身覓食時(shí)的頭部姿態(tài)）；

背部的俯仰角（Back Pitch）是背部標(biāo)記點(diǎn)構(gòu)成的直線相對(duì)于地面的上下彎曲角度，以藍(lán)色箭頭標(biāo)記，能反映軀干屈曲狀態(tài)（如弓背、直背、俯身）；

背部的方位角（Back Azimuth）是背部標(biāo)記點(diǎn)構(gòu)成的直線相對(duì)于身體軸向量的水平偏轉(zhuǎn)角度，以藍(lán)色箭頭標(biāo)記，可反映軀干扭轉(zhuǎn)狀態(tài)（如轉(zhuǎn)身時(shí)的軀干姿態(tài)）；

頸部的高度（Neck Elevation）是頸部關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)箱地面的垂直距離（單位：cm），以橙色箭頭標(biāo)記，能反映頸部抬起高度（如直立時(shí)頸部抬高、覓食時(shí)頸部壓低）。

姿勢(shì)表征與解碼分析：

將6維姿勢(shì)數(shù)據(jù)（頭部3個(gè)軸、背部2個(gè)軸、頸部1個(gè)軸）降維至2維，構(gòu)建“姿勢(shì)圖”（posture map），每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一種特定的身體構(gòu)型，直觀呈現(xiàn)姿勢(shì)分布。

該方法有利于探究不同物種/腦區(qū)的姿勢(shì)編碼機(jī)制，解析神經(jīng)環(huán)路與姿勢(shì)調(diào)控的因果關(guān)系，揭示運(yùn)動(dòng)相關(guān)疾病的神經(jīng)機(jī)制；精細(xì)化量化自由行為姿勢(shì)，研究認(rèn)知過(guò)程與姿勢(shì)的關(guān)聯(lián)，分析動(dòng)物對(duì)環(huán)境的姿勢(shì)適應(yīng)策略。

參考文獻(xiàn)

• Bartul Mimica et al. ,Efficient cortical coding of 3D posture in freely behaving rats.Science362,584-589(2018).DOI:10.1126/science.aau2013

腦聲小店基于深度科研洞察，專注為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提供"簡(jiǎn)器械·精實(shí)驗(yàn)"解決方案。我們突破高精設(shè)備局限，開(kāi)發(fā)手工定制化儀器及配件，通過(guò)科研巧思將基礎(chǔ)工具轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案。產(chǎn)品涵蓋行為學(xué)裝置、操作輔助工具等，使實(shí)驗(yàn)室在保持操作簡(jiǎn)效的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化數(shù)據(jù)采集，助力科研人員以創(chuàng)造性思維發(fā)掘簡(jiǎn)易儀器的潛在科研價(jià)值。