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研究人员推出了行为监控系统该系统提供了关于动物活动方式的前所未有的描述

在过去的十年中,神经科学家在研究大脑方面取得了重大进展。他们可以组装完整的接线图并分类大脑的许多细胞类型。他们开发了用于记录单个神经元电活动的电极阵列,并将其放置在老鼠头上的微型显微镜中,以观察其大脑活动。但是,几乎令人震惊的是,没有工具可以精确地测量自由移动的动物的大脑的主要输出(行为)。

动物行为对从神经科学和心理学到生态学和药理学的广泛学科都很重要。通过认真研究实验动物的行为,研究人员可以对人类疾病进行建模并评估新药的有效性。心理学家观察它是为了了解动物如何学习和响应奖惩,而神经科学家研究它是为了了解大脑如何产生运动。捕捉动物自然行为的复杂细节的困难迫使科学家们研究非常简单且通常是不自然的任务,这留下了一个问题,即所获得的见解是否真的能导致人们对脑功能的普遍了解。

但是可能正在寻求帮助!在12月18日于哈佛大学的Neuron研究人员中发表的一篇论文中,描述了一种新开发的行为监控系统CAPTURE(使用后向反射器嵌入的连续阑尾和姿势跟踪),该系统结合了运动捕捉和深度学习功能,可以连续跟踪自由行为的三维运动动物。在这项研究中,哈佛大学有机与进化生物学系博士后研究员Jesse Marshall以及哈佛大学生物与进化生物学系教授BenceÖlveczky资深作者在大鼠头部,躯干上附加了标记,以及四肢,并使用CAPTURE连续数周记录其自然行为。

马歇尔对“捕捉”概念的迷恋始于研究帕金森氏症小鼠模型的研究生。马歇尔说:“我们已经开发出非常精细的方法来研究帕金森氏症小鼠的大脑是如何被破坏的,但是我们测量它们的行为缺陷的能力与评估帕金森氏症对人类行为影响的细微差别相去甚远。” “对我来说很清楚,为什么在小鼠中测试的这么多药物无法转化为人类的主要原因是,我们测量其对行为的影响的能力非常有限。”

马歇尔对于将大脑活动与动物的行为联系起来以及该领域对“脑优先”方法的重视感到烦恼和束缚。但是,当他加入Ölveczky的实验室时,他受到了关注和支持。Ölveczky也认识到行为的首要重要性,并渴望开发新的衡量行为的工具。

Ölveczky说:“我们的实验室研究了大脑如何学习和产生熟练的动作。” “传统上,这些研究是通过设计特定的任务并将大脑活动与简单的行为读数相关联来完成的,即动物是否推动了这一杠杆作用?动物是否舔过了这个端口?这些观察结果告诉我们我们的大鼠是否解决了这一任务,但是却没有说明如何他们做到了,这正是我们感兴趣的;大脑如何学习和控制熟练的动作。要做到这一点,需要对行为进行更精确,更复杂的读出。”

马歇尔研究了各种技术,并专注于运动捕捉,测量人体运动的金标准和好莱坞动画师完善的技术。他花了头六个月的时间弄清楚如何在动物身上贴上标记物。在尝试一种不合常规的方法:穿刺之前,他尝试了纹身,粘合剂和染发剂-都没有运气。该团队与当地兽医合作,设计了由专用反光玻璃制成的定制标记,这些标记像小耳环一样附着在动物身上。马歇尔将这些标记物贴在动物头部,躯干和四肢的20个位置,这样他就可以重建动物主要关节的三维位置和形态,以及动物身体的运动。

马歇尔说:“与在短时间内进行的传统人类动作捕捉相反,我们连续24/7连续收集数据。” “这使我们能够真正量化老鼠在正常生活中所做的一切-行为地图集。”

然后,研究小组研究了行为如何改变疾病以及对药物的反应。对于药物,他们向动物服用了咖啡因和苯丙胺。尽管两种刺激物都使大鼠运动更多,但它们以不同的方式运动。摄入咖啡因后,这些动物像被唤起时的正常动物一样奔跑并探索了它们的笼子。但是,在使用苯丙胺时,他们的行为以奇怪的新方式发生了变化。在动物中重复序列模式跑来跑去。

对于疾病,研究小组研究了一种自闭症形式的脆弱X综合征的大鼠模型,并能够识别出以前没有描述过的非典型修饰模式。长期以来,科学家一直怀疑,可以通过中断修饰来模拟自闭症中观察到的运动刻板印象(重复运动或声音),但是在捕捉之前,修饰模式的改变很难衡量和再现。Ölveczky说:“对于疾病模型,您确实需要评估疾病如何影响行为以及特定的化合物或药物是否可以逆转特定的缺陷。” “这些影响可能非常微妙,行为测量越精确,您对疾病的处理就越好。这是这项技术的用途之一。”

该团队通过将捕捉与神经记录相结合来描述动物在整个自然行为中大脑活动与行为之间的关系,从而继续他们的研究。他们还与Google DeepMind合作,使用CAPTURE通过深度神经网络对动物行为进行建模。这些研究将有助于模拟大脑如何产生行为,并有可能使人工智能取得新进展。

Ölveczky说:“这些技术的发展意味着我们现在终于可以打开了解自然行为的组织及其生物力学和神经生物学基础的大门。”

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