Surveillance du métabolisme animal avec la technologie radar

Les animaux doivent utiliser leur énergie intelligemment pour survivre. Ils dépensent de l'énergie dans différentes activités comme bouger, réguler leur température corporelle, et se reproduire. Chaque créature vivante a des moyens de base pour produire de l'énergie. Le Métabolisme est le processus qui aide les animaux à transformer la nourriture et d'autres matériaux en énergie que le corps peut utiliser.

Pour rester en vie, les animaux doivent s'adapter aux changements de leur environnement. Cette flexibilité est cruciale pour le fonctionnement de leur métabolisme. Par exemple, chez les animaux à colonne vertébrale, les systèmes respiratoire (respiration) et cardiovasculaire (cœur) sont bien développés. Ces systèmes aident à s'ajuster rapidement aux différents besoins énergétiques. Quand les souris courent, elles ont besoin de plus d'oxygène, donc leur fréquence respiratoire augmente significativement. Pendant l'exercice, leur rythme cardiaque augmente aussi d'environ 10 à 20%. Si le besoin en oxygène diminue, comme quand les animaux hibernent, leurs systèmes respiratoire et cardiaque ralentissent. Par exemple, quand un écureuil à treize bandes est en sommeil profond, son corps peut n'utiliser que 2 à 3% de l'oxygène qu'il utilise quand il est éveillé.

Suivre l'Utilisation d'énergie d'un animal est important. Ça peut nous dire à quel point un animal est actif ou calme. Il y a différentes façons de surveiller l'utilisation d'énergie sans toucher physiquement l'animal. Une méthode courante est la Calorimétrie, qui mesure la chaleur produite par le corps. Il y a deux types : directe et indirecte. La calorimétrie directe mesure la chaleur directement, mais ça peut être très cher. La calorimétrie indirecte mesure combien d'oxygène est utilisé et combien de dioxyde de carbone est produit, ce qui indique combien d'énergie l'animal dépense.

Il y a aussi des méthodes plus récentes qui utilisent des enregistrements vidéo pour surveiller la respiration et les rythmes cardiaques sans avoir besoin de toucher les animaux. Cependant, ces méthodes ont encore des problèmes, comme l'exactitude de la détection du rythme cardiaque à partir de la vidéo. Les avancées récentes en technologie Radar ont montré des résultats prometteurs pour surveiller les signes vitaux sans contact. Le radar peut pénétrer les vêtements et la fourrure pour capturer les petits mouvements causés par la respiration et les battements de cœur.

#Mesurer le métabolisme avec la technologie radar

Pour étudier le métabolisme chez des petits animaux comme les souris, on a mis en place un système radar qui capte leurs mouvements et mesure leur utilisation d'énergie. Ce radar émet un signal qui change au fil du temps. Quand ce signal frappe un animal en mouvement, il rebondit, ce qui nous permet de mesurer des choses comme la distance et la vitesse à laquelle l'animal se déplace.

Dans notre configuration, on a placé des souris dans un environnement contrôlé où leur Consommation d'oxygène était surveillée toutes les six minutes. En même temps, le radar collectait des données sur les mouvements des souris. Le radar a généré beaucoup de données, assez pour analyser la respiration et l'activité cardiaque de la souris.

On a enregistré différentes températures, car la température affecte la quantité d'énergie qu'un animal utilise. Par exemple, à 20 °C, nos données montrent que l'utilisation d'oxygène était d'environ 2,877 ml/g/h. Cette valeur changeait à différentes températures, ce qui suggère que des conditions plus froides nécessitent plus d'énergie pour maintenir la température corporelle.

#Comment on traite les signaux radar

Le système radar capte les signaux très rapidement, ce qui nous permet d'analyser les données à haute fréquence. On utilise des segments de temps des données pour créer des représentations visuelles appelées spectrogrammes. Ces spectrogrammes sont similaires à des images qui montrent la fréquence au fil du temps, et on peut les utiliser pour trouver des motifs liés à l'utilisation d'énergie.

Pour analyser ces spectrogrammes, on a utilisé un modèle informatique basé sur l'apprentissage profond. Ce modèle peut apprendre à partir des données et aider à prédire l'utilisation d'énergie en fonction des signaux radar. En gros, on a alimenté le modèle avec des données de trois segments de temps pour l'aider à reconnaître des motifs.

Au final, on a découvert que notre modèle était efficace pour prédire l'utilisation d'énergie en fonction des signaux radar, même lorsque les souris se déplaçaient librement. Il a montré de bonnes performances dans différentes conditions de température.

#Comprendre comment le modèle fonctionne

Pour rendre nos résultats plus clairs, on a examiné quelles caractéristiques des signaux radar étaient les plus importantes pour prédire l'utilisation d'énergie. On a utilisé une méthode appelée Grad-CAM, qui aide à visualiser quelles parties des données radar ont le plus contribué aux prédictions. Ça nous a aidés à comprendre comment le système fonctionne et quelles données il utilise pour des prédictions précises.

En analysant les caractéristiques, on a pu voir que certains motifs étaient étroitement liés à l'utilisation d'énergie. Le modèle a pu détecter des informations liées à la consommation d'oxygène non seulement en fonction des données actuelles mais aussi en reconnaissant des tendances dans le temps.

#Prévoir l'utilisation d'énergie future

La capacité à prédire la consommation d'énergie future est une autre caractéristique importante de notre recherche. On a entraîné notre modèle pour voir s'il pouvait prédire l'utilisation d'oxygène quelques minutes dans le futur en fonction des données actuelles. Ça pourrait être particulièrement utile pour comprendre comment les animaux se préparent à des changements, comme l'entrée en hibernation.

D'après nos expériences, on a remarqué que le modèle pouvait prédire efficacement l'utilisation d'énergie jusqu'à 60 minutes à l'avance sans perdre en précision. Ça suggère que les signaux radar pourraient révéler des changements lents dans le métabolisme avant qu'ils ne se produisent.

#Applications pratiques et défis

La capacité de surveiller et de prédire l'utilisation d'énergie chez les animaux sans contact ouvre de nombreuses possibilités. Les chercheurs pourraient utiliser ces informations pour étudier comment divers facteurs influencent le métabolisme, comme la température et les niveaux d'activité.

Une piste possible pour des recherches futures est d'examiner comment les animaux entrent en hibernation. Comprendre quand les animaux commencent à se préparer à l'hibernation pourrait aider les chercheurs à recueillir plus de données sur les changements physiologiques qui se produisent pendant cette période.

Cependant, il y a encore des limites dans nos méthodes. Actuellement, les prédictions en temps réel utilisant le système radar nécessitent des données de fond provenant de sessions précédentes. Cela signifie que pour des applications en temps réel, on devrait d'abord recueillir plusieurs jours de données.

#Conclusion

Comprendre comment les animaux utilisent l'énergie est un domaine de recherche crucial. Les méthodes qu'on a développées en utilisant la technologie radar et l'apprentissage automatique offrent de nouvelles façons de surveiller et de prédire l'utilisation d'énergie chez les petits animaux sans contact direct. En affinant nos processus, on peut obtenir des insights plus profonds sur le métabolisme et comment les animaux s'adaptent à leur environnement. Ces connaissances pourraient avoir de larges applications en biologie et en conservation de la faune.