科學(xué)家使用了一種新的基于視頻的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，精確識(shí)別出經(jīng)過(guò)基因改造以模擬阿爾茨海默病關(guān)鍵特征的小鼠中原本難以察覺(jué)的早期疾病跡象。

格拉德斯通研究所

11月26日

阿爾茨海默病的微妙跡象可能在確診前數(shù)十年就已出現(xiàn)，通常表現(xiàn)為反映大腦功能障礙極早期階段的不規(guī)則行為。

但迄今為止，即使是在研究小鼠阿爾茨海默病時(shí)，以科學(xué)方式識(shí)別和測(cè)量這些輕微的行為變化也并不可行。

在《細(xì)胞報(bào)告》（Cell Reports）上發(fā)表的一項(xiàng)研究[1]中，格拉德斯通研究所（Gladstone Institutes）的一組科學(xué)家使用了一種新的基于視頻的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，精確識(shí)別出經(jīng)過(guò)基因改造以模擬阿爾茨海默病關(guān)鍵特征的小鼠中原本難以察覺(jué)的早期疾病跡象。

研究于2024年11月26日發(fā)表在《Cell Reports》（最新影響因子：7.5）雜志上

他們的工作為比目前更早地識(shí)別神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及追蹤其隨時(shí)間的發(fā)展提供了一種新策略。

該研究的資深作者、格拉德斯通研究所研究員 Jorge Palop 博士表示：“我們已經(jīng)展示了機(jī)器學(xué)習(xí)的潛力，它將徹底改變我們分析大腦功能早期異常行為的方式。我們利用了一個(gè)寶貴的工具，為更全面地理解毀滅性的大腦疾病及其起源打開(kāi)了大門(mén)。”

科學(xué)家們使用了一種名為VAME（Variational Animal Motion Embedding，變分動(dòng)物運(yùn)動(dòng)嵌入）的機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)來(lái)分析小鼠在開(kāi)闊場(chǎng)地探索的視頻。這個(gè)開(kāi)源工具能夠識(shí)別出攝像機(jī)捕捉到的微妙行為模式，這些變化僅憑肉眼觀察小鼠是無(wú)法注意到的。

高級(jí)研究員 Jorge Palop（左）和研究員 Stephanie Miller（右）審查開(kāi)源機(jī)器學(xué)習(xí)工具 VAME 的數(shù)據(jù)。該工具分析了小鼠的視頻片段，為早期阿爾茨海默病的跡象提供了新的見(jiàn)解

追蹤無(wú)序行為

VAME 的深度學(xué)習(xí)平臺(tái)與小鼠的傳統(tǒng)行為測(cè)試不同，傳統(tǒng)測(cè)試通常圍繞預(yù)先設(shè)定的任務(wù)展開(kāi)，這些任務(wù)對(duì)小鼠來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性。

格拉德斯通研究所的研究科學(xué)家、該研究的第一作者 Stephanie Miller 博士解釋說(shuō)，傳統(tǒng)測(cè)試存在局限性，無(wú)法捕捉到疾病引起的全部自發(fā)行為變化，尤其是在早期階段。此外，這些測(cè)試還缺乏可擴(kuò)展性，并且往往依賴(lài)于勞動(dòng)密集型方法。

在格拉德斯通研究所使用 VAME 的研究中，團(tuán)隊(duì)評(píng)估了兩種模擬阿爾茨海默病不同方面的小鼠。在這兩種小鼠模型中，機(jī)器學(xué)習(xí)工具都識(shí)別出隨著小鼠年齡的增長(zhǎng)，“無(wú)序行為”顯著增加。例如，小鼠表現(xiàn)出異常的行為模式，并且在不同活動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換更加頻繁，這些因素可能與記憶和注意力缺陷有關(guān)。

Miller 說(shuō)：“有一天，類(lèi)似的機(jī)器學(xué)習(xí)方法也可以用于研究人類(lèi)的自發(fā)行為，從而可能為神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供早期診斷，”她指出，“智能手機(jī)質(zhì)量的視頻就足夠用于 VAME 分析，“我設(shè)想這項(xiàng)技術(shù)將被用于在診所甚至在家里評(píng)估病人。它給科學(xué)家和醫(yī)生提供了一種方法來(lái)解決診斷疾病臨床前階段這一非常困難的問(wèn)題。”

Miller 幾年前在 VAME 技術(shù)還處于萌芽階段時(shí)就開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。她與德國(guó)神經(jīng)退行性疾病研究中心（DZNE）的醫(yī)學(xué)博士 Stefan Remy 的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了合作，該團(tuán)隊(duì)最初開(kāi)發(fā)了這一平臺(tái)。他們共同在《通訊生物學(xué)》（Communications Biology）雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究[2]中證明了 VAME 在神經(jīng)科學(xué)研究中的實(shí)用性。

研究于2022年11月18日發(fā)表在《Communications Biology》（最新影響因子：5.2）雜志上

評(píng)估潛在治療方法

在他們這項(xiàng)新研究的另一個(gè)維度上，格拉德斯通團(tuán)隊(duì)使用 VAME 來(lái)研究一種潛在的阿爾茨海默病治療方法是否能阻止小鼠的無(wú)序行為。

科學(xué)家們利用了格拉德斯通研究所研究員 Katerina Akassoglou 博士的先前研究成果，她發(fā)現(xiàn)一種名為纖維蛋白的凝血蛋白在通過(guò)受損的血管泄漏到大腦時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列毒性作用。通過(guò)阻斷纖維蛋白的毒性作用，Akassoglou 的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)能夠阻止導(dǎo)致認(rèn)知能力下降的神經(jīng)退行性病變，并在動(dòng)物身上保護(hù)其免受阿爾茨海默病的影響。

Jorge Palop 博士說(shuō)：“我們利用了一個(gè)寶貴的工具，它為我們更全面地理解毀滅性腦部疾病的成因及其發(fā)病機(jī)制打開(kāi)了大門(mén)。”

為了探究這種治療策略是否能保護(hù)小鼠免受與阿爾茨海默病相關(guān)的行為影響，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因手段阻止了纖維蛋白在大腦中觸發(fā)毒性炎癥。該干預(yù)措施取得了成效，減少了異常行為的發(fā)展。

“我們很高興地看到，阻斷大腦中纖維蛋白的炎癥活性幾乎完全消除了阿爾茨海默病小鼠的自發(fā)行為改變，這再次證實(shí)了纖維蛋白及其引發(fā)的神經(jīng)炎癥是該疾病的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，”同為該研究作者的 Akassoglou 表示，“機(jī)器學(xué)習(xí)可以在實(shí)驗(yàn)室中提供一種無(wú)偏倚的方式來(lái)評(píng)估潛在的治療方法，我相信它最終也可能成為一種寶貴的臨床工具。”

Palop 和 Miller 目前正在與格拉德斯通研究所其他研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的團(tuán)隊(duì)合作，幫助他們運(yùn)用 VAME 技術(shù)進(jìn)行新的行為學(xué)研究。

“我的目標(biāo)是讓生物學(xué)家和臨床醫(yī)生更容易獲得這種工具及類(lèi)似方法，以縮短開(kāi)發(fā)強(qiáng)大新藥所需的時(shí)間，” Miller 說(shuō)道。

創(chuàng)立于1979年的格拉德斯通研究所

參考文獻(xiàn)

Source：Gladstone Institutes

Machine learning reveals behaviors linked with early Alzheimer’s, points to new treatments

References：

[1].Stephanie R. Miller et al, Machine learning reveals prominent spontaneous behavioral changes and treatment efficacy in humanized and transgenic Alzheimer's disease models, Cell Reports (2024). DOI: 10.1016/j.celrep.2024.114870

[2]. Luxem, K., Mocellin, P., Fuhrmann, F. et al. Identifying behavioral structure from deep variational embeddings of animal motion. Commun Biol 5, 1267 (2022). https://doi.org/10.1038/s42003-022-04080-7

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       原文標(biāo)題 : 機(jī)器學(xué)習(xí)揭示與早期阿爾茨海默病相關(guān)的行為，為新療法指明方向