Hvordan bevæger et skelet sig? En ny sporingsmetode til at kvantificere skeletkinematik i frit bevægende gnavere

Abstrakt

Skeletbevægelse er afgørende for en bred vifte af adfærd, herunder bevægelse, fodring og pleje. Kvantificering af skeletkinematik i frit bevægende gnavere har imidlertid været udfordrende på grund af disse dyrs lille størrelse og komplekse anatomi. Her præsenterer vi en ny sporingsmetode, der bruger højhastighedsvideografi og maskinlæring til at spore bevægelsen af ​​individuelle knogler i frit bevægende gnavere. Vores metode er i stand til at spore bevægelsen af ​​knogler med høj nøjagtighed og præcision, og kan bruges til at studere en bred vifte af adfærd. Vi demonstrerer anvendeligheden af ​​vores metode ved at spore bevægelsen af ​​forben og bagben under bevægelse. Vores resultater giver ny indsigt i kinematik af gnaverbevægelse og fremhæver potentialet i vores metode til at studere skeletbevægelser i en række andre adfærdsformer.

Introduktion

Skeletbevægelse er afgørende for en bred vifte af adfærd, herunder bevægelse, fodring og pleje. At forstå kinematik af skeletbevægelse er derfor afgørende for at forstå, hvordan gnavere interagerer med deres miljø. Imidlertid har kvantificering af skeletkinematik i frit bevægende gnavere været udfordrende på grund af disse dyrs lille størrelse og komplekse anatomi.

Traditionelle metoder til sporing af skeletbevægelser, såsom motion capture og videografi, er ofte begrænset af deres invasivitet eller deres manglende evne til at spore bevægelsen af ​​individuelle knogler. For nylig er der udviklet maskinlæringsbaserede metoder, der kan spore bevægelsen af ​​knogler fra højhastighedsvideografi. Disse metoder har dog typisk været begrænset til at spore bevægelsen af ​​et lille antal knogler og er ikke blevet valideret til brug i frit bevægende gnavere.

Her præsenterer vi en ny sporingsmetode, der bruger højhastighedsvideografi og maskinlæring til at spore bevægelsen af ​​individuelle knogler i frit bevægende gnavere. Vores metode er i stand til at spore bevægelsen af ​​knogler med høj nøjagtighed og præcision, og kan bruges til at studere en bred vifte af adfærd. Vi demonstrerer anvendeligheden af ​​vores metode ved at spore bevægelsen af ​​forben og bagben under bevægelse. Vores resultater giver ny indsigt i kinematik af gnaverbevægelse og fremhæver potentialet i vores metode til at studere skeletbevægelser i en række andre adfærdsformer.

Metoder

Dyr

Alle eksperimenter blev udført i overensstemmelse med National Institutes of Health Guide for Care and Use of Laboratory Animals og blev godkendt af Institutional Animal Care and Use Committee ved University of California, Berkeley. C57BL/6J-hanmus (8-12 uger gamle) blev anvendt i alle eksperimenter.

Eksperimentel opsætning

Mus blev placeret i en specialbygget arena (30 cm x 30 cm x 30 cm) lavet af klart plexiglas. Arenaen blev placeret på et vibrationsisoleringsbord for at minimere bevægelsesartefakter. Højhastigheds-videografi blev udført ved hjælp af et Photron Fastcam SA3-kamera (Photron, Tokyo, Japan) med 500 billeder i sekundet. Kameraet var placeret over arenaen og fokuseret på musens krop.

Sporingsmetode

Vores sporingsmetode er baseret på en dyb læringsalgoritme kaldet