這些動物一張嘴就能把你嚇到（有它動物行為看腳印就夠了）

2023-04-24 09:47:14

作者 ｜ 楊晨

小鼠、大鼠、猴子等模式動物的行為識別，在醫學研究和藥物開發中具有重要意義。

然而，通過普通視頻技術研究動物對特定刺激的反應，容易受到實驗場所的光照條件和拍攝角度的影響。

為解決這一問題，近日，中科院成都生物研究所（以下簡稱成都生物所）動物行為與仿生項目的科研人員基於受抑全反射原理，設計了一個小鼠行為分類系統，通過小鼠的「腳印」來識別其行為，進而進行相關研究。

多次實驗結果表明，小鼠的足部接觸特徵在行為識別方面比普通視頻更有效。

相關論文發表於Knowledge-Based Systems。

小鼠行為分類系統。中科院成都生物所供圖

密閉「黑箱」無幹擾

在成都生物所研究員、論文共同通訊作者唐業忠的辦公室，《中國科學報》記者見到了這個外表簡易卻暗含巧思的行為分類系統。

外形上看，其為正方體或不規則的立方體框架，可靈活組合；頂部均嵌有透明的觸屏板，底部則設有紅外線攝像機。

唐業忠介紹，頂部四周框架的槽內「藏」有紅外燈條（波長>950納米），紅外光從側面注入行為場的透明下界面。根據受抑全反射原理，小鼠腳掌或腳趾與界面（觸屏板）接觸即形成腳印圖像，並被紅外攝像頭記錄。

「系統很靈敏，就算是體重1克左右的小蠑螈踩上去，都能識別其腳印和尾巴。」

此外，系統可根據需要進行多面圍擋，形成密閉和無光的「黑箱」。

「這是系統最大的一個好處，就是能在完全『無光』的條件下使用。」

唐業忠表示，小鼠是夜行動物，做行為監測最好是順應其生活規律設置實驗環境，「而且在無幹擾的環境下，對動物進行行為刺激（特別是視覺刺激）並監測，得到的數據更準確」。

小鼠平均行為識別率達83.09%

「老鼠的行為動作比較簡單，基本上我們能夠想像出來的動作都會帶動腳的變化。」

唐業忠表示，紅外相機記錄下的腳印數量、方向、軌跡以及變化頻率等，能夠更直觀地反映出老鼠的行為。

收集到小鼠腳印圖像後，研究團隊建立了小鼠行為數據集（IMBD），並使用支持向量機（SVM）對腳印進行分類。

為了提高性能，他們還提出了一種改進的粒子群算法對參數進行優化。

在IMBD和SVM的基礎上，團隊測試了不同的特徵提取方法和分類器。

與其他常用的粒子群優化算法相比，該系統表現出了更高的精度和效率，對個體行為的識別率高達94.37%；所有被試小鼠的平均行為識別率達到83.09%。

該系統可用於肌肉骨骼關節類疾病、神經系統類疾病的動物模型或相關藥物研發，檢測反應機理或藥效等。

例如，步態改變是老年退行性病變早期最主要的外在表現，所以步態變化識別尤為重要。

「而系統正是通過腳印的變化，更直接地監測行為的改變。」唐業忠表示，系統2.0版本將升級觸屏板——柔性壓力傳感陣列，不但可以採集到腳印的時空變化，還能記錄下腳底與接觸面的壓強，「這樣能夠更精準地監測到左右腳觸地失衡程度」。

隨著系統的不斷升級完善，唐業忠希望其能夠實現產業化，「主要面向製藥公司和科研單位，也可服務於生態監測」。

讓野外監測調查工作更省力

根據唐業忠關於小鼠行為分類系統的設計思路，成都生物所研究員謝鋒對系統進行了改裝，並成功應用於在野外對保護動物——大涼螈的生態學研究中。

「大涼螈等兩棲爬行類是冷血動物，沒法觸發紅外相機。以前我們要在它們繁殖遷徙的路上挖一個深30釐米左右的『陷阱』，等其掉入，之後每天派人定時查看，作相應的記錄後再放生。」

謝鋒說，而在最近的大涼螈繁殖季節中，其團隊就使用這個改裝版的行為分類系統進行監測。

「相當於把一個監測設備埋在了以前設『陷阱』的地方，一旦有動物經過觸屏板，底下的紅外線攝像頭就能記錄下通過的時間、頻率、腳印數量等。」

謝鋒團隊根據這些信息判斷動物種類、測定個體大小、分析活動規律等，數據更加豐富且準確，提高了工作效率。

同時，研究團隊工作起來更省力，免去了每天來回跑動；監測工作對動物日常生活也實現了「零」幹擾。

謝鋒透露，目前該設備已經申請了專利，後臺數據讀取還將引入人工智慧（AI）識別功能，實現根據圖像結構特徵抓取相應數據，方便查找。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.knosys.2021.107088

《中國科學報》 (2021-12-08 第4版 綜合 原標題為《腳印背後的秘密，它知道》)