[发明专利]用于目标的运动行为的三维监控和分析的系统

说明书

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技术领域

总地来说，本发明涉及目标的行为表现型的监控和分析，所述目标诸如脊椎动物(例如斑马鱼或Danio rerio(斑马鱼的学名)、金鱼或鲫鱼)、啮齿动物(例如老鼠)和昆虫(例如果蝇)。更具体而言，本发明的一个方面涉及在实时和在线模式下或者离线模式下，对于单独的动物或者一组(群)动物，在特定的行为范例实验下的实验室动物的三维运动相关行为的自动监控和分析，所述行为诸如运动行为、动作行为、家笼行为、进攻、反掠夺、群聚偏好和光偏好范例。实验室动物可以是在敲入、敲除或者转基因操作后在遗传上改变的动物，或者是在被暴露到药物、化学品或者特定的环境后的实验动物。

背景技术

诸如野生型动物、遗传上改变(转基因、敲入或者敲除)的动物、药物处理的动物和在化学突变形成操作后的动物的实验室动物已经在各种生物、临床、生物医学、环境和军事研究领域(包括(仅仅说出几个)染色体组的研究、遗传学功能无序、表型的药物筛选、毒理学、生物检测和生物防御的研究)中被广泛地用作人模型。这是因为下述事实：人和动物共享大量的遗传和神经解剖学的同源，其在不同的物种之间被广泛地保留。动物模型的行为研究特别有益于用于下述目的的后染色体组的研究领域：用于识别已知的基因类型，量化由各种神经无序引发的行为响应，并且披露药物候选者的毒性和效用。

在运动功能中的缺陷可能被遗传突变或者被化学化合物的效果引起，运动相关的动物行为研究有益于明白不同的基因型对于各种运动相关的功能疾病(诸如杭廷顿氏舞蹈病和帕金森氏病)的影响以及药物或者任何化学化合物对于人类的影响。用于这些目的的典型动物模型包括啮齿动物(诸如老鼠)、脊椎动物(诸如斑马鱼和金鱼)和昆虫(诸如果蝇)。已经对于这些模型设计了多种标准化的动物行为测试。例如，啮齿动物的行为测试包括露地、家笼、水迷宫和社会行为范例，而用于脊椎动物的行为测试包括游动运动行为、反掠夺行为和群聚偏好范例。已经对于这些测试定义了用于描述表型的行为的关键参数。例如，可以通过行程距离、游动速度、转动角度、方向改变的平均速度(RCDI)、净位移对总位移比率(NGDR)、体波形状和尾部击打幅度和频率等来分类和分析斑马鱼的游动运动行为。

在各种物种的实验室动物的所有的标准行为测试中，运动信息和自发的行为信息对于表型筛选很重要。可以从露地(用于运动行为测试)和家笼范例获得这样的信息。

已经在历史上通过人的观察和/或依赖于预先记录的录像带的离线手册而实现实验室动物的运动模式的监控，这不可避免地导致不精确、不足和主观的数据和观察结果。而且，人的观察方法具有很大的缺陷，诸如缺少量化数据、大的观察变化、劳动密集、高成本和沿着人眼的深度方向丢失信息。近来，研究者已经开发了各种计算机化的装置和方法，用于自动地监控动物的运动行为，包括光束笼、压力活动板和与离线视频序列分析相关联的二维视频记录(仅仅列出几个)。例如参见S.Kato，et al，A computer image processing system forquantification of zebrafish behavior，Journal of Neuroscience Methods，134(2004)，1-7；以及J.Chraskova，et al.An automatic 3-D trackingsystem with a PC and a single TV camera，Journal of NeuroscienceMethods，88(1999)，195-200。在这些方法中，所述视频记录方法相对于其他方法具有独特的优点，诸如非接触设置、高采样频率、高空间分辨率、长监控时段、跟踪身体的特定部分的运动的能力和在跟踪不同的物种的运动中的通用性。因此，所述二维视频记录和分析方法更广地应用在动物行为监控和分析的领域中。