7月底，記者在中科院遺傳發(fā)育所昌平實驗基地拍攝的一只比格犬。這只幼犬從一開始接觸時的驚慌失措猛烈搖尾巴逐漸安靜下來，偶爾與觀察者目光對視。 馮麗妃攝
俗話說，眼睛是心靈的窗戶。對于狗狗來說，尾巴是情感的窗戶。
“高興時，它們的尾巴會搖得歡快；生氣時，它們的尾巴會豎著翹起來；害怕時，它們會夾著尾巴逃跑。”多年的研究，讓中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員張永清對家犬的了解細(xì)致入微。
(資料圖片僅供參考)
最近，張永清團(tuán)隊聯(lián)合中科院自動化研究所研究員余山以及中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員蔚鵬飛團(tuán)隊，利用人工智能深度學(xué)習(xí)算法發(fā)現(xiàn)狗狗的尾巴“的確會說話”：尾巴偏向右搖，它們跟人的關(guān)系更熟悉。
他們還發(fā)現(xiàn)，與人類的指紋和步態(tài)相似，每只家犬都表現(xiàn)出獨特而穩(wěn)定的搖尾特征。相關(guān)結(jié)果近日在線發(fā)表于《交叉科學(xué)》（iScience）雜志。
“這是一項在生物學(xué)和計算科學(xué)方面都非常重要和有創(chuàng)意的研究。”一位審稿人評價。
尾巴右搖更友好
7月底，北京市昌平區(qū)一片綠油油的試驗田邊上的實驗室里，不時傳來一陣陣犬吠聲。這里養(yǎng)著大大小小八九十條比格犬。
按照張永清的話說，這是北京市犬類研究的“001”號工程。近三年來，張永清和團(tuán)隊構(gòu)建了家犬的全腦蛋白質(zhì)組時空表達(dá)圖譜，利用實驗犬研究了人類動脈粥樣硬化與心腦血管疾病的關(guān)聯(lián)。最近，他們把目標(biāo)瞄向了狗搖尾巴。
“動物行為是大腦功能的展示，其社會行為對于動物個體的生存也至關(guān)重要。家犬的尾巴搖擺是在犬與犬、犬與人之間互動的重要社會行為。”該論文第一作者、張永清團(tuán)隊博士生任煒說。
合作團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)，在三天與人互動過程中，家犬尾巴擺動逐漸從自身左側(cè)向右側(cè)偏移，而且每一只犬的表型都非常穩(wěn)定，表明其尾巴搖擺的偏側(cè)化是一個代表熟悉程度的敏感指標(biāo)。
“簡言之，與不熟悉的人互動時，狗的尾巴搖擺偏左；而與熟悉的人互動時，尾巴的搖擺偏右。”張永清說。
研究還發(fā)現(xiàn)，就像每個人都有獨特的指紋與步態(tài)一樣，犬類也有著獨特而穩(wěn)定的搖尾特征。
基于此，該研究把動力學(xué)系統(tǒng)研究中的“吸引子”概念引入搖尾模式分析，首次發(fā)現(xiàn)家犬尾巴搖擺由具有穩(wěn)定搖擺軌跡的類吸引子狀態(tài)和不穩(wěn)定的過渡狀態(tài)構(gòu)成。“類吸引子狀態(tài)是指犬類搖尾軌跡中表現(xiàn)出的穩(wěn)定、重復(fù)的模式，如圓型軌跡、‘8字’型軌跡等刻板模式。”論文共同通訊作者余山解釋說。
2.1萬次深度學(xué)習(xí)，一個月接收！
此次生物學(xué)上的發(fā)現(xiàn)離不開人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)的支撐。
十幾年前，意大利科學(xué)家就對犬類搖尾巴進(jìn)行過分析，主要是通過錄制視頻和人工觀察，數(shù)據(jù)的分辨率較低，分析也難以深入。隨著計算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步，使得利用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行更全面深入的定量化分析成為可能。
“這里的深度學(xué)習(xí)，是把犬類的圖片輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，利用部分圖片中人工標(biāo)記出的身體不同部位（如背部、尾巴根、尾巴尖等）對模型進(jìn)行訓(xùn)練，模型學(xué)會在新的大量圖片中自動識別這些身體部位的過程。”余山介紹。
合作團(tuán)隊搭建了基于深度學(xué)習(xí)的三維運(yùn)動追蹤技術(shù)平臺，系統(tǒng)研究了13只比格犬在與人互動過程中尾巴運(yùn)動的軌跡。他們總共分析了21000余次狗搖尾巴的過程，包括尾巴移動的速度、幅度和距離。在此基礎(chǔ)上對犬類與人互動時的搖尾特征進(jìn)行定量化研究，發(fā)現(xiàn)了之前未察覺到的家犬行為的動態(tài)細(xì)節(jié)。
作者表示，這些結(jié)果共同揭示了家犬在與人類互動過程中尾巴搖擺行為的復(fù)雜特征和組成規(guī)律，為研究家犬的社會行為和潛在的神經(jīng)機(jī)制提供了一個特有的實驗范式。
張永清表示，人們通常認(rèn)為左右腦是有分工的，積極和消極的情緒狀態(tài)與人類前額葉皮層左右兩側(cè)的激活有關(guān)。“我們推測，向左搖尾巴可能伴隨著右腦的激活，而向右搖尾巴可能伴隨著左腦前額葉皮層的激活。”他說，“左腦負(fù)責(zé)處理積極的情緒，表明尾巴右搖是狗狗感到高興或舒適的跡象；而相反的情況可能意味著狗狗感到害怕或緊張。”
據(jù)介紹，這是目前首個用人工智能方法分析家犬的情感行為的研究。其創(chuàng)新性和趣味性使該論文僅提交一個月就被順利接收。
實驗基地的比格犬 任煒攝
狗尾巴研究“不容小覷”
這項研究的意義何在呢？張永清表示，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究都需要動物模型，過去半個世紀(jì)，實驗鼠模型在國際上發(fā)揮了巨大作用，但有很多問題不能回答，比如與情感相關(guān)的神經(jīng)機(jī)制或精神疾病的致病機(jī)理和治療手段。為此，全世界都在尋找更有效的模式動物。
“家犬經(jīng)過3萬多年的馴化，最大特點是有靈性，能夠與人進(jìn)行有效的情感交流。喜怒哀樂、嫉妒、忠誠、自律等情緒和能力家犬都能淋漓盡致地展示出來，因此生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)，甚至是心理學(xué)都可以用家犬作為模式動物。”他說。
到目前為止，利用家犬作為模式動物開展的研究已經(jīng)獲得兩次諾貝爾生物學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，包括1904年巴浦洛夫在消化系統(tǒng)生理學(xué)方面取得的開拓性成就，以及1923年弗雷德里克·格蘭特·班廷因發(fā)現(xiàn)胰島素而挽救了千千萬萬的糖尿病患者。
“人類情感研究是《科學(xué)》雜志公布的國際公認(rèn)的125個重大問題這一，未來家犬在這方面一定會有獨特的貢獻(xiàn)。”張永清認(rèn)為，中國做犬類研究有兩個優(yōu)勢：我國家犬基因編輯技術(shù)走在世界前列；社會文化比較寬容允許開展相關(guān)研究。這使得我國有望通過家犬模型，在社交和情感的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制研究方面有所突破和貢獻(xiàn)。
在余山看來，未來學(xué)科交叉將越來越重要。正如通過深度學(xué)習(xí)助力發(fā)現(xiàn)狗搖尾巴的規(guī)律一樣，學(xué)科交叉使得生物學(xué)研究有了強(qiáng)大的新工具，可以探索更深層的機(jī)制。“生物學(xué)是實驗科學(xué)，更高精度的分析方法，使得對生物學(xué)現(xiàn)象的觀察從定性走到定量，進(jìn)而走向機(jī)理層面的理解。”他說。
張永清表示，中科院在這一方面具有學(xué)科集成優(yōu)勢。他希望通過更深入的跨學(xué)科研究，提高科技創(chuàng)新能力，通過將家犬作為醫(yī)學(xué)和健康模式動物開展研究，未來十年乃至二三十年能夠為我國生命科學(xué)和人口健康提供科技支撐，并在國際相關(guān)研究領(lǐng)域占有一席之地。
嬉戲中的比格犬 任煒供圖
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104747
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