蜜蜂采蜜后為什么會(huì)跳舞?貓咪在被主人撫摸時(shí)為什么會(huì)發(fā)出咕嚕聲?狗狗也會(huì)流眼淚?怎樣才能知道，動(dòng)物的腦子里究竟在想些什么?一直以來(lái)，科學(xué)家們從未停止探索動(dòng)物行為的奧秘，以此研究大腦神經(jīng)對(duì)行為的調(diào)控，以及在藥物研發(fā)中的行為學(xué)評(píng)估。近年來(lái)，盡管光遺傳學(xué)、高通量神經(jīng)電極、活體顯微成像等新技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域獲得突破性變革，但在行為觀測(cè)手段上和收集方式上仍然相對(duì)簡(jiǎn)化。
5月13日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所王立平、蔚鵬飛團(tuán)隊(duì)的最新研究成果發(fā)表于《自然—通訊》。研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一種多視角、三維自動(dòng)化行為采集設(shè)備，并提出一類通用動(dòng)物三維行為圖譜框架“Behavior Atlas”。深圳先進(jìn)院王立平研究員、蔚鵬飛副研究員為該文章的共同通訊作者，在讀博士生黃康、在讀碩士生韓亞寧為該論文的共同第一作者，賓夕法尼亞州立大學(xué)的劉思源教授為論文的共同作者。
據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)兩年自主研發(fā)的行為采集設(shè)備，能夠獲取動(dòng)物三維立體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并根據(jù)動(dòng)物行為類似語(yǔ)言一樣的層次結(jié)構(gòu)，提出了一種層次化動(dòng)物行為分解模型，將連續(xù)、復(fù)雜的行為簡(jiǎn)化為可以被人們理解的動(dòng)作模塊。該研究已在自閉癥模型小鼠進(jìn)行了行為鑒定，成功實(shí)現(xiàn)在亞秒級(jí)自動(dòng)精確識(shí)別其特征性的行為異常。
AI加持 多視角三維展示動(dòng)物行為姿態(tài)
一直以來(lái)，王立平、蔚鵬飛團(tuán)隊(duì)致力于用光遺傳學(xué)技術(shù)探索大腦神經(jīng)環(huán)路對(duì)行為的調(diào)控。自2018年起，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始思考利用新的機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)解決當(dāng)前在動(dòng)物行為學(xué)采集與分析領(lǐng)域存在的瓶頸。
“研究前期，我們使用傳統(tǒng)方法對(duì)行為進(jìn)行觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有動(dòng)物行為實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)集缺乏，人工標(biāo)記原始的行為視頻需要極大的工作量，極耗費(fèi)時(shí)間和精力。即使對(duì)于某一物種在特定場(chǎng)景下構(gòu)建了足夠的數(shù)據(jù)集，但因不同物種和行為場(chǎng)景存在差異性，也讓積累的數(shù)據(jù)集無(wú)法復(fù)用。”蔚鵬飛表示。
對(duì)此，結(jié)合人工智能技術(shù)，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了多視角、三維自動(dòng)化行為采集設(shè)備，能夠構(gòu)建動(dòng)物三維、多身體部位的運(yùn)動(dòng)骨架，更加全面的表征動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)。
此前，課題組博士生劉楠和韓亞寧使用該系統(tǒng)已成功在動(dòng)物的焦慮行為分析中取得了初步進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于《生物化學(xué)和生物物理研究通訊》。據(jù)了解，目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)收到了國(guó)內(nèi)外20多家科研機(jī)構(gòu)的合作和采購(gòu)意向。該技術(shù)涉及的兩項(xiàng)專利已經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)化，設(shè)備已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。
歷時(shí)兩年 構(gòu)建行為“字典”
研究過(guò)程中，探索行為的本質(zhì)規(guī)律，對(duì)行為進(jìn)行解碼，構(gòu)建行為“字典”成為了團(tuán)隊(duì)研究的重點(diǎn)。
團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物在展現(xiàn)行為時(shí)，首先通過(guò)肢體表現(xiàn)出豐富的姿態(tài)，而姿態(tài)的連續(xù)變化形成了一個(gè)個(gè)行走、跳躍、攀爬、抓撓等動(dòng)作，進(jìn)一步表達(dá)出動(dòng)物的天性、習(xí)性、喜怒哀樂(lè)等行為。這種“姿態(tài)-動(dòng)作-行為譜”的行為模型就好比語(yǔ)言中的“字母-單詞-語(yǔ)句”模式，具有層級(jí)性。因此，行為數(shù)據(jù)也需要層級(jí)化收集。
想要精確地收集行為數(shù)據(jù)，就要回歸行為本身，構(gòu)建行為的“字典”。結(jié)合人工智能算法技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)從連續(xù)的三維行為序列中，首先對(duì)行為的姿態(tài)層進(jìn)行離散化的表征，讓機(jī)器識(shí)別出行為的每一個(gè)姿態(tài)，相當(dāng)于構(gòu)建行為的“字母表”;其次從這些姿態(tài)表征中，將具有相似排列模式的姿態(tài)序列挖掘出來(lái)，作為行為的動(dòng)作層，相當(dāng)于構(gòu)建行為的“字典”。
“就像觀測(cè)一只正在抓撓的小鼠，我們需要解構(gòu)小鼠究竟撓了多少下，抓撓的時(shí)長(zhǎng)，所在的場(chǎng)景等多方面，收集行為數(shù)據(jù)。”蔚鵬飛表示，根據(jù)行為的層級(jí)化表現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了一類層次化動(dòng)物行為圖譜。據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)在自閉癥小鼠模型上進(jìn)行的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，成功從分離出的40多種行為亞型中發(fā)現(xiàn)了自閉癥小鼠模型具有的特異性行為。所構(gòu)建的行為圖譜在對(duì)行為數(shù)據(jù)分析后，行為結(jié)果與動(dòng)物的基因型存在高度的一致性。此外，利用提取出的新的焦慮行為特征，團(tuán)隊(duì)也成功分離出傳統(tǒng)的焦慮測(cè)量范式所不能有效分離的焦慮與正常動(dòng)物。
目前該行為圖譜仍在不斷更新和完善中，針對(duì)不同物種進(jìn)行研發(fā)。據(jù)了解，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在非人靈長(zhǎng)類、犬類開(kāi)展了研究，未來(lái)還將應(yīng)用在豬等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上。
讓行為數(shù)據(jù)解答好生物學(xué)問(wèn)題
行為學(xué)上的觀測(cè)和量化對(duì)藥物研發(fā)、疾病診斷有著重要意義。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，旨在實(shí)現(xiàn)高精度、自動(dòng)量化行為的“計(jì)算神經(jīng)行為學(xué)”正在成為重要的新興研究領(lǐng)域，我國(guó)在該領(lǐng)域鮮有涉足，在國(guó)際上仍然處于“跟跑”狀態(tài)。該研究在計(jì)算神經(jīng)行為學(xué)領(lǐng)域，為探索大腦對(duì)行為調(diào)控等神經(jīng)活動(dòng)提供了一種有效手段，進(jìn)一步助力疾病診斷及藥物療效方面的評(píng)估。
中國(guó)科學(xué)院院士、浙江大學(xué)教授段樹(shù)民表示，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的三維動(dòng)物高精度行為分析系統(tǒng)，部分填補(bǔ)了現(xiàn)有行為學(xué)分析的短板。該系統(tǒng)將在很大程度上拓寬動(dòng)物行為研究的范式，提高行為分析的準(zhǔn)確性和效率，其應(yīng)用有望對(duì)研究精神疾病和情緒障礙的發(fā)作機(jī)制，以及各種治療手段的臨床前研發(fā)測(cè)試提供重要手段。
據(jù)悉，下一步研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將Behavior Atlas與微型化在體雙光子熒光顯微成像技術(shù)、高通量神經(jīng)電生理等技術(shù)相結(jié)合，在活體、長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)情況下，研究神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)，以及各種腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)如何精細(xì)的編碼特定的行為。
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