动物行为实验工具（1）丨大小鼠3D姿势追踪

3D 姿势追踪与测量是核心技术环节，以自我中心参考系为基准，精准捕捉动物头部、背部、颈部的空间姿态与位置信息，采用高精度3D运动捕捉系统，通过标记点的空间坐标实时采集实现毫秒级姿势数据记录，确保捕捉自由觅食过程中快速姿势转换（如抬头、转身、俯身觅食等）。可为后续关联神经活动分析提供了高维度、高稳定性的行为数据支撑。

实验步骤：

选择大鼠用于开展自由觅食状态下的行为与神经记录实验。2米边长的八角形实验箱（arena）为大鼠提供充足的自由活动空间，模拟自然觅食环境。

设置20分钟/次的觅食，同时包含明、暗两种光照条件以验证姿势编码对视觉地标与视觉注意的独立性。

3D姿势追踪与测量

追踪目标：

同步追踪大鼠的头部、背部、颈部三个关键身体部位，其中背部设置3个标记点以精准捕捉躯干姿态。

测量指标（以自我中心参考系为基准）：

1. 头部姿势：通过欧拉角量化，包括俯仰角（pitch）、方位角（azimuth）、侧滚角（roll）。

2. 背部姿势：测量背部俯仰角（back pitch）、背部方位角（back azimuth），反映躯干的屈曲状态。

3. 颈部状态：记录颈部高度（neck elevation），即颈部相对于实验箱地面的垂直高度。

4. 辅助行为参数：同时监测跑步速度（running speed）、自身运动（self-motion）、头部方向、运动方向、空间位置等allocentric信号，用于对照分析。

3D姿势追踪与测量的具体指标：

头部的俯仰角（Pitch）是头部相对于实验箱地面的上下倾斜角度，以红色箭头标记，以水平向前为0°，抬头为正、低头为负，可反映头部高低位置（如觅食时低头、警觉时抬头）；

头部的方位角（Azimuth）是头部相对于身体轴向量（从尾部到颈基部）的水平偏转角度，以深粉色箭头标记，能反映头部左右转向（如侧视、朝向食物方向）；

头部的侧滚角（Roll）是头部相对于实验箱地面的侧翻角度，以浅粉色箭头标记，可反映头部左右倾斜（如侧身觅食时的头部姿态）；

背部的俯仰角（Back Pitch）是背部标记点构成的直线相对于地面的上下弯曲角度，以蓝色箭头标记，能反映躯干屈曲状态（如弓背、直背、俯身）；

背部的方位角（Back Azimuth）是背部标记点构成的直线相对于身体轴向量的水平偏转角度，以蓝色箭头标记，可反映躯干扭转状态（如转身时的躯干姿态）；

颈部的高度（Neck Elevation）是颈部关键点相对于实验箱地面的垂直距离（单位：cm），以橙色箭头标记，能反映颈部抬起高度（如直立时颈部抬高、觅食时颈部压低）。

姿势表征与解码分析：

将6维姿势数据（头部3个轴、背部2个轴、颈部1个轴）降维至2维，构建“姿势图”（posture map），每个像素对应一种特定的身体构型，直观呈现姿势分布。

该方法有利于探究不同物种/脑区的姿势编码机制，解析神经环路与姿势调控的因果关系，揭示运动相关疾病的神经机制；精细化量化自由行为姿势，研究认知过程与姿势的关联，分析动物对环境的姿势适应策略。

参考文献

• 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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