動物行為實驗工具（1）丨大小鼠3D姿勢追蹤

3D 姿勢追蹤與測量是核心技術環節，以自我中心參考系為基準，精準捕捉動物頭部、背部、頸部的空間姿態與位置信息，采用高精度3D運動捕捉系統，通過標記點的空間坐標實時采集實現毫秒級姿勢數據記錄，確保捕捉自由覓食過程中快速姿勢轉換（如抬頭、轉身、俯身覓食等）。可為后續關聯神經活動分析提供了高維度、高穩定性的行為數據支撐。

實驗步驟：

選擇大鼠用于開展自由覓食狀態下的行為與神經記錄實驗。2米邊長的八角形實驗箱（arena）為大鼠提供充足的自由活動空間，模擬自然覓食環境。

設置20分鐘/次的覓食，同時包含明、暗兩種光照條件以驗證姿勢編碼對視覺地標與視覺注意的獨立性。

3D姿勢追蹤與測量

追蹤目標：

同步追蹤大鼠的頭部、背部、頸部三個關鍵身體部位，其中背部設置3個標記點以精準捕捉軀干姿態。

測量指標（以自我中心參考系為基準）：

1. 頭部姿勢：通過歐拉角量化，包括俯仰角（pitch）、方位角（azimuth）、側滾角（roll）。

2. 背部姿勢：測量背部俯仰角（back pitch）、背部方位角（back azimuth），反映軀干的屈曲狀態。

3. 頸部狀態：記錄頸部高度（neck elevation），即頸部相對于實驗箱地面的垂直高度。

4. 輔助行為參數：同時監測跑步速度（running speed）、自身運動（self-motion）、頭部方向、運動方向、空間位置等allocentric信號，用于對照分析。

3D姿勢追蹤與測量的具體指標：

頭部的俯仰角（Pitch）是頭部相對于實驗箱地面的上下傾斜角度，以紅色箭頭標記，以水平向前為0°，抬頭為正、低頭為負，可反映頭部高低位置（如覓食時低頭、警覺時抬頭）；

頭部的方位角（Azimuth）是頭部相對于身體軸向量（從尾部到頸基部）的水平偏轉角度，以深粉色箭頭標記，能反映頭部左右轉向（如側視、朝向食物方向）；

頭部的側滾角（Roll）是頭部相對于實驗箱地面的側翻角度，以淺粉色箭頭標記，可反映頭部左右傾斜（如側身覓食時的頭部姿態）；

背部的俯仰角（Back Pitch）是背部標記點構成的直線相對于地面的上下彎曲角度，以藍色箭頭標記，能反映軀干屈曲狀態（如弓背、直背、俯身）；

背部的方位角（Back Azimuth）是背部標記點構成的直線相對于身體軸向量的水平偏轉角度，以藍色箭頭標記，可反映軀干扭轉狀態（如轉身時的軀干姿態）；

頸部的高度（Neck Elevation）是頸部關鍵點相對于實驗箱地面的垂直距離（單位：cm），以橙色箭頭標記，能反映頸部抬起高度（如直立時頸部抬高、覓食時頸部壓低）。

姿勢表征與解碼分析：

將6維姿勢數據（頭部3個軸、背部2個軸、頸部1個軸）降維至2維，構建“姿勢圖”（posture map），每個像素對應一種特定的身體構型，直觀呈現姿勢分布。

該方法有利于探究不同物種/腦區的姿勢編碼機制，解析神經環路與姿勢調控的因果關系，揭示運動相關疾病的神經機制；精細化量化自由行為姿勢，研究認知過程與姿勢的關聯，分析動物對環境的姿勢適應策略。

參考文獻

• Bartul Mimica et al. ,Efficient cortical coding of 3D posture in freely behaving rats.Science362,584-589(2018).DOI:10.1126/science.aau2013

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