Tingkah laku ialah titik akhir berfungsi dalam penyelidikan praklinikal, terutamanya dalam sains saraf, penyelidikan kesakitan dan penyakit neurodegeneratif. Pergerakan, postur, koordinasi anggota badan, aktiviti spontan dan corak tingkah laku tertentu semuanya berubah dengan perkembangan penyakit dan dengan pendedahan dadah.
Pembangunan dadah sistem saraf pusat (CNS).bergantung pada bacaan berfungsi tersebut. Penilaian tingkah laku dalam primata bukan manusia (NHP) adalah sukar untuk dijalankan dengan baik. Amalan tradisional bergantung pada pemerhatian langsung, semakan video manual dan pemarkahan berasaskan pengalaman. Kaedah ini kekal sebagai tulang belakang kepada banyak reka bentuk kajian, dan ia adalah perlahan, terdedah kepada kebolehubahan antara pemerhati, dan terlalu kasar untuk peristiwa halus atau jangka pendek.
Kemajuan dalam kecerdasan buatan (AI) dan penglihatan komputer telah membuka laluan yang berbeza. Pemerolehan video berbilang tontonan yang disegerakkan, anggaran pose 3D tanpa penanda dan analisis tingkah laku automatik kini mengekstrak pergerakan dan postur daripada tingkah laku haiwan yang berlaku secara semula jadi.
Untuk kajian NHP, fenotaip tingkah laku 3D berkuasa AI menambah bacaan berfungsi pada pemerhatian klinikal konvensional, pengukuran farmakokinetik/farmakodinamik (PK/PD), pengimejan dan titik akhir farmakologi yang lain.
Jawapan Pantas: Apakah Fenotaip Tingkah Laku 3D Dikuasakan AI?
Fenotaip tingkah laku 3D berkuasa AI menggunakan video berbilang kamera yang disegerakkan dan anggaran pose berasaskan AI untuk membina semula pergerakan haiwan dalam ruang tiga dimensi. Ia mengukur kinematik pergerakan, koordinasi anggota badan, postur, gaya berjalan dan corak tingkah laku terpilih tanpa melampirkan penanda pengesanan fizikal pada haiwan itu. Dalam penyelidikan NHP, pendekatan ini menambah objektif, titik akhir berfungsi membujur kepada penilaian ubat praklinikal.
Mengapa Penilaian Tingkah Laku Konvensional Mempunyai Had
Pemerhatian tingkah laku telah lama digunakan untuk menilai fungsi neurologi, fenotip penyakit dan tindak balas dadah dalam kajian haiwan. Had muncul setelah ukuran terperinci dan berulang diperlukan.
Pemarkahan tingkah laku manual bergantung pada kriteria pemerhatian yang telah ditetapkan dan pada pengalaman penyelidik terlatih atau doktor haiwan. Perbezaan dalam kekerapan pemerhatian, tafsiran pemarkahan dan pertimbangan individu memperkenalkan kebolehubahan antara pemerhati dan merentasi titik masa kajian.
Resolusi sementara adalah kekangan kedua. Pemerhatian yang diambil pada selang masa yang dipratentukan merindui peristiwa ringkas atau terputus-putus, jadi episod menggaru pendek, keabnormalan sementara dalam pergerakan anggota badan atau perubahan kecil dalam aktiviti spontan melepasi antara tingkap pemerhatian.
Analisis video dua dimensi merekodkan lebih banyak tetapi menyelesaikan kurang. Ia cenderung untuk melaporkan parameter mudah seperti jumlah jarak pergerakan dan tahap aktiviti keseluruhan, dan ia tidak memisahkan trajektori anggota badan individu, perubahan postur tiga dimensi atau pergerakan yang melibatkan beberapa bahagian badan sekaligus.
Tangkapan gerakan berasaskan penanda membawa maklumat kinematik yang lebih kaya, dengan kos perkakasan pada haiwan itu. Penanda reflektif atau peranti penjejakan menambah pengendalian, dan dalam beberapa tetapan percubaan ia mengganggu pergerakan semula jadi atau pemantauan selama beberapa minggu.
Batasan ini menggalakkan pembangunananalisis tingkah laku 3D tanpa penanda, yang menggandingkan pemerhatian video dengan pembinaan semula pergerakan berbantukan AI.
Cara Analisis Tingkah Laku 3D Tanpa Penanda Berkuasa AI Berfungsi
Fenotaip tingkah laku 3D menggabungkan pemerolehan video berbilang tontonan, penglihatan komputer, anggaran pose berasaskan pembelajaran mendalam dan analisis data tingkah laku. Sistem tanpa penanda mengenal pasti tanda tempat anatomi secara langsung daripada imej video dan bukannya bergantung pada penanda reflektif yang ditetapkan pada haiwan itu.
1. Pemerolehan Video Berbilang Paparan Tersegerak
Rakaman diutamakan, dengan beberapa kamera diletakkan di sekitar persekitaran rakaman yang ditetapkan. Dalam konfigurasi pemerolehan NHP yang dibentangkan dalam kamiwebinar teknikal, empat kamera disegerakkan berada di sekeliling kandang rakaman dan menangkap pandangan bertindih haiwan yang bergerak bebas.
Bertindih adalah perkara utama. Satu kamera tidak dapat melihat setiap pergerakan dari setiap arah, dan bahagian badan hilang dari pandangan apabila haiwan itu berpusing, memanjat, berinteraksi dengan objek atau mengubah postur. Rakaman disegerakkan membolehkan imej dari sudut berbeza dianalisis bersama dan membekalkan maklumat spatial yang diperlukan oleh pembinaan semula tiga dimensi.
Kedudukan kamera, pencahayaan, persekitaran rakaman dan prosedur pemerhatian mengikut daripada titik akhir tingkah laku yang dimaksudkan dan objektif kajian.
2. Anggaran Pose 3D Tanpa Penanda
Model penglihatan komputer berasaskan AI kemudiannya mengenal pasti tanda tanda anatomi dalam imej yang dirakam dan menggunakannya untuk menganggar konfigurasi badan dan membina semula perwakilan rangka tiga dimensi. Perubahan postur dan pergerakan kawasan anatomi individu dikesan dari semasa ke semasa tanpa penanda pada haiwan.
Berbanding dengan pemantauan aktiviti mudah, anggaran pose 3D menerangkan cara haiwan bergerak: trajektori anggota badan, peralihan postur dan pergerakan yang diselaraskan antara bahagian badan.
Kualiti pembinaan semula bergantung pada penentukuran kamera, penyegerakan, keterlihatan tanda tempat anatomi dan tahap oklusi.
3. Analisis Tingkah Laku Kuantitatif
Data pergerakan tiga dimensi bertukar kepada parameter tingkah laku kuantitatif merentas empat peringkat.
Kinematik Pergerakan
Kinematik gerakan menerangkan dinamik pergerakan. Trajektori halaju, pecutan dan pergerakan mencirikan aktiviti spontan dan perubahan dalam corak lokomotor, dan memisahkan garis dasar daripada keadaan selepas rawatan.
Kedudukan Anggota Badan dan Penjejakan Berjalan
Kedudukan anggota badan yang dijejaki dari semasa ke semasa mencirikan pergerakan, koordinasi dan keabnormalan motor. Dalam model penyakit neurologi tahap ini menunjukkan perubahan dalam koordinasi anggota kiri-kanan, simetri pergerakan, ciri-ciri berjalan dan prestasi motor halus.
Anggaran Pose Tiga Dimensi
Anggaran pose dalam koordinat spatial menerangkan postur badan dan pergerakan sendi, yang penting untuk tingkah laku yang jarak perjalanan atau video dua dimensi tidak dapat dicirikan.
Segmentasi Tingkah Laku Automatik
Segmentasi gelagat mengenal pasti dan mengklasifikasikan keadaan atau peristiwa gelagat tertentu daripada pergerakan terbitan video. Bergantung pada model analisis dan status pengesahannya, yang meliputi pergerakan, dandanan, menggaru, memanjat, peralihan postur atau corak pergerakan berulang. Segmentasi automatik memotong semakan video manual yang memerlukan set data besar dan kajian membujur.
Empat peringkat adalah saling melengkapi, tidak boleh ditukar ganti: gabungan yang betul mengikut soalan saintifik, tingkah laku sasaran dan status pengesahan model.
Aplikasi dalam Penyelidikan Praklinikal NHP
Fenotaip tingkah laku kuantitatif digunakan di seluruh kawasan terapeutik di mana perubahan fungsi menunjukkan tindak balas penyakit atau rawatan.
CNS dan Penyelidikan Penyakit Neurodegeneratif
Dalam model penyakit neurologi, perubahan motor muncul sebagai pergerakan yang berkurangan, gaya berjalan yang tidak normal, koordinasi terjejas atau aktiviti spontan yang diubah.penyakit Parkinsondan keadaan neurodegeneratif lain mengubah kawalan motor secara progresif, dan menjejaki pergerakan tangan dua hala, trajektori anggota dan corak lokomotor menambah titik akhir kuantitatif untuk keabnormalan tersebut. Pengukuran berulang ke atas kajian kemudian menunjukkan sama ada prestasi motor berubah dengan rawatan.
Penyelidikan Sakit dan Pruritus
Sakit dan pruritus menghasilkan tindak balas tingkah laku yang boleh dikenali: menggaru, mengubah corak pergerakan, mengubah aktiviti spontan. DalamKajian pruritus NHP, analisis menggaru automatik mengukur kekerapan menggaru, tempoh dan pengedaran temporal, dan data pergerakan tiga dimensi boleh membantu mengasingkan calar daripada dandanan atau pergerakan badan rutin yang menggunakan pergerakan anggota badan yang serupa.
Pengukuran ini melengkapkan pemerhatian klinikal dan titik akhir farmakodinamik lain dalam penilaian calon anti-pruritik atau anti-radang.
Gait dan Penilaian Fungsi Motor
Analisis gait adalah aplikasi langsung. Trajektori anggota badan dan postur badan yang dibina semula semasa pergerakan menunjukkan perubahan simetri pergerakan, koordinasi dan ciri-ciri berjalan. Kerana tiada penanda dilampirkan, pergerakan direkodkan di bawah keadaan naturalistik yang direka untuk kajian. Penilaian fungsi motor berulang dalam model penyakit neurologi, dan dalam kajian pemulihan fungsi, adalah tempat yang paling penting.
Fenotaip Tingkah Laku Membujur
Perubahan tingkah laku tidak selalunya merupakan peristiwa terpencil. Dalam sesetengah model, aktiviti spontan yang diubah, penerokaan, pergerakan berulang atau pengedaran keadaan tingkah laku berkembang secara beransur-ansur. Pemerolehan video membujur dengan analisis automatik membandingkan corak tingkah laku merentas tempoh kajian dan keadaan rawatan, termasuk cara pergerakan mengedar, cara corak aktiviti beralih dan cara tingkah laku berulang berubah dari semasa ke semasa.
Tafsiran perlu mengambil kira keadaan rakaman, aktiviti asas, penyesuaian haiwan dan sumber kebolehubahan tingkah laku yang lain.
Melaksanakan Analisis Tingkah Laku Dikuasakan AI dalam Kajian Prisys NHP
Di Prisys Biotech, fenotaip tingkah laku 3D berkuasa AI digabungkan ke dalam kajian farmakologi primat bukan manusia sebagai penilaian fungsi tambahan.
Fokus utama kami ialah reka bentuk dan pelaksanaan penyelidikan in vivo NHP: penyediaan haiwan, perancangan penilaian tingkah laku khusus kajian, reka bentuk protokol rakaman, pemerolehan video dan penyepaduan ukuran tingkah laku dengan titik akhir farmakologi yang lain. Untuk analisis dibantu AI itu sendiri, Prisys menyelaraskan visi komputer khusus dan teknologi analisis tingkah laku 3D mengikut keperluan setiap program penyelidikan.
Aliran kerja menghubungkan reka bentuk kajian dengan rakaman video berbilang tontonan, pembinaan semula pergerakan tiga dimensi dan analisis tingkah laku kuantitatif, jadi pengukuran tingkah laku dibaca dalam konteks model haiwan, keadaan rawatan dan objektif kajian.
Pembacaan tingkah laku tidak dilaporkan secara berasingan. Nilai saintifiknya bergantung pada seberapa rapat ukuran yang dipilih sepadan dengan fenotip penyakit dan soalan farmakologi. Di mana sesuai, titik akhir tingkah laku berada bersama data PK/PD,pengimejan klinikal, pengukuran fisiologi dan penilaian patologi untuk menyokong penilaian yang lebih lengkap terhadap tindak balas ubat dalam model NHP.
Pertimbangan Metodologi: Pengesahan dan Reka Bentuk Kajian
Analisis tingkah laku dikuasakan AI membuka pilihan pengukuran baharu, tetapi outputnya tidak disahkan secara automatik sebagai titik akhir farmakodinamik.
Pengesahan Khusus Tingkah Laku
Model AI dinilai berdasarkan anotasi rujukan yang ditentukan, termasuk segmen video yang disemak manusia jika tersedia. Pengesahan menyasarkan tingkah laku yang berkaitan dengan kajian, kerana prestasi penjejakan pose keseluruhan yang tinggi tidak mewujudkan pengiktirafan yang tepat bagi setiap kategori tingkah laku. Mengesan pergerakan anggota am tidak sama seperti membezakan calar daripada dandanan, dan setiap tingkah laku sasaran memerlukan definisi operasi dan data prestasi klasifikasinya sendiri.
Konfigurasi Rakaman
Susunan kamera, penyegerakan, pencahayaan, persekitaran rakaman dan kedudukan haiwan semuanya menjejaskan kualiti video. Model yang dikonfigurasikan di bawah satu persediaan rakaman tidak diandaikan berprestasi yang sama dalam keadaan yang berbeza: perubahan dalam geometri kamera, ciri haiwan atau persekitaran rakaman memerlukan penentukuran dan pengesahan tambahan.
Oklusi dan Kualiti Data
Oklusi berlaku apabila badan haiwan itu sendiri, struktur sangkar atau objek lain menyembunyikan bahagian badan, yang mengurangkan kebolehpercayaan anggaran pose dalam bingkai individu. Oleh itu, penilaian kualiti data meliputi keyakinan pengesanan, tanda tempat yang hilang dan perkadaran masa rakaman yang boleh digunakan.
Definisi Titik Akhir Tingkah Laku
Titik akhir tingkah laku sasaran ditakrifkan sebelum kajian dimulakan: perkara yang dikira sebagai peristiwa tingkah laku, cara peristiwa dikira, tempoh pemerhatian yang relevan dan cara pengukuran yang terhasil akan ditafsirkan. Tingkah laku kompleks dan fenotip khusus penyakit memerlukan perkara ini diselesaikan lebih awal, kerana pengelasan automatik bagi tingkah laku tersebut memerlukan konfigurasi dan pengesahan model tambahan.
Pengukuran yang diperolehi AI adalah paling berguna dalam kerja translasi apabila ia ditakrifkan secara saintifik, boleh dihasilkan semula dan ditafsirkan bersama-sama dengan titik akhir lain yang berkaitan.
Peranan Fenotaip Tingkah Laku Kuantitatif dalam Perkembangan Dadah Translasi
Fenotaip tingkah laku 3D berkuasa AI menambah kaedah untuk mengkaji perubahan fungsi dalam primata bukan manusia. Pemerolehan video yang disegerakkan, anggaran pose tanpa penanda dan analisis tingkah laku automatik memindahkan bacaan melepasi kiraan aktiviti mudah ke arah pergerakan, postur, koordinasi dan corak tingkah laku yang dipilih.
Untuk CNS, kesakitan dan kawasan terapeutik lain yang penting hasil kefungsian, ukuran ini melengkapkan titik akhir farmakologi dan fisiologi yang telah ditetapkan.
Di Prisys, penilaian tingkah laku kuantitatif adalah sebahagian daripada aliran kerja penyelidikan translasi NHP yang lebih luas. Perkara yang membawa berat saintifik ialah pautan antara eksperimen in vivo yang direka dengan teliti dan ukuran tingkah laku yang bermakna secara biologi dan disahkan dengan betul.
Artikel kemudian dalam siri ini merangkumi aplikasi khusus, termasuk pengecaman calar automatik, koordinasi motor dua hala, analisis gaya berjalan tanpa penanda, penilaian tingkah laku membujur dan penyepaduan data tingkah laku dengan titik akhir farmakologi yang lain.
Terokai Siri Aplikasi
Artikel ini menetapkan asas metodologi. Artikel berikut meneliti cara pendekatan digunakan untuk soalan penyelidikan NHP khusus:
- Pengecaman Gelagat Menggaru Automatik dalam Monyet Cynomolgus. Mengira titik akhir tingkah laku berkaitan pruritus dengan anggaran pose 3D dan analisis gerakan.
- Penilaian Koordinasi Motor Dua Hala dalam Model NHP. Menilai trajektori pergerakan kiri-kanan dan keabnormalan motor berfungsi.
- Analisis Gait 3D Tanpa Penanda dalam Primat Bukan Manusia. Mencirikan pergerakan, trajektori anggota badan dan koordinasi pergerakan.
- Fenotaip Tingkah Laku Membujur dan Analisis Tingkah Laku Stereotaip. Memantau perubahan dalam corak aktiviti dan tingkah laku berulang merentasi keadaan kajian.
- Mengintegrasikan Analisis Tingkah Laku AI dengan Farmakologi NHP. Menghubungkan titik akhir tingkah laku dengan PK/PD, pengimejan, pemantauan fisiologi dan pengukuran translasi lain.
Fenotaip tingkah laku kuantitatif menyokong reka bentuk kajian praklinikal NHP yang lebih bermaklumat.
Mengenai Prisys Biotech
Prisys Biotech mengkhusus dalam model penyakit primat bukan manusia, farmakologi praklinikal dan penyelidikan translasi. Keupayaannya meliputi penilaian keberkesanan in vivo, penilaian tingkah laku, pengimejan klinikal dan kajian farmakologi bersepadu untuk syarikat farmaseutikal dan bioteknologi. Untuk kerjasama penyelidikan atau pertanyaan reka bentuk kajian NHP, hubungibd@prisysbiotech.com.
