动作跟踪软件成研究进化和诊断疾病新利器

动物行为研究是一门古老的学科，科学技术的发展不断赋予它新的意义。来源:双胞胎项目

老实说，古生物学家斯蒂芬·盖茨希望灭绝的生物能够重生。当他凝视着恐龙骨骼和其他已经死去很长时间的动物时，他想象着它们将如何行走、奔跑或飞翔，以及这些运动如何演变成它们现在的后代的步态。"我是一个有很好视觉能力的人."他幽默地说。

但是化石是无生命的静止物体，它们很少能告诉盖特西它们的运动。结果，盖茨把注意力转向了X射线运动形态学的重建——一个由他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借鉴了运动捕捉技术，利用多个摄像头从不同角度拍摄运动物体，然后通过计算机编程将物体上的标记转换成3D模式。

不同之处在于，XROMM不使用照相机，而是使用x光机，它可以拍摄猪、鸭和鱼等活体动物的骨骼和关节运动的视频。了解与运动相关的动物骨骼结构有助于古生物学家发现化石动物在死亡前做过哪些运动。"这是一种完全不同的化学学习方式."盖茨说。

XROMM于2008年问世。这是一个开放的资源包，也是研究人员了解动物和人类如何行走、爬行和飞行的软件工具之一。这给与古代动物行为学相关的广泛研究领域带来了新的机遇，从生物多样性研究到腿支架、假肢和其他辅助医疗设备的设计。“我们正处于一个频繁使用照相机和计算机技术的时代。这些方法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，为了使用和开发有效的软件，科学家们必须了解如何根据研究需要以及何时需要开发自己的研究工具来适应更广泛和开放的工具。

运动跟踪工具的兴起部分是由于研究人员监控能力的提高。对动物和人类运动的第一次研究可以追溯到亚里士多德本人(公元前384-322年)，当时他主要依靠肉眼观察和分析手绘图片。到19世纪，摄影促进了生物力学的发展。也许最著名的是英国摄影师埃德沃德·迈布里奇拍摄的一系列跃马照片，这些照片后来发表在他1887年的书《动物运动》中。

高速摄像机最终改进了可以捕捉的运动。然而，运动研究仍然需要个人仔细观察拍摄结果，跟踪每个步态和翅膀振动的研究非常困难。现在，通过使用计算机或其他测量工具，这些冗长的过程可以变得不那么乏味。然而，这种工具通常极其昂贵，甚至在今天，许多研究人员还没有这种设备。盖特西回忆起几年前一名研究生用低端技术研究老鼠步态时的惊讶:“当时的方法是将老鼠的爪子蘸上墨水，让它们在活动过程中留下脚印，然后根据脚印进行研究。这种方法当时相当普遍。”他说。

然而，最近科学家们想出了更微妙、更便宜的方法。今年7月，哥伦比亚大学发育生物学家理查德·曼、塞萨尔·门德斯和他们的同事发表了一篇关于小鼠行走器的文章。他们发明的仪器可以自动分析老鼠步态的变化。它包括一个便宜的组件，允许老鼠在高速摄像机上方的透明表面上行走，然后记录它们的足迹。另一种被称为机器视觉的分析技术允许鼠标行走软件区分一些细节，例如对应于鼠标每一步的身体位置。

门德斯说，这些信息可以用来探索哪些步态异常存在，这些异常可能发生在神经系统疾病中，如帕金森氏病。据了解，小鼠学步车是根据果蝇学步车改编的——果蝇学步车是由——门德斯和他的同事开发的一种仪器，允许神经科学家在果蝇神经系统受伤后追踪行为障碍。鼠标漫游器和果蝇漫游器都是开源软件:研究人员希望免费提供这些软件，以吸引用户添加一些他们以前没有想到的功能。

许多研究人员渴望共享软件工具，因此运动跟踪软件正在进入各个领域，有时甚至以意想不到的方式。“我们希望人们能够使用我们开发的工具，然后用它们来开辟新的研究方向。”斯坦福工程师Jen Hickss说，他帮助管理开源软件包OpenSim，该软件允许用户模拟关节、肌肉和他们的运动模式。OpenSim拥有超过20，000名用户，Hickss负责组织研讨会和培训来引导这个不断增长的用户群。

尽管有许多开源软件工具，研究人员仍在继续扩展运动跟踪软件的应用。希克斯希望看到更多的用户将它们用于神经控制和自动设计。她还希望进一步提高软件的性能。"我们仍在探索更困难的运动数据，比如手机智能传感器."“将更多的机器学习和生物机制结合起来是我们的下一个研究计划，”她说。(红枫)

中国科学新闻(2015-09-08第三版国际版)

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