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动作跟踪软件成研究进化和诊断疾病新利器

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实话实说,古生物学家Stephen Gatesy想让灭绝的生物重生。当他凝视着恐龙骨骼化石和其他已经死亡很久的野兽时,他在想象它们会如何行走、跑步或是飞翔,这些动作又如何演化成它们现今后代的步态。“我是个视觉能力很发达的人。”他颇具诙谐色彩地说。


但化石是没有生命的静止物体,它们能告诉Gatesy的动作信息寥寥无几。因此,Gatesy把目光转向了XROMM(X光移动形态学重建)——他和美国罗得岛普罗维登斯布朗大学的同事研发的一个软件包。


XROMM借鉴了动作捕捉技术,该技术采用多个相机从不同角度对移动物体成像,然后物体上的记号可以通过计算机编程被转化成3D模式。


其中的不同点是XROMM使用的不是相机,而是X射线机器,该机器可以制作出诸如猪、鸭、鱼等活体动物体内骨骼和关节活动的视频。了解和运动相关的动物骨骼的结构可以帮助古生物学家搞清哪些动作是已成为化石的动物生前曾做过的。“这是一种完全不同的研究进化学的途径。”Gatesy说。


XROMM在2008年问世,是一个资源开放包裹,也是让研究人员了解动物和人类如何行走、爬行以及飞翔的软件工具之一。这给与古老的动物行为学相关的广泛研究领域——从研究生物多样性到设计腿部支架、假体和其他辅助性医疗设备——带来了新的契机。“我们正处于一个照相机和计算机技术使用频繁的时代,这些途径可以帮助我们扩大有关行为学问题研究的范畴。”帕萨迪纳市加州理工学院神经科学家Michael Dickinson说。


然而,为了利用和研发有效的软件,科学家必须了解如何根据研究需要,学习适应更加广泛、开放的工具,还要了解什么时候需要自己开发研究工具。


动作跟踪工具热潮的出现,部分上是因为研究人员可监测能力的提高。首个动物和人类动作研究可以追溯到亚里士多德本人(公元前384年~公元前322年),当时他主要依赖肉眼观察和剖析手绘的图画。到19世纪,生物机械学受到摄影技术的促进,可能最有名的是由英国摄影师Eadweard Muybridge拍摄的一系列跃马图,这些照片随后发表于他1887年出版的《动物运动》集中。


高速摄像机最终改进了可以捕捉的动作。但是动作研究仍然需要个人仔细观察拍摄结果,而跟踪每个步态、每次翅膀震动的研究非常辛苦。现在,这些冗长的过程可以通过使用计算机或其他测量工具而变得不那么单调乏味。但是这类工具通常极为昂贵,即便是今天,很多研究人员也不能拥有这样的设备。Gatesy回想起数年前一名研究生在利用低端技术研究大鼠步态时感受到的吃惊:“当时的方法是把大鼠的爪蘸一些墨水,让它们在活动过程中留下足印,然后根据足印作研究,这种方法当时可以说是稀松平常。”他说。


然而,最近科学家想到更加精妙且不昂贵的办法。今年7月,哥伦比亚大学发育生物学家Richard Mann、César Mendes和同事发表了一篇关于小鼠步行器的文章,他们发明的这个仪器可以自动分析老鼠步态的变化。它包括一个并不昂贵的装配,可以让老鼠在高速相机上方的透明表面上行走,然后记录其脚步。另外一项叫作机器视觉的分析技术则可以让小鼠步行器软件分辨其中的一些细节,如小鼠每个脚步对应的身体位置。


Mendes表示,这项信息可以用于探索哪些步态存在异常,这种情况可能出现在神经性疾病,如帕金森氏症中。据了解,小鼠步行器改编自果蝇步行器——Mendes和同事研发的一款让神经学家跟踪果蝇神经系统受伤后行为混乱的仪器。小鼠步行器和果蝇步行器都是开源软件:研究者希望可以让这些软件实现免费获取,从而吸引用户增加他们此前没有想到的一些功能。


很多研究人员都拥有分享软件工具的愿望,因此动作跟踪软件正在各个领域找到用武之地,有时甚至是以未曾预料的方式。“我们希望人们可以使用我们开发的工具,然后用它们开辟新的研究方向。”斯坦福大学工程师Jen Hickss说,他曾帮助管理开源软件包OpenSim,该软件包可以让用户针对关节、肌肉及其运动方式建模。OpenSim有超过2万名用户,Hickss的部分工作是组织研讨会和培训指导这一日益增大的用户群。


尽管当前已有许多开源软件工具,但研究人员仍在继续扩大动作跟踪软件的应用。Hickss期望,可以看到更多用户用它们进行神经控制和自动化设计。她还希望可以进一步提升该软件性能。“我们还在探索甚至更有难度的动作数据,比如手机的智能感应器。”她说,“把更多机器学习和生物机理结合在一起,那是我们的下一步研究计划。”


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