Scalable high-density tactile arenas for measuring ground-contact forces in freely moving animals
本文介绍了一种可扩展、高分辨率的触觉传感平台，该平台能够实现对自由活动动物的地面接触力和重量再分配进行精确的、足部分辨率级的测量，为研究运动、感觉运动控制及神经功能恢复提供了相较于传统方法的显著优势。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
为了了解动物如何运动，科学家长期以来一直依赖于观察。摄像机可以追踪爪子落下的位置、在地面停留的时间以及步行的节奏。这些观察让我们了解姿态和时机，但却遗漏了故事中至关重要的一部分：力量。两只动物可能会采取完全相同的步伐，但其中一只可能承受着全部体重，而另一只可能只是用受伤的肢体轻轻触碰地面。对于研究疼痛、神经损伤或康复的研究人员来说，准确了解动物在每只脚上施加了多少重量是至关重要的。它揭示了身体如何补偿损伤、如何转移平衡以及如何愈合。直到现在，要在动物自由移动时测量大面积范围内的这些力量一直很困难，通常需要动物走过一个微小的固定传感器，或者为了速度而牺牲细节。
一组研究人员现在制造了一种新型地板，改变了我们观察动物行走的方式。他们创造了一个长窄的跑道，尺寸为 512 x 128 毫米，上面覆盖着由 16,384 个微型压力传感器组成的网格。想象一下这样一个表面，它如此灵敏，甚至能感觉到单只大鼠爪子的触碰，每个传感器点之间的分辨率仅为 2 毫米。该系统旨在以每秒 1,000 次的速率捕捉这些数据，其速度足以看到脚部落地和抬起的精确瞬间。这种高密度网格面临的挑战是，每秒读取每个传感器 1,000 次会使电子设备过载。为了解决这个问题，研究人员对系统进行了智能编程。系统不再每次都扫描整个地板，而是对空白区域进行缓慢、粗略的监测。一旦某个传感器检测到触碰，系统就会立即“放大”，将快速测量仅集中在该特定位置及其周围区域。这使得地板能够持续追踪动物的运动而不掉队，即使大鼠在表面上自由奔跑也是如此。
为了理解压力数据，研究人员将地板与上方俯视的摄像机进行了同步。摄像机追踪动物的身体和尾巴，而地板记录脚下的压力。随后，一个计算机程序将这两个视图结合起来，将压力点与特定的爪子相匹配。这让团队不仅能看到大鼠在哪里行走，还能看到在每一分之几秒内，它的四只爪子分别承担了多少重量。他们将这一新工具用于经过挤压后腿神经程序处理的大鼠，这是研究神经损伤和疼痛的常用模型。通过对比大鼠受伤前后的情况，研究人员可以实时观察动物的康复过程。
结果表明，新系统可以检测到传统方法所遗漏的变化。在受伤后的几天里，大鼠并没有停止使用受伤的那条腿行走，但它们不再在那条腿上施加全部重量。系统测量到受伤后腿所承载的负荷大幅下降，而另一侧健康的腿则承担了更多重量以进行补偿。这种转变发生得很快，并且在压力数据中清晰可见。研究人员还观察到受损大鼠的足迹形状发生了变化；接触面积变得更小且更被拉长，这表明动物正在以不同的方式放置脚部以避开疼痛。虽然步行的时机最终恢复了正常，但重量分布的方式在一段时间内仍保持改变，这表明即便在初始损伤之后，动物仍在调整其平衡。
这项工作证明了将简单的行走路径转变为高分辨率力量成像工具是可能的。研究人员将传感器的设计、软件和数据全部免费提供给其他科学家，以便世界各地的实验室都能建造类似的跑道。通过提供一种观察运动中无形力量的方式，这个平台为我们观察动物如何与其世界互动提供了一个新的窗口。它让科学家能够以以前不可能的细节水平来研究康复的力学机制，揭示了当出现问题时动物适应过程中的微妙之处。研究结果表明，观察动物如何承载重量，比仅仅观察它是如何移动的，能更深入地理解损伤与愈合。
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