GlowTrack: новый метод отслеживания движений в биологии, робототехнике и медицине

Движения позволяют понять, как мозг работает и управляет телом. От наблюдения с помощью клипсы и ручки до современных методов, основанных на искусственном интеллекте, отслеживание движений человека и животных прошло долгий путь.

Современные передовые методы используют искусственный интеллект для автоматического отслеживания движения частей тела. Однако обучение этих моделей по-прежнему требует много времени и ограничено необходимостью вручную отмечать каждую часть тела сотни и тысячи раз.

Теперь доцент Эйман Азим и его коллеги создали GlowTrack — неинвазивный метод отслеживания движений, в котором для обучения искусственного интеллекта используются маркеры на флуоресцентных красителях. GlowTrack отличается надежностью, экономией времени и высоким разрешением, позволяя отслеживать как одну цифру на лапе мыши, так и сотни ориентиров на руке человека.

Технология, опубликованная в журнале Nature Communications 26 сентября 2023 года, находит применение в биологии, робототехнике, медицине и других областях.

За последние несколько лет в области отслеживания поведения произошла революция, поскольку в лабораториях появились мощные инструменты искусственного интеллекта, — говорит Азим, старший автор работы и заведующий кафедрой развития Уильяма Скандлинга.

Наш подход делает эти инструменты более универсальными, улучшая способы фиксации различных движений в лаборатории. Более точная количественная оценка движений позволяет лучше понять, как мозг контролирует поведение, и может помочь в изучении таких двигательных расстройств, как боковой амиотрофический склероз (БАС) и болезнь Паркинсона.

Существующие методы фиксации движений животных часто требуют от исследователей вручную и многократно отмечать части тела на экране компьютера — трудоемкий процесс, подверженный человеческим ошибкам и нехватке времени. Аннотирование человеком означает, что эти методы обычно могут использоваться только в узкой тестовой среде, поскольку модели искусственного интеллекта специализируются на ограниченном количестве получаемых ими обучающих данных. Например, если изменится освещение, ориентация тела животного, угол наклона камеры или ряд других факторов, модель перестанет распознавать отслеживаемую часть тела.

Для устранения этих недостатков исследователи использовали флуоресцентный краситель для маркировки частей тела животного или человека. С помощью этих «невидимых» флуоресцентных маркеров можно быстро создать огромное количество визуально разнообразных данных и ввести их в модели искусственного интеллекта без необходимости аннотирования человеком. Получив такие надежные данные, модели можно использовать для отслеживания перемещений в гораздо более разнообразных средах и с разрешением, которое было бы гораздо сложнее достичь при ручной маркировке человеком.

Это открывает возможности для сравнения данных о движениях между исследованиями, поскольку разные лаборатории могут использовать одни и те же модели для отслеживания движений тела в различных ситуациях. По словам Азима, сравнение и воспроизводимость экспериментов очень важны в процессе научных открытий.

Флуоресцентные маркеры оказались идеальным решением, — говорит первый автор работы Дэниел Батлер, аналитик Salk по биоинформатике.

Подобно невидимым чернилам на долларовой купюре, которые загораются только тогда, когда вы этого хотите, наши флуоресцентные маркеры можно включать и выключать в мгновение ока, что позволило нам сгенерировать огромное количество обучающих данных.

В будущем команда намерена поддержать различные варианты применения GlowTrack и объединить его возможности с другими инструментами слежения, восстанавливающими движения в трех измерениях, а также с аналитическими подходами, позволяющими исследовать эти огромные массивы данных о движениях в поисках закономерностей.

Наш подход может принести пользу во многих областях, нуждающихся в более чувствительных, надежных и комплексных инструментах для захвата и количественной оценки движений, — говорит Азим.

Мне не терпится увидеть, как другие ученые и не ученые примут эти методы, и какие уникальные, непредвиденные приложения могут появиться.

26.09.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание

При выборе материала для инфраструктурных...

В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ

Образовательное пространство Технологическое м...

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Учёные МИСИС и ИФХЭ РАН разработали быстрый и дешёвый метод получения вольфрама
Учёные МИСИС и ИФХЭ РАН разработали быстрый и дешёвый метод получения вольфрама
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов
На российском рынке труда — дефицит инженеров и конструкторов на производстве
На российском рынке труда — дефицит инженеров и конструкторов на производстве
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
ANZJ of Public Health: Пары сварки подвергают сварщиков риску развития рака
ANZJ of Public Health: Пары сварки подвергают сварщиков риску развития рака
Казанские ученые выяснили, что русский язык позитивнее английского
Казанские ученые выяснили, что русский язык позитивнее английского
AIChE Journal: Инженеры исследуют расширение интеллекта для большей безопасности
AIChE Journal: Инженеры исследуют расширение интеллекта для большей безопасности
Tobacco Control: Пора бить тревогу из-за вейпов со встроенными играми
Tobacco Control: Пора бить тревогу из-за вейпов со встроенными играми

Новости компаний, релизы

U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред
Новая "Кантиана" поможет студентам быстрее адаптироваться к калининградскому климату
Российские ученые предложили тушить пожары с помощью газогидратного огнетушителя
Биохимики СПбГУ выяснили, что гипоксия плода в сочетании со стрессом матери может приводить к никотиновой зависимости
В России начинает работу фонд для нуждающихся в сложном высокотехнологичном лечении