神經(jīng)行為學(xué)（Neuroethology）是一個(gè)結(jié)合了神經(jīng)科學(xué)與動(dòng)物行為學(xué)的交叉學(xué)科，主要研究神經(jīng)系統(tǒng)如何控制行為，以及行為如何反過(guò)來(lái)影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能。其核心目標(biāo)在于理解神經(jīng)系統(tǒng)如何將生物刺激轉(zhuǎn)化為自然行為，自然行為由一系列動(dòng)作構(gòu)成，這些動(dòng)作根據(jù)特定規(guī)則以概率方式組合，使得兩性個(gè)體能夠在不同條件下輸出恰當(dāng)?shù)男袨椋瑥亩S持個(gè)體生存、促進(jìn)物種繁衍。有效分析和量化具有多尺度和復(fù)雜動(dòng)態(tài)特征的自然行為，對(duì)于理解兩性行為差異背后的生物學(xué)意義、解析驅(qū)動(dòng)這些行為產(chǎn)生的性別差異性神經(jīng)機(jī)制，進(jìn)而理解不同物種在進(jìn)化過(guò)程中行為的演變規(guī)律，具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，行為組學(xué)理論的形成和發(fā)展旨在以層級(jí)化的思路解析行為的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法在定量姿勢(shì)估計(jì)和行為分割方面的進(jìn)展，也推動(dòng)了將連續(xù)行為分解為可量化的動(dòng)作模塊的進(jìn)程。然而，缺乏通用的行為學(xué)分析框架，仍是將行為組學(xué)理論應(yīng)用于神經(jīng)行為學(xué)、應(yīng)激神經(jīng)生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、藥效學(xué)評(píng)價(jià)等領(lǐng)域進(jìn)行具體行為分析的重要障礙。
文章上線截圖
2月1日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱“深圳先進(jìn)院”）腦認(rèn)知與腦疾病研究所（簡(jiǎn)稱“腦所”）、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院王楓研究員團(tuán)隊(duì)與王立平研究員團(tuán)隊(duì)合作在Cell Reports在線發(fā)表題為“Hierarchical behavioral analysis framework as a platform for standardized quantitative identification of behaviors”的研究論文，利用應(yīng)激神經(jīng)生物學(xué)研究中廣泛使用的簡(jiǎn)單易行的自發(fā)行為范式，開(kāi)發(fā)了層級(jí)化行為分析框架（Hierarchical Behavioral Analysis Framework,HBAF），提供了一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、快速，以及分層定量的方式開(kāi)展兩性神經(jīng)行為學(xué)研究的方法。
圖1. HBAF工作流程圖
自發(fā)行為是在無(wú)主觀意圖或外部刺激的情況下發(fā)生的行為，對(duì)維持健康和調(diào)節(jié)軀體至關(guān)重要。自發(fā)行為學(xué)實(shí)驗(yàn)由動(dòng)物本身而非實(shí)驗(yàn)者來(lái)主導(dǎo)，易操作的同時(shí)還能更準(zhǔn)確地反映動(dòng)物的內(nèi)部狀態(tài)。自發(fā)行為的變化可以反應(yīng)個(gè)體內(nèi)部狀態(tài)的偏差，這些偏差可能與潛在健康問(wèn)題有關(guān)，如疼痛和毒素暴露、癲癇發(fā)作間期、中風(fēng)恢復(fù)和自閉癥以及急性應(yīng)激等。為了建立一個(gè)易于理解和解釋的行為分析框架，我們從自發(fā)行為的姿勢(shì)動(dòng)力學(xué)、動(dòng)作與動(dòng)作集的時(shí)空特征及其內(nèi)在組織邏輯層面系統(tǒng)刻畫了兩性小鼠自發(fā)行為的特征。研究結(jié)果表明，在不同情緒狀態(tài)、晝夜節(jié)律和光照條件下，兩性小鼠的自發(fā)行為表現(xiàn)出不同的特征。這些特征由不同內(nèi)外因素驅(qū)動(dòng)，最終形成了差異性的行為模式。其中，嗅探是不同條件下自發(fā)行為動(dòng)作轉(zhuǎn)換的樞紐節(jié)點(diǎn)，計(jì)算嗅探與梳理的比例能高通量的準(zhǔn)確區(qū)分自發(fā)行為狀態(tài)。HBAF為深入開(kāi)展行為學(xué)研究提供了一個(gè)高效的平臺(tái)，通過(guò)提供全面的分層行為數(shù)據(jù)，在行為結(jié)構(gòu)理論知識(shí)與實(shí)際分析之間架起了一座橋梁，還將為生物學(xué)、藥理學(xué)、醫(yī)學(xué)以及相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域研究中的動(dòng)物行為實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)果解讀提供全新的技術(shù)手段。
圖2. 研究發(fā)現(xiàn)示意圖
深圳先進(jìn)院腦所研究助理葉家霖（王楓團(tuán)隊(duì)）為該論文第一作者（目前已赴比利時(shí)魯汶大學(xué)攻讀神經(jīng)生物學(xué)博士學(xué)位），深圳先進(jìn)院腦所王楓研究員、王立平研究員為該論文的共同通訊作者，深圳先進(jìn)院為論文的第一單位。該研究得到了Helmut Kettenmann教授、趙偉教授、韓明虎教授、魯白教授、胡霽教授、任超然教授的寶貴建議，并得到了科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”青年科學(xué)家項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目及深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。
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