3D-AI | 三维精细行为分析系统

 

行为是神经活动的外在表现形式,理解行为与神经元的关系是神经科学领域中的核心目标之一。近十年来,以光遗传学、高通量神经电极、活体显微成像为代表的新技术为神经科学研究带来了变革式的发展,但是我们对行为的观测和量化手段仍相对简化,已成为对神经科学持续深入理解的瓶颈之一。这也导致基于动物行为实验的脑疾病靶点和药物干预策略研发的不可靠,进一步造成脑疾病新药研发成本过高和进展缓慢的问题。

 

为了扭转这个现状,团队基于人工智能等技术,开发了不依赖于人眼主观评估的精准动物用行为采集及分析技术。该技术可以帮助人们理解动物的“肢体语言”,特别是动物在某种认知行为或疾病状态下的特殊语言,例如帕金森的动物主要行为特征是什么?焦虑抑郁的动物又有什么不一样的地方?我们最终的目标是形成一个从大小鼠、狗、猪、猴等常用药物筛选的模式动物到人类本身的行为图谱或称为行为字典。从而全面提升脑疾病靶点和干预策略研发的可靠性。

 

 

01

技术原理简介

 

BehaviorAtlas 依照动物行为的自然结构进行设计,此系统主要特性包括:

 

  • 开发了多视角相机三维行为采集设备,获取动物行为的三维运动结构,解决了身体遮挡和视野盲区的问题,可以全方位无死角地获取动物行为参数

图1 多机位捕捉动物行为,重建3D骨架

 

  • 基于层次化方法,将动物行为类比人类语言,分解为姿态(字母)、动作(音节)和行为图谱(句子),表征行为的层次结构。此策略将不同层次的行为特征都进行量化,可以针对情绪情感障碍、学习记忆障碍、运动障碍、疼痛等不同类型的疾病动物模型的行为进行分析鉴定

图2 动物行为的层次化类比人类语言

 

图3 三层自下而上的行为架构示意图

 

  • 采用机器学习的方法对行为序列聚类及表型鉴定。此方式无需大量的人工标注数据集,并且不受人为主观因素干预

图4 机器学习对采集的数据流进行整合重建

 

 

02

三维精细行为分析系统

 

一湾生命科技自主研发的三维行为采集设备,是国内首家无标记(Markerless)三维动物姿态捕捉设备。无需在动物身上添加任何物理标记,就能精准地识别动物身体的多个(16个点以上)部位,追踪三维骨骼序列。

 

图5 16点追踪三维骨架示意简图

 

图6 BehaviorAtlas三维行为采集设备

 

产品特色

  • 多视角拍摄,有效解决动物身体遮挡,避免视野盲区

  • 多相机可灵活调整视角,并能实现快速对相机进行标定

  • 提取动物多个身体部位,并且可以实现自定义的精准追踪

  • 对攀爬等垂直方向的运动可以灵敏的检测

  • 采集精度达毫米级

 

三维精细行为分析系统包含三个部分

 

 

03

使用BA-Analyzer软件进行数据处理(需结合数据处理高性能工作站使用)

 

BehaviorAtlas Analyzer (BA-Analyzer) 是基于人工智能(Artificial Intelligence, AI) 及计算机视觉技术研发的一款针对实验动物行为学数据处理软件。旨在通过对动物多个身体点精准追踪,以及自动化的识别动物行为模块,实现高精准、高通量、高效化的动物行为评估。

图7 BehaviorAtlas采集设备-BA-Analyzer软件的工作流程

 

软件特色

  • 多视角3D骨架重建

  • 运动学参数提取,基于上述3D骨架、行为序列,计算动物速度、运动强度、体型参数、位置参数

  • 行为序列提取核心引擎基于动物行为类语言结构的算法模型

  • 可以精准提取超过30种*行为亚型,包括行走、奔跑、站立、抓挠、嗅探等

*可提取的行为亚型数量和物种及样本量有关

高性能工作站推荐配置

操作系统:Windows 10 64-bit

CPU:Intel i9-12900k

显卡:Nvidia GeForce RTX3090Ti

内存:DDR5 64GB RAM

硬盘:2TB固态硬盘

 

 

04

使用BA-Explorer软件进行可视化预览和数据导出

 

BehaviorAtlas Explorer (BA-Explorer) 是一款用于精细化动物行为数据交互式预览、可视化预览、数据分析、数据导出和图像导出的集成化软件。我们致力于提升您在数据处理、绘图时的体验。BA-Explorer可以设置多个子窗口,您可以同步预览某一动作的实时视频、骨架重建、轨迹谱、行为谱等图像,并通过分组功能,对比分析多个组别的样本,完成行为特征的分类(Clustering)和行为图谱(Atlas)的生成。BA-Explorer支持您进行多种参数计算、数据导出以及图像绘制等功能。

 

软件特色

  • 交互式、可视化数据预览

  • 多组别样本对比分析

  • 全面且强大的数据分析工具箱

  • 绘制及导出10多种用于发表和汇报的图像

  • 针对不同疾病模型和范式的专业版功能

 

BA-Explorer功能

1. 提供可视化数据预览

2. 提供实验组(Test)与对照组(Control)的对比分析

3. 提供全面且强大的工具箱

 

 

为促进脑科学与类脑智能、神经行为学、动物行为学等领域的合作交流,更好地服务广大科研工作者,BehaviorAtlas公众号组建了“脑经急转湾”交流群,长按下方二维码,添加官方微信进群。由于申请人数较多,添加微信请备注:姓名-单位-研究方向

 

 
 

关于BehaviorAtlas

BehaviorAtlas神经行为学智能分析系列产品是深圳市一湾生命科技有限公司基于多年在神经行为学研究的积淀。结合前沿的计算机视觉、机器学习技术和神经工程学,公司自主发展了高精度动物行为三维重建和自动化表型鉴定系统、小动物眼动追踪系统、小动物虚拟现实系统。该系列通过对动物行为大数据的分析和计算,实现了对动物行为自动化、智能化、精细化的评估,最终服务于脑科学及生物医药产业。

 

 

关于BAYONE

一湾生命科技(BAYONE)成立于2020年,是一家基于AI技术、计算机视觉、神经科学,聚焦输出生命科学领域高端设备、平台和服务的公司。公司在脑科学与类脑研究领域持续深耕,自主开发了神经行为学智能分析系列产品,在国际上均处于领先水平,相关研究成果多次发表于顶级期刊,服务于众多高校、科研院所。此外,公司还为用户提供疾病模型动物造模、实验动物繁育、动物实验数据分析及药物筛选等服务。

 

目前公司已经获得2000万天使轮投资。与中国科学院深圳先进技术研究院成立了「AI智能行为分析系统及神经疾病药效评价联合实验室」,在实验动物精细行为分析、实验动物眼动追踪等系统上实现技术突破。

 

 

 

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