Поведение животных важно для широкого круга дисциплин, от неврологии и психологии до экологии и фармакологии. Тщательное изучение поведения лабораторных животных позволяет исследователям моделировать болезни человека и оценивать эффективность новых лекарств.
Психологи наблюдают за ним, чтобы понять, как животные учатся и реагируют на вознаграждение и наказание, в то время как нейробиологи изучают его, чтобы понять, как мозг производит движения. Сложность улавливания сложных деталей естественного поведения животного вынуждает ученых изучать очень простые и часто неестественные задачи, оставляя открытым вопрос о том, действительно ли полученные знания могут привести к общему пониманию функции мозга.
Но помощь может быть в пути! В статье, опубликованной 18 декабря в Neuron, исследователи из Гарвардского университета описывают недавно разработанную систему поведенческого мониторинга CAPTURE (непрерывное отслеживание аппендикуляра и осанки с использованием встраивания ретрорефлектора), которая сочетает в себе захват движения и глубокое обучение для непрерывного отслеживания трехмерных движений свободного поведения. животные.
В исследовании ведущий автор Джесси Маршалл, научный сотрудник кафедры органической и эволюционной биологии Гарвардского университета, и старший автор Бенс Ольвецки, профессор кафедры органической и эволюционной биологии Гарвардского университета, прикрепили маркеры к голове и туловищу крыс. , и конечности, и использовали CAPTURE для непрерывной записи их естественного поведения в течение нескольких недель.
Увлечение Маршалла концепцией CAPTURE началось, когда аспирант работал над мышиной моделью болезни Паркинсона. «Мы разработали действительно тщательно продуманные подходы к изучению нарушений работы мозга у мышей с паркинсонизмом, но наша способность измерять их поведенческий дефицит была далека от тонких способов, которыми мы можем оценить влияние болезни Паркинсона на поведение человека», – сказал Маршалл. «Мне стало ясно, что основная причина, по которой так много лекарств, испытанных на мышах, не передаются людям, заключается в том, что наша способность измерять их влияние на поведение весьма ограничена."
Маршалла утомляли трудности и ограничения, связанные с установлением связи между мозговой активностью и поведением животных, и акцент в этой области на подходе «мозг прежде всего». Но когда он пришел в лабораторию Ольвечки, его встретили с интересом и поддержкой. Ольвецки тоже осознавал первостепенную важность поведения и стремился разработать новые инструменты для его измерения.
«Наша лаборатория изучает, как мозг учится и генерирует умелые движения», – сказал Ольвецки. «Традиционно эти исследования проводятся путем разработки конкретных задач и соотнесения активности мозга с простыми показателями поведения i.е.
Нажало ли животное на этот рычаг?? Слизало ли животное этот портвейн?? Такие наблюдения говорят нам, решают ли наши крысы задачу, но ничего не говорят о том, как они это делают, и это именно то, что нас интересует; как мозг учится и контролирует умелые движения. Для этого требовалось более точное и сложное считывание поведения."
Маршалл исследовал различные технологии и остановился на захвате движения, золотом стандарте измерения движений человека и технологии, усовершенствованной голливудскими аниматорами. Первые шесть месяцев он выяснил, как прикрепить маркеры к своим животным.
Он пробовал татуировки, клеи и краски для волос – все безуспешно – прежде чем остановился на несколько неортодоксальном подходе: пирсинг на теле. Работая с местными ветеринарами, команда разработала нестандартные маркеры из специального отражающего стекла, которые прикрепляются к животным как крошечные серьги. Маршалл прикрепил эти маркеры к 20 точкам на голове, туловище и конечностях животного, чтобы он мог восстановить трехмерное положение и конфигурацию основных суставов животного, а также движения его тела.
«В отличие от традиционного захвата движения у людей, который выполняется короткими сериями, мы собираем данные непрерывно, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю», – сказал Маршалл. "Это позволило нам реально количественно оценить все, что крысы делают в своей нормальной жизни – атлас поведения."
Затем команда изучила, как меняется поведение при болезни и в ответ на лекарства. В качестве лекарств животным вводили кофеин и амфетамины. Хотя оба стимулятора заставляли крыс больше двигаться, они делали это по-разному.
После кофеина животные бегали и исследовали свою клетку, как нормальные животные, когда они сильно возбуждены. Однако под действием амфетамина их поведение изменилось по-новому; животные бегали в повторяющемся последовательном порядке.
Что касается болезни, команда изучила крысиную модель синдрома ломкой Х-хромосомы, формы аутизма, и смогла определить нетипичные модели ухода, которые ранее не были описаны. Ученые давно подозревали, что нарушенный уход может быть использован для моделирования моторных стереотипов (повторяющихся движений или звуков), наблюдаемых при аутизме, но до CAPTURE изменения в образцах ухода было сложно измерить и воспроизвести. «Для моделей болезни вам действительно необходимо оценить, как болезнь влияет на поведение и может ли конкретное соединение или лекарство устранить определенные недостатки», – сказал Ольвецки. "Эти эффекты могут быть очень незаметными, и чем точнее ваши поведенческие измерения, тем лучше вы будете справляться с болезнью. Это одно из применений этой технологии."
Команда продолжает свои исследования, комбинируя CAPTURE с нейронными записями, чтобы описать взаимосвязь между активностью мозга и поведением во всем наборе естественного поведения, которое выполняет животное. Они также работают с Google DeepMind, чтобы использовать CAPTURE для моделирования поведения животных с помощью глубоких нейронных сетей.
Эти исследования помогут смоделировать, как мозг производит поведение, и потенциально сделают возможными новые достижения в области искусственного интеллекта.
«Эти технологические разработки означают, что теперь мы можем наконец открыть дверь к пониманию организации естественного поведения и его биомеханических и нейробиологических основ», – сказал Ольвецки.