脑声问答（7）期丨什么是动物惯性行为记录实验？

小鼠的行为测试通常在临床试验之前进行。然而，研究人员观察和分析他们的行为和反应通常非常耗时。一种基于惯性测量单元的传感器，用于捕获实验性鼠的运动。惯性传感器（inertial measurement unit，IMU）越来越多地用于啮齿动物研究，特别是用于估计相对于重力的头部方向或头部倾斜。惯性头部倾斜测量在单侧前庭病变临床前大鼠模型中应用较多，头戴式惯性传感器对于一般定量啮齿动物行为分析，特别是对于前庭姿势功能的研究来说是一种有效的工具。

IMU由独立印刷电路板(PCB)上的三个模块组成：主板模块、电源管理模块和同步/选项模块。该主板包含一个数字轴惯性传感器，可在三个维度上采样线性加速度、角速度和磁场强度，一个运行自定义固件的低功耗可编程微控制器和一个蓝牙无线电，其信号通过芯片天线传输。微控制器被编程为处理传感器和无线电的初始化和管理，并解码从客户端软件接收到的参数化和操作命令。传感器数据采集和蓝牙数据发射由微控制器利用中断机制调度，以保证系统的实时性。微控制器固件还实现了简单的数据处理功能。

Fig1 无线惯性测量系统概述

(A)惯性测量单元（IMU）及其主要部件。(B)左：佩戴IMU的成年大鼠的照片。右图：草图显示了传感器测量到的相对于动物头部的线加速度（a x、a y、a z）和角速度（ω x、ω y、ω z）的方向。

Fig2 捕获计算自由移动大鼠中基于IMU的头部倾斜估计的准确性

应用

自然运动期间的头部运动学：IMU提供了一种测量大鼠正常活动期间头部运动运动学的方法。俯仰轴(ωy)中的快速头部旋转(50°/s)比横滚轴和偏航轴（分别为 ωx和ωz；）更频繁。自然头部运动的光谱功率集中在20Hz的频率处，在4、8和15-20Hz附近有明显的峰值。在主动探索期间，头部角速度达到高达500°/s 的值（特别是在剧烈的定向运动期间），并显示10Hz振荡周期，可能反映有节奏的口面部活动，例如嗅探。在身体修饰期间，4Hz附近的大振荡也很明显。加速度计和陀螺仪数据提供了大量信息，其中包含不同类型正在进行的运动活动的清晰特征。

测量自由移动的大鼠的头部姿势：由于加速度计对重力敏感，IMU可用于监测头部姿势。例如，由于周围前庭病变，头部相对于重力的方向（头部倾斜）可能会发生变化。在包括大鼠在内的各种动物模型中，头部倾斜是评估单侧前庭病变(UVL)引起的姿势缺陷严重程度和研究正常姿势恢复的可塑性机制的关键参数。传统上，UVL 后头部倾斜的变化是通过轻度束缚动物的照片或以离散尺度记录的直接观察来量化的，该程序可能会产生不精确的测量结果，并且可能无法检测小倾斜角度。IMU可以通过精确测量不受约束的动物的头部倾斜来促进此类实验。由于大鼠的自然头部运动通常很短暂，因此线性加速度的低频分量应该提供传感器坐标中重力加速度的可靠近似值。

活动类别和阈值

Resting：在活动被手动标记为休息的阶段，鼠在类似睡眠的状态下表现出特别缺乏运动，这与所有其他活动明显不同。观察到平均速度为 0.45 px/s，标准偏差为 0.04 px/s。

Locomotion：特征是行走或混合行走、挖掘、梳理、伸展和旋转的行为。它的范围可以从缓慢行走到跳跃。运动活动期间的时间范围显示平均速度为 115.22 px/s，标准差为 43.0 px/s。

Stationary Activity：包含所有在现场进行的活动，例如梳理、挖掘、旋转和伸展。 在进行上述活动但没有步行的时间范围内，观察到平均速度为20.73 px/s，标准差为17.0 px/s。

文献引用

1.Pasquet MO, Tihy M, Gourgeon A, Pompili MN, Godsil BP, Léna C, Dugué GP. Wireless inertial measurement of head kinematics in freely-moving rats. Sci Rep. 2016 Oct 21;6:35689.

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