Neue Software erleichtert Tierbewegungsforschung

Neues aus der Forschung

Meldung vom 21.08.2018

DeepLabCut analysiert mit Künstlicher Intelligenz Bewegungsabläufe von Tieren


180828-1531_medium.jpg
Mathis et al.
DeepLabCut: markerless pose estimation of user-defined body parts with deep learning
Nature Neuroscience, August 20th
DOI: 10.1038/s41593-018-0209-y

 
Die Software DeepLabCut analysiert Bewegungsabläufe von Tieren besonders effizient.

Eine neue Software soll künftig Tiervideos besonders schnell und präzise auswerten: Das Programm DeepLabCut wurde von einem Forschungsteam der Universitäten Tübingen und Harvard entwickelt. Die Software basiert auf maschinellem Lernen und kann nach kurzem Training Bewegungsabläufe von Tieren in Videos analysieren. Es ist auf viele Versuchsanordnungen übertragbar, kann ohne Programmierkenntnisse bedient werden und ist frei im Internet verfügbar: http://mousemotorlab.org/deeplabcut. Die Ergebnisse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu DeepLabCut wurden nun in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht.

„Bisher war es sehr aufwändig, Bewegungen von Körperteilen in Videos zu analysieren“, erklärt Dr. Alexander Mathis, Neurowissenschaftler am Bernstein Center for Computational Neuroscience an der Universität Tübingen sowie der Harvard University „DeepLabCut lernt anhand einiger Beispielbilder, die exakte Position von Körperteilen in allen Bildern eines Videos zu bestimmen.“ Gemeinsam mit Dr. Mackenzie Mathis vom Rowland Insitute at Harvard, sowie Dr. Matthias Bethge, Professor für Computational Neuroscience and Machine Learning an der Universität Tübingen, hat er das Projekt geleitet.


 
DeepLabCut erkennt Schwanz, Ohren und Schnauze der Maus, die eine Geruchsspur verfolgt.

Es begann mit einem doppelten Dilemma: Mackenzie Mathis wollte erforschen, wie genau das Zusammenspiel von Händen und Gehirn bei Mäusen funktioniert und hatte dafür Mäuse bei Greifbewegungen auf Video aufgezeichnet. Alexander Mathis hatte unter Laborbedingungen eine Maus gefilmt, die auf einem Laufband laufend einer Riechspur verfolgt. Er wollte herausfinden, wie Mäuse die einzelnen Geruchsfetzen, die sich bei jedem Einatmen ergeben, zu einem Ganzen zusammenfügen. Für beide Vorhaben mussten die Forscher die Bewegungsabläufe genauestens dokumentieren, doch herkömmliche neurowissenschaftliche Methoden lieferten keine befriedigenden Ergebnisse. Alternativ hätten sie Reflektoren auf den Versuchstieren platzieren werden können, um die Körperteilerkennung zu vereinfachen, wie es in Biomechanikstudien üblich ist. „Das kam jedoch nicht in Frage, denn solche Marker beeinträchtigen auch das Verhalten des Tieres“, erinnert sich Alexander Mathis. Sie machten sich daher auf die Suche nach einer Alternative.

Forscherkollege Matthias Bethge schlug den Mathises vor, ein bestehendes Netzwerk umzutrainieren – im Fachjargon transfer learning genannt. Denn fernab der Neurowissenschaften waren im Forschungsfeld des Maschinellen Sehens beeindruckende Methoden zur reflektorfreien Erkennung von Gliedmaßen von Menschen entwickelt worden. Diese, so glaubte Bethge, könnten als Basis für die Tierbewegungsforschung dienen. Die Mathises wählten als Grundlage den Algorithmus DeeperCut, der menschliche Körperhaltungen analysieren kann. In der Vorbereitung lernt DeeperCut anhand hunderttausender Bilder von Katzen, Hunden, Früchten etc. zunächst viele verschiedene sogenannte visuelle Repräsentationen. Die Forscher vermuteten, dass das Netzwerk wegen dieses großen Vorwissens mit nur wenigen Beispielen zur Körperteilerkennung von Tieren umtrainiert werden kann. Ähnlich funktioniert auch das visuelle Lernen von Kindern, die neue Seherlebnisse anhand ihrer Erfahrung aus vorherigen Beobachtungen einordnen können: Ein unbekanntes faustgroßes, ballförmiges Objekt kann als Frucht eingeordnet werden ohne es gleich als Apfel identifizieren zu müssen.



Entsprechend trainierten die Forscher ihre eigenen Netzwerke auf Bildern aus Tiervideos von Mäusen und Fruchtfliegen, indem sie bei einigen Aufnahmen die zu beobachtenden Körperteile manuell markierten. Mithilfe dieses Trainings sollte der Computer auf allen übrigen Bildern der Videos die entsprechenden Körperteile erkennen und automatisch markieren können. Der Versuch war überaus erfolgreich: Nicht nur gelang der Lerntransfer vom einen auf das andere Netzwerk, auch der geringe Trainingsaufwand ließ die Forscher staunen. Der neue Algorithmus DeepLabCut konnte bereits ab einem Trainingsdatensatz von 200 Bildern die Körperteile der jeweiligen Tiere in Bewegung erkennen und sie so präzise wie ein Mensch zuordnen.

DeepLabCut kann mit etwas Training fast jedes Tierverhalten auswerten. Das Programm entspricht einem Baukasten und ist sehr benutzerfreundlich konzipiert; Programmierkenntnisse sind hilfreich, aber nicht erforderlich. „Die Software ist frei verfügbar“, betont Mackenzie Mathis „Wir wollen, dass möglichst viele Wissenschaftler und ihre Forschung davon profitieren.“ Mehr als fünfzig Labore nutzen das Programm schon, um beispielsweise die Gangart von Pferden zu vermessen, das Kriechverhalten von Blutegeln zu erforschen oder um Bewegungen von Operationsrobotern aufzuzeichnen.



Ohne die Arbeiten zum Algorithmus DeeperCut wäre den Forschern die Entwicklung von DeepLabCut so schnell nicht möglich gewesen. Als Würdigung der Arbeit der Forscherkollegen ist daher der Name von DeepLabCut an DeeperCut eng angelehnt. „Für den wissenschaftlichen Fortschritt ist das Teilen von Ergebnissen, Daten und auch Algorithmen essentiell wichtig“, betont Bethge. „Daher haben wir DeepLabCut als Open Source Software entwickelt und freuen uns sehr über das positive Feedback unserer Forscherkollegen in den Neurowissenschaften.“


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 19.01.2019 14:41

Sehen was du fühlst

Gefühle, Motivation und Handlungen entstehen in unserem Gehirn. Eine zentrale Rolle dabei spielt die Kommunik ...

Meldung vom 19.01.2019 14:29

Wenn für Fischlarven die Nacht zum Tag wird

Biologinnen der Universität Siegen haben herausgefunden, dass Zebrafischlarven Infrarotlicht wahrnehmen könn ...

Meldung vom 19.01.2019 14:22

Süßwasserfische der Mittelmeerregion in der Klimakrise

Viele Süßwasserfische Europas sind durch den Klimawandel zukünftig stark bedroht. Dies gilt insbesondere f ...

Meldung vom 19.01.2019 14:12

Auch künstlich erzeugte Zellen können miteinander kommunizieren: Modelle des Lebens

Friedrich Simmel und Aurore Dupin, Forschende an der Technischen Universität München (TUM), ist es erstmals ...

Meldung vom 19.01.2019 14:05

Insekten lernten das Fliegen erst an Land

Analyse genetischer Daten weist auf Bodenoberfläche als Lebensraum ursprünglicher Fluginsekten hin.

Meldung vom 17.01.2019 13:47

Mieser Fraß: Wie Mesozooplankton auf Blaualgenblüten reagiert

Warnemünder MeeresforscherInnen ist es mithilfe der Analyse von stabilen Stickstoff-Isotopen in Aminosäuren ...

Meldung vom 17.01.2019 13:41

Einblicke in das Wachstum einer tropischen Koralle

Kalkbildung in Korallen: Ein doppelter Blick und dreifache Messungen erlauben neue Einblicke in das Wachstum e ...

Meldung vom 17.01.2019 13:31

Plötzlich gealtert

Coralline Rotalgen gibt es seit 130 Millionen Jahren, also seit der Kreidezeit, dem Zeitalter der Dinosaurier. ...

Meldung vom 17.01.2019 13:19

Mehr Platz für Vögel und Schmetterlinge in der Landwirtschaft

Um den schwindenden Bestand von Vögeln und Schmetterlingen im Schweizer Kulturland wieder zu erhöhen, müsse ...

Meldung vom 17.01.2019 13:14

Ernst Haeckel als Erzieher

Biologiedidaktiker der Uni Jena geben Reprint der Dodel-Schrift „Ernst Haeckel als Erzieher“ mit heraus.

Meldung vom 17.01.2019 13:10

Das Ohr aus dem 3-D-Drucker

Aus Holz gewonnene Nanocellulose verfügt über erstaunliche Materialeigenschaften. Empa-Forscher bestücken d ...

Meldung vom 17.01.2019 13:04

Menschliche Darmflora durch Nanopartikel in der Nahrung beeinflussbar

Neue Studie der Universitätsmedizin Mainz über die (patho)biologischen Auswirkungen von Nanopartikeln auf da ...

Meldung vom 10.01.2019 19:47

Erster direkter Nachweis eines Wal jagt Wal - Szenarios in früheren Ozeanen

In einer im open-access Journal PLOS ONE publizierten Studie, liefern Manja Voss, Paläontologin am Museum fü ...

Meldung vom 10.01.2019 19:33

Zahnwechsel sorgt bei Elefanten für Jojo-Effekt

Das Gewicht von Zoo-Elefanten schwankt im Laufe ihres erwachsenen Lebens in einem Zyklus von etwa hundert Mona ...

Meldung vom 10.01.2019 19:24

Intensives Licht macht schläfrig

Insekten und Säugetiere besitzen spezielle Sensoren für unterschiedliche Lichtintensitäten. Diese nehmen ge ...

Meldung vom 10.01.2019 19:11

Alpenwanderung mit Folgen: Forscher verifizieren fast 70 Jahre alte genetische Hypothese

An einer Orchideen-Population in Südtirol belegen Forscher der Universitäten Hohenheim, Zürich und Wien die ...

Meldung vom 08.01.2019 17:54

Clevere Tiere upgraden ihr Genom

Puzzlestein in der Evolution der Tintenfische entschlüsselt - Kopffüßer wie Tintenfisch, Oktopus oder Nauti ...

Meldung vom 08.01.2019 17:45

Gekommen, um zu bleiben: Drachenwels aus Ostasien in der bayerischen Donau

Die bayerische Donau ist inzwischen Heimat für viele Fisch- und andere Tierarten, die ursprünglich nie dort ...

Meldung vom 08.01.2019 17:37

Entwicklung eines grösseren Gehirns

Ein Gen, das nur der Mensch besitzt und das in der Großhirnrinde aktiv ist, kann das Gehirn eines Frettchens ...

Meldung vom 07.01.2019 16:31

Bei Blaumeisen beeinflusst das Alter der Weibchen und die Legefolge die Qualität der Eier

Brütende Blaumeisen-Weibchen stimmen die Zusammensetzung ihrer Eier auf die Bedürfnisse der aus ihnen schlü ...

Meldung vom 07.01.2019 16:03

Phytolith- und Wassergehalt von Futterpflanzen beeinflussen Zahnschmelzabrieb von Wirbeltieren

Verschiedene Futterpflanzen reiben den Zahnschmelz von Wirbeltieren unterschiedlich stark ab, was unter andere ...



26.12.2018:
Baum der Schrecken
24.11.2018:
Wenn das Meer blüht
24.11.2018:
Durchsichtige Fliegen
15.11.2018:
Plastik im Fisch
03.10.2018:
Gestresste Pflanzen

13.08.2018:
Wie Vögel lernen
20.07.2018:
Magie im Reagenzglas

18.06.2018:
Primaten in Gefahr
28.05.2018:
Störche im Aufwind
07.05.2018:
Misteln atmen anders

27.03.2018:
Kenne Deinen Fisch!
01.09.2016:
Elefanten im Sinkflug
13.12.2015:
Leben ohne Altern
22.05.2014:
Lebensraum Käse
22.05.2014:
Domino im Urwald
04.04.2014:
Nationalpark Asinara
13.03.2014:
Trend-Hobby Imker
04.09.2013:
Harmloser Terrorvogel
07.02.2013:
Wie Bienen riechen

Newsletter

Neues aus der Forschung