蠕蟲 老鼠和人類共有的運動障礙的行走模式

大阪大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)研究生院的科學(xué)家使用動物位置跟蹤和人工智能來自動檢測跨物種共有的運動障礙的步行行為。通過從步行數(shù)據(jù)中自動刪除特定物種的特征，所得數(shù)據(jù)可用于更好地了解影響運動的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法，尤其是使用多層人工神經(jīng)元的深度學(xué)習(xí)方法，非常適合區(qū)分不同的數(shù)據(jù)源。例如，他們可以根據(jù)其在雪中留下的痕跡的特征來確定其物種。然而，有時科學(xué)家更關(guān)心不同數(shù)據(jù)集中的相同之處，而不是不同之處。嘗試匯總來自不同類型動物的讀數(shù)時可能會出現(xiàn)這種情況。

現(xiàn)在，由大阪大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家使用機(jī)器學(xué)習(xí)從蠕蟲、甲蟲、小鼠和人類受試者創(chuàng)建的獨立于物種的運動數(shù)據(jù)中獲取模式。“比較行為分析的一個核心目標(biāo)是確定動物中類似人類的行為庫，”第一作者 Takuy??a Maekawa 解釋說。這種方法可以幫助科學(xué)家研究導(dǎo)致運動功能障礙的人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括由低多巴胺水平引起的疾病。動物運動數(shù)據(jù)會產(chǎn)生更多的信息;然而，動物運動的空間和時間尺度因物種而異。這意味著數(shù)據(jù)不能直接與人類行為進(jìn)行比較。為了克服這個問題，該團(tuán)隊設(shè)計了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有梯度反轉(zhuǎn)層，可預(yù)測 (a) 輸入運動數(shù)據(jù)是否來自患病動物以及 (b) 輸入數(shù)據(jù)來自哪個物種。從那里，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練，使其無法預(yù)測收集輸入數(shù)據(jù)的物種，這導(dǎo)致創(chuàng)建了一個無法區(qū)分物種但能夠識別特定疾病的網(wǎng)絡(luò)。這使網(wǎng)絡(luò)能夠提取疾病固有的運動特征。

他們的實驗揭示了缺乏多巴胺的蠕蟲、小鼠和人類共有的跨物種運動特征。盡管存在進(jìn)化差異，但所有這些生物都無法在保持高速移動的同時。此外，發(fā)現(xiàn)這些動物在加速時的速度不穩(wěn)定。有趣的是，這些動物在多巴胺缺乏的情況下表現(xiàn)出類似的運動障礙，即使它們具有不同的體型和運動方式。雖然之前的研究表明多巴胺缺乏與所有這些物種的運動障礙有關(guān)，但這項研究首次確定了由這種缺乏引起的共同運動特征。

“我們的項目表明，深度學(xué)習(xí)可以成為一種強(qiáng)大的工具，可以從數(shù)據(jù)集中提取知識，這些數(shù)據(jù)集看起來差異太大而無法由人類研究人員進(jìn)行比較，”作者 Takahiro Hara 說。該團(tuán)隊預(yù)計，這項工作將用于尋找影響進(jìn)化遙遠(yuǎn)物種的疾病的其他共同特征。

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