Method Article

使用多功能自制摄像机和 DeepLabCut 跟踪操作调节室中的大鼠

DOI:

10.3791/61409

⸱

June 15th, 2020

 ,  ,  ,  , 
1Basal Ganglia Pathophysiology Unit, Dept. Experimental Medical Science, Lund University

In This Article

Summary

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该协议描述了如何构建小型多功能摄像机，以及如何使用从中获得的视频来训练神经网络来跟踪动物在操作调节室中的位置。这是对从操作调理测试中获得的数据日志的标准分析的宝贵补充。

Abstract

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操作调理室用于在神经科学领域进行广泛的行为测试。记录的数据通常基于腔室内存在的杠杆和鼻戳传感器的触发。虽然这提供了动物执行某些响应的时和方式的详细视图，但它不能用于评估不触发任何传感器的行为。因此，评估动物如何定位自己和在室内移动是很难的。为了获得这些信息，研究人员通常必须录制和分析视频。操作调节室的制造商通常可以为客户提供高质量的摄像机设置。但是，这些可能非常昂贵，不一定适合来自其他制造商或其他行为测试设置的腔室。当前协议描述了如何使用爱好电子元件构建廉价且多功能的摄像机。它进一步描述了如何使用图像分析软件包 DeepLabCut 跟踪强光信号的状态，以及大鼠的位置，在从操作调节室收集的视频中。前者在涵盖整个测试会话的视频中选择感兴趣的短段时有很大的帮助，后者能够分析无法从操作室生成的数据日志中获得的参数。

Introduction

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在行为神经科学领域，研究人员通常使用操作调节室来评估啮齿动物中各种不同的认知和精神特征。虽然有一些不同的制造商的这种系统，他们通常共享某些属性，并具有几乎标准化的设计1,1，2，3。,3房间一般为方形或长方形，其中一面墙可以打开，将动物放在里面，其余一面或两面墙内有一个或两个墙，里面装着诸如杠杆、鼻戳开口、奖励托盘、响应轮和各种1、2、32灯等部件。1腔室中的灯和传感器用于控制测试规程和,跟踪动物的行为1，2，3，4，5。2,34,51典型的操作调节系统允许非常详细的分析动物如何与不同操作和开口在房间中相互作用。通常，任何触发传感器的场合都可以由系统记录，用户可以在此数据中获取详细的日志文件，描述动物在测试

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Protocol

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所有包括动物处理的程序都已经获得马尔默-隆德动物研究伦理委员会的批准。

1. 构建摄像机

注:材料表中提供了构建摄像机所需的组件列表。也请参阅图1，图 2，图 3，图 4，图 5。

  1. 将磁性金属环（与鱼眼镜头包一起）连接到摄像机支架的开口周围（图 2A）。这将允许鱼眼镜头被放置在相机前面。
  2. 将相机模块连接到摄像机支架（图2B）。这将给摄像机模块带来一些稳定性，并给电子电路提供一些保护。
  3. 通过轻轻拉动其塑料夹的边缘（图2C），打开相机模块和微型计算机上的摄像机端口（图1）。
  4. 将带状电缆放在摄像机端口中，使银色连接器朝向电路板（图2C）。通过推入摄像机....

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Results

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摄像机性能

代表性的结果是在28.5厘米×25.5厘米、高度为28.5厘米的老鼠的可操作调理室中收集的。连接鱼眼镜头后，当摄像机放置在房间上方时，摄像机可捕捉整个地板面积和周围墙壁的很大部分（图 7A）。因此，即使摄像机位于摄像机顶部的中心位置，也可以获得良好的视图。这对于类似的操作室应该如此。红外 LED 能够照亮整个腔室（图7B，C），即使在室内所有其他灯都关闭时，也可实现良好的视图（图 7C）。然而，在这种情况下，照明并不完全均匀，并可能导致一些难以获得准确的跟踪。如果有兴趣进行此类分析，则可能需要其他红外照明源。值得注意的是，一些商会使用金属滴锅收集尿液和粪便。如果摄像机直接放置在此类表面上方，则在录制的视频中将可以看到红外 LED 光源的强烈反射（图 7B）。但是，通过.......

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Discussion

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该协议描述了如何构建一个廉价而灵活的摄像机，可用于录制来自操作调节室和其他行为测试设置的视频。它进一步演示了如何使用 DeepLabCut 跟踪这些视频中的强光信号，以及如何用于帮助识别涵盖完整测试会话的视频文件中感兴趣的简短视频片段。最后，介绍了如何使用对老鼠头部的跟踪来补充操作调节测试期间行为分析。

该协议为可售的可操作调理室视频录制解决方案提供了替代方案。如前所述，它们的主要好处是它们与操作室集成，从而能够录制特定事件的视频。与使用完全集成的系统记录特定事件相比，识别本协议中描述的感兴趣的视频段的方法更加费时和耗时。然而，它相当便宜（最近对6个操作室的视频监测设备的费用估计约为13，000美元。相比之下，建造此处列出的六台摄像机的成本约为 720 美元）。此外，摄像机还可用于多个其他行为测试设置。使用相机时，必须注意外露电子元件（摄像机组件的背面以及红外 LED 组件）的区域，以便它们不会与液体接触。此外，如果摄像机经常移动，将摄像机模块连接到微型计算机的带状电缆以及将 LED 和开关连接到 GPIO 引脚的电缆可能会松动。因此，调整摄像机外壳的设计可能有利于某些应用。

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Disclosures

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虽然本手稿中已使用和引用树莓派基金会的材料和资源，但该基金会没有积极参与本手稿中设备和数据的准备或使用。Pi-Supply 也是如此。作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

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这项工作得到了瑞典大脑基金会、瑞典帕金森基金会和瑞典政府临床研究基金（M.A.C.）以及温纳-格伦基金会（M.A.C，E.K.H.C）、奥伦基金会（M.A.C）和布兰塞弗洛·邦康帕尼·卢多维西基金会、Née Bildt基金会（S.F.）的资助。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
预装了新 Our Of Box 软件 （NOOBS） 的 32 Gb micro SD 卡The Pi hut （https://thpihut.com）32GB
330 欧姆电阻器The Pi hut （https://thpihut.com 100287本文适用于带有混合电阻器的封装，其中包括 330 欧姆电阻器。
摄像头模块 （Raspberry Pi NoIR 摄像头 v.2）Pi 小屋 （https://thpihut.com）100004
摄像头带状电缆（Raspberry Pi Zero 摄像头电缆短线）Pi 小屋 （https://thpihut.com）MMP-1294仅当使用 Raspberry Pi zero 时才需要此功能。如果使用另一个 Raspberry Pi 板，则合适的相机带状电缆会随
彩色 LEDPi 小屋 （https://thpihut.com ADA4203本文适用于具有混合颜色 LED 的封装。可以使用任何颜色。
母对母跳线The Pi hut （https://thpihut.com）ADA266
红外 LED 模块 （Bright Pi）Pi Supply （https://uk.pi-supply.com）PIS-0027
微电脑主板（带预焊接接头的 Raspberry Pi Zero 板）The Pi hut （https://thpihut.com 102373也可以使用其他 Raspberry Pi 板，尽管自动启动 Python 脚本的方法仅适用于 Raspberry Pi zero。如果使用其他模型，则需要手动启动 python 脚本。
按钮开关The Pi hut （https://thpihut.com）ADA367
Raspberry Pi 电源线The Pi hut （https://thpihut.com）102032
Raspberry Pi Zero caseThe Pi hut （https://thpihut.com）102118
Raspberry Pi， Mod my pi， 带磁性鱼眼镜头和磁性金属环附件的相机支架The Pi 小屋 （https://thpihut.com）MMP-0310-套件
附摄像头组件

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pritchett, K., Mulder, G. B. Operant conditioning. Contemporary Topics in Laboratory Animal Science. 43 (4), (2004).
  2. Clemensson, E. K. H., Novati, A., Clemensson, L. E., Riess, O., Nguyen, H. P. The BACHD rat model of Huntington dise....

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