BehaviorAtlas 3D精细行为学应用范式：旷场试验
旷场试验(Open field test)是由美国心理学家Calvin S. Hall开发的一项实验测试，用于检测动物（通常是啮齿动物）的运动活动水平、焦虑和探索意愿等。啮齿类动物天生厌恶开阔的场地，因为开阔的场地会使它们暴露在捕食者面前。但是，它们也想探索新的领域，这样的“矛盾”使得我们能够研究它们的焦虑水平，以及运动和探索能力。
旷场实验使用的装置，我们可以简单地理解为一个“空盒子”，可以根据实验设计的不同来对“空盒子”进行修饰，例如透明的、不透明的等等。
在实验中我们往往需要记录动物的各类数据，比如运动速度、距离以及在中间和边缘区域的时间和次数等等。记录的方式有很多，从早前的人为手工记录，到后来随着信息技术的发展，利用摄像头硬件和软件实现了自动化记录和评估，大大提高了实验效率和客观性。然而，实现了自动化，如何才能更加智能化呢？
三维精细行为分析系统，是国内首家无标记(Markerless)三维动物捕捉设备，无需在动物身上添加任何物理标记，就能精准的识别动物身体的多个（>16）部位，追踪三维骨骼序列。
01 实验装置
三维精细行为分析系统(BehaviorAtlas)包括了硬件设备和软件应用，硬件设备包括了旷场实验箱、设备箱体、图像采集相机、控制主机、主显示屏、定标显示器以及灯光控制器组成。软件应用有数据处理软件(BA-Analyzer)和数据分析软件(BA-Explorer)。
BehaviorAtlas系统可使用的实验箱体
- 形状类型：正方形、长方形、圆形。
- 底壁颜色：可以是白色、黑色、棕色、透明、非透明。
- 箱底底部：尽量保持实验箱底部颜色与实验动物的颜色不同（为了在深度学习网络训练时，能够更准确地识别动物）。
- 底壁材质：有机玻璃、丙烯酸、丙烯酸塑料、木质、金属等。
02
图像采集相机配置
- 默认使用帧率为30帧/秒的摄像头（可定制化高帧率相机），摄像头为4个。
- 支持红外摄像头，实现黑暗视野下记录。如果您有更高的要求，我们可为您进行定制化。
02 实验流程
相机标定(Calibration)：
关闭柜门和灯光后，打开软件，按定标软件提示的7个步骤完成0号相机的单独定标和0-1，0-2，0-3三对相机的两两定标。
数据采集(Data collection)：
相机标定完成后，放置好旷场箱体和实验动物，在软件中记录组名、样本标号、实验信息等，点击按钮开始录像，每次录像生成4个不同视角的视频。
三维重建(3D reconstruction)：
在处理软件中载入视频数据，软件采用深度学习技术自动追踪动物并进行三维重建，同时得到已分类的多种动作序列，例如站立、跳跃、小跑、梳理毛发等。
数据分析(Data Analysis)：
载入处理好的数据，可查看单样本、多样本、分组样本的视图，包括的图标有速度-轨迹热图、位置热图、各种参数对应的箱型图、动作序列图等等。
03 分析指标
三维精细行为分析系统(BehaviorAtlas)采集到的旷场试验数据如下图所示：
*上图仅为示意图，请以实际情况为准
01 总路程
动物在旷场中运动的总路程，处于中间和边缘区域的运动距离等；（中间和边缘区域的界定可根据您实验设计而定，并非固定）。
02 运动速度
动物身体点运动速度、总体运动速度，处于中间和边缘区域的运动速度、实验中前n分钟、后m分钟等运动速度等等。
03 运动强度
动物身体点运动强度、总体运动强度，处于中间和边缘区域的运动强度、实验中前n分钟、后m分钟等运动强度等等。
04 身体高度
动物身体高度在整个实验中的变化趋势。
05 身体长度
动物身体长度在整个实验中的变化趋势。
06 身体角度
动物身体角度在整个实验中的变化趋势。
07 静止时间
人为设定不动阈值进行计算动物静止的时间、次数等。
08 进出次数和时间
动物进出中间和边缘区域的次数，在中间和边缘区域的时间和比值等。
09 直立次数
人为设定直立时长的阈值为一次直立，进行计算直立次数。
10 跳跃次数
人为设定跳跃时长或高度的阈值为一次跳跃，进行计算跳跃次数。
11 动作占比
动物在实验中表现的各类动作总时长和比值等。
12 左右肢差异
分析左右肢运动差异，反应动物身体协调性。
13 行为序列
得到行为序列图谱，组间行为差异化分析。
04 影响因素
小鼠相关因素
实验前动物的饲养环境、动物性别、动物背景、是否伴随应激（饮水及食物剥夺）及昼夜节律等。
实验装置相关因素
旷场的形状、体积、实验持续时长、数据采集方式（摄像系统的类别）等。
05 注意事项
1.在采集数据时，应做好相机标定，否则影响三维重建效果。
2.在同一实验的不同阶段，如果移动了实验箱体，尽量将箱体保持同一位置。
3.实验箱底部的颜色尽量保持与实验动物的颜色不同，方便软件更好的识别动物。
4.旷场实验环境应隔音，光强度、温度和湿度适宜且保持一致。
5.动物在24h内有其活动周期，故每次实验应选择在同一时间段内完成。
6.两次实验之间清洗实验设备，以免上次动物余留气味、粪便影响下次实验结果。
7.同一批实验应由同一实验者操作，使用同样的方式抓取小鼠，动作轻柔。
8.实验动物提前运送到行为学实验室专用临时笼架，适应环境3小时右，减少动物紧张。
9.在行为学测试中通常采用多种实验方法综合分析评估动物的某一个行为变化，而旷场实验对小鼠各方面影响较小。为了减少实验之间的相互影响，可优先安排动物进行旷场实验。
参考资料
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Denenberg VH (July 1969). “Open-field bheavior in the rat: what does it mean?”. Annals of the New York Academy of Sciences. 159 (3): 852–9. doi:10.1111/j.1749-6632.1969.tb12983.x. PMID 5260302.