Как движется скелет? Новый метод отслеживания для количественной оценки кинематики скелета у свободно перемещающихся грызунов
Исследователи из Института нейробиологии поведения Общества Макса Планка разработали метод для точного и детального измерения движения скелета у свободно перемещающихся грызунов.
Метод основан на построении модели скелета, которая вычисляет движение костных суставов, используя базовые анатомические принципы, такие как пределы вращения суставов и скорости, с которыми могут двигаться тела. Этот подход, опубликованный в Nature Methods, открывает новые возможности для изучения того, как животные взаимодействуют со своей средой, и для понимания взаимосвязи между нейронной активностью и сложным поведением, таким как принятие решений.
Изучение свободно движущегося животного дает уникальное представление о поведении. Поскольку активность центральной нервной системы в конечном итоге приводит к решениям, реализуемым через движения тела, измерение этой механики и ее соотнесение с нейронной активностью необходимо для глубокого понимания функций мозга.
Без рентгеновского аппарата анализ движений отдельных костей чрезвычайно сложен, так как мех, кожа и мягкие ткани скрывают скелет. Существующие методы машинного обучения могут точно измерить позу животного, но не отследить изменения положений костей и движение суставов под видимой поверхностью тела.
Исследователи из отдела «Поведение и организация мозга» Института нейробиологии поведения Макса Планка в Бонне под руководством профессора Джейсона Керра разработали видеографический метод для 3D-отслеживания скелета с разрешением на уровне отдельных суставов у свободно перемещающихся животных.
Их Анатомически Ограниченная Модель (ACM) основана на анатомически обоснованном скелете, который определяет кинематику скелета животного в движении. Это позволило измерить внутреннюю работу скелета в реальном времени, пока животные прыгали, ходили, тянулись и бегали.
Новый метод применим к различным пушистым видам, таким как мыши и крысы разных размеров и возрастов. Чтобы убедиться в точности данных, исследователи совместно с коллегами из Института биологической кибернетики Макса Планка и Института интеллектуальных систем Макса Планка в Тюбингене использовали МРТ-сканирование животных для сравнения модели ACM с реальным скелетом.
«Наш новый метод относительно прост, не требует привязи и использует камеры, установленные сверху. Он решает многие проблемы, связанные с отслеживанием свободно перемещающихся грызунов, особенно покрытых мехом, и когда тело закрывает ноги и ступни», — говорит профессор Джейсон Керр.
Одним из следующих шагов станет комбинация этого подхода с одновременной регистрацией активности нейронов в мозге с помощью миниатюрных многопотонных микроскопов, установленных на голове, которые разработали исследователи MPINB. Это позволит точно соотнести нейронную активность с реальным поведением.
Исследователи также планируют применить свой новый метод для измерения кинематики движения у других видов животных в более естественных условиях и одновременно у нескольких взаимодействующих особей.
«Используя наш новый метод, мы, с одной стороны, получим дальнейшее представление о том, как животные взаимодействуют с окружающей средой, а с другой стороны, надеемся получить знания о том, как животные взаимодействуют друг с другом», — говорит Джейсон Керр.