Американські біологи представили CAPTURE - оптичну систему захоплення руху тварин, в якій для нанесення міток для відстеження положення тіла використовується пірсинг. Систему протестували на щурах, яким на тіло закріпили 20 срібних міток: такий спосіб виявився просторово точнішим за аналіз рухів за допомогою комп'ютерного зору, а також дозволив простежити за поведінкою тварин під впливом кофеїну та амфетаміну і щурів із синдромом ломкою X-хромосоми. Стаття опублікована в журналі.
Для вивчення поведінки тварин необхідно в першу чергу стежити за їхніми рухами в певних ситуаціях: це можна робити за допомогою теплових карт, відстеження за RFID-мітками, технологій комп'ютерного зору або просто візуального аналізу людиною. Точність використовуваних методів відрізняється, тому рухи, характерні для будь-якої поведінки тварини, також можуть різнитися від дослідження до дослідження. Через це може бути складно визначити поведінкові патерни, які могли б сильно полегшити подальші дослідження життя тварин - саме тому необхідно розробити такі методи трекінгу, які дозволили б максимально точно відстежити навіть найдрібніші рухи.
Джессі Маршалл (Jesse Marshall) з Гарвардського університету і його колеги запропонували використовувати для цього захоплення руху класичним оптичним методом, в якому камера реєструє відбиття світла від розташованих на тілі маркерів. Щоб полегшити розташування маркерів на тілі тварини, дослідники вирішили використовувати пірсинг - і розташували по 20 покритих сріблом маркерів на тілі п'яти щурів: на лапах, голові і по довжині хребта.
Для роботи системи вчені створили міні-студію у вигляді невеликого майданчика для ігор, обнесеного прозорими стінками, а навколо поставили 12 камер; щоб щури більше рухалися на майданчику, на нього також поклали іграшки і педаль для навчання: після натискання на неї особина отримує частування або воду. Дані про положення частин тіла кожного щура записували постійно протягом тижня, а для побудови тривимірної моделі використовували згорточну нейромережу, яка навчалася передбачати положення кожного маркера на основі її минулого положення і положення інших точок.
У підсумку за допомогою CAPTURE вченим вдалося побудувати схематичні (у вигляді паличок) тривимірні моделі положення тіла тварини. За отриманою моделлю можна оцінювати не тільки положення окремих частин тіла, а й частоту їх руху, а також відзначити певні патерни, характерні, наприклад, для грумінгу. Просторова похибка, тобто неточність у вимірі положення маркерів щодо тіла щура, становила в середньому менше міліметра.
Далі вчені вирішили перевірити роботу системи на щурах, яким ввели або кофеїн у дозуванні 10 міліграмів на кілограм ваги, або амфетамін у дозуванні 0,5 міліграмів на кілограм ваги. Під дією введених речовин щури починали рухатися набагато більше: у русі вони проводили 80 і 84 відсотки часу спостереження для кофеїну та амфетаміну відповідно порівняно з 32 відсотками у спокійному стані. При використанні кофеїну щури більше часу витрачали на грумінг, а після введення амфетаміну починали кружляти навколо своєї осі. За словами вчених, повторювана поведінка зазвичай спостерігається при введенні трохи більших доз амфетаміну: CAPTURE, таким чином, допомогла їм отримати нові дані.
Також вчені оцінили рухи щурів з синдромом ломкою X-хромосоми, яким нокаутували ген. Такі щури проводили порівняно багато часу в русі - принаймні, в порівнянні зі здоровими сородичами - але витрачали набагато більше часу на грумінг. За словами вчених, ці дані, отримані на модельних організмах, дозволять детальніше вивчити повторювану поведінку, характерну для аутизму - симптому, що часто супроводжує синдром ламкою X-хромосоми.
Роботу CAPTURE дослідники також порівняли з іншим ефективним методом трекінгу тварин, DeepLabCut, заснованою на алгоритмах комп'ютерного зору, яку представили німецькі вчені два роки тому. Систему навчили на 100 тисячах кадрів рухів щура, знятих з шести камер: отримані мітки просторово відставали від реального положення частин тіла щура на два-три сантиметри. Поліпшити роботу системи не вдалося навіть після того, як вчені додали для збору даних ще шість камер. В цілому, використання CAPTURE виявилася ефективнішою.
Втім, біологи для вивчення поведінки тварин все ще досить ефективно використовують прямі спостереження: наприклад, цього року за допомогою них вдалося описати 19 різних рухів слонового хоботу, а також детально розглянути гнучкість щупальців восьминога.