Vision系统使第一自动化学习和测试室具有实时反馈
使用人类研究人员在研究实验期间观察测试主题行为可能是耗时和昂贵的。用于实时观察的可用人力是有限的，人类观察本质上是主观的。为了解决一些这些限制，簇生再生和发育生物学中心已经与无线技术合作，开发了用于分析小动物的行为的第一自动化学习和测试室。讨论会使用康经新觉洞察力®微视觉系统而不是人类研究员观察测试对象的行为。
TUFTS研究人员正在使用新的测试室来研究生物能力的分子机制，从而从环境中吸取教训。光刺激用于训练特定任务的蠕虫和蝌蚪，然后在各种分子遗传和药理学实验中测试动物召回。新的跟踪系统提供了关于受试者行为的定量数据和学习测定中的性能;这是一个唯一的系统 - 首先，允许不仅仅是跟踪动物运动，而且实际上给每个受试者并行，独立的反馈，以便他们学习特定的任务。诸如扁虫等简单的动物分享了许多与人类的相同的行为途径和神经递质，因此这些动物经常研究以更好地了解组织中的记忆储存和透射的性质。新房可以测试新的药物化合物，以了解它们是否对认知能力产生任何影响。
“现代认知科学正在努力了解分子遗传学与引起行为和思想的信息处理机制之间的联系，”塔夫茨生物学局主任Michael Levin教授说，迈克尔·莱文教授说。“这一目标的生物医学方面包括寻求援助学习和记忆的药物，并对对认知的各种影响的理解。”
在典型的实验中，蠕虫将被培训，以保持或避免特定的菜肴或以特定速率移动。成功执行该任务的蠕虫将由降低光线水平奖励（蠕虫本质上更喜欢黑暗）。
到目前为止，研究都是手工进行的。但是手动评估行为的方法对实验进展造成了很大的限制。由于人力和成本的限制，只能手工分析数量有限的动物。手动操作还可能会导致实验结果受到实验负责人判断和错误的影响。例如，对扁形虫的学习能力缺乏共识是由于手工训练所需的样本量小。手动方法也使得其他实验室很难或不可能复制结果，其他科学家也很难或不可能查看原始实验，并可能发现实验者可能错过的趋势。
TUFTS中心选择了无线技术来设计和构建自动学习和测试室，可以在没有人类研究员的情况下提供实时反馈。Wireless Techniques (now through its successor-in-interest Boston Engineering Corporation—a product and systems development services firm with its principal office located in Waltham, MA—which acquired substantially all of Wireless Techniques’ assets) designs and builds custom electronic devices and instrumentation for applications including wireless and wired communications, sensing, and signal processing. Cognex was chosen as the vision system supplier because its sophisticated image processing tools provided the ability to determine the position of the worms despite complicated shadowing effects created by the movement of the water in the test chamber.
房间如何运作
这个小室由12个网格状细胞组成，每个细胞都有一个一次性培养皿，蠕虫就生活在这个培养皿中。每个细胞内的环境由软件根据细胞内动物的行为单独控制。盖子包含一系列由计算机控制的发光二极管（LED），用于训练蠕虫。一组四个明亮的LED可以用来照亮盘子的一个象限，并且屏障可以防止光线扩散到相邻的象限。在实验过程中，蠕虫看不到的红色LED会一直亮起，这样视觉系统就可以跟踪蠕虫的运动，而不会对蠕虫的行为产生任何影响。培养皿中的电极允许实验者也向动物提供微弱的电信号。
每个实验由Levin的团队编写的算法控制。首先，蠕虫在其菜肴中的位置被视觉相机记录。然后采取动作，例如在盘子的一个象限中打开光，其目标是教导动物游到被照明的象限。然后蠕虫的位置再次被视觉相机记录。基于蠕虫的位置（和二阶数量，运动方向等），可能会采取另一个动作，例如通过关闭灯光来奖励蠕虫，因为它以正确的象限或打开一个明亮的灯光，因为它没有正确执行任务。这些系列测量和动作可以继续，直到程序达到预定义的条件（表明动物已经理解要学习的任务的绩效水平）。
由于该系统是自动化的，12个实验可以每周7天、每天24小时同时进行，无需人工干预。因此，可以获得更大的样本量，实验也可以运行更长的时间。可以执行数百万个观察和训练周期，这远远超出了通过手动方法实际完成的训练水平。该系统还提供了实验之间的完全一致性，允许实验室复制在其他地方进行的实验。更一致的学习环境有助于减少数据中的噪音。视觉系统记录蠕虫的运动，以便其他专家能够轻松地对其进行审查和分析，并通过互联网等进行共享。
克服视力挑战
“德国必威机器愿景是这种自动学习系统中最大的挑战之一，”无线技术前总裁Chris Granata说，现在的计划经理，无线和波士顿工程技术的无线和传感技术。“接触盘子的水域的水营造了一个上升和落下的半月板。这会产生随着时间的推移而变化的阴影，并且难以区分蠕虫。此应用程序需要具有强大视觉工具的视觉系统，该工具能够识别蠕虫的位置，并且完全自包含在紧凑的封装中，因此我们可以轻松增加细胞的数量。Codex In-Sight Micro 1400非常适用于本申请，因为其宽泛的工具集，并且整个系统包含在30mm x 30 mm×60 mm外壳中的事实中。“
为了可靠地区分蠕虫随机改变水阴影，每20秒捕获空象限的背景图像。通过跟踪蠕虫的位置和定期捕获未占用的象限中的阴影图像，系统可以从实时图像中移除阴影是执行图像减法。
直方图工具用于识别和分组最轻的彩色像素，以识别蠕虫的可能位置。几个卷积和形态过滤器用于增强图像。例如，形态扩张滤波用于连接彼此紧密接近的白色像素和平滑的白色岛的边缘。然后，BLOB检测工具从三个最大的浅色像素中挑出，并按尺寸顺序对它们进行排序。在几乎所有情况下，最大的物体是蠕虫，但是，跟踪多个对象以解决一个或多个阴影可能大于蠕虫的稀有可能性。
最终，科学家希望利用这项研究来发现记忆的分子基础并开发新的夜皮药。
“我们正在使用定量的自动化行为分析技术来询问如何以及在其他组织中对信息进行编码以及如何在再生脑中被印迹，”莱文。“可以对蠕虫进行遗传变化，然后可以在腔室中测量其学习性能，以便理解哪个基因会影响学习和记忆。该腔室还提供了一种非常强大的工具，用于研究记忆和行为的机制以及旨在治疗注意力缺陷多动障碍（ADHD），药物成瘾等的病症的新彩色化合物的药物筛选以及抵消效应神经毒素，提高认知性能。自动化培训和测试过程将使我们能够在24x7的基础上运行更多的实验而不是在人类的实验者提供时更快地取得更快的进展;此外，定量数据（不可能与人类观察员获得）将揭示进入学习和记忆过程的前所未有的见解。“
