自然環(huán)境變幻莫測(cè)，自然界中的動(dòng)物即使在攝食過(guò)程中也需要時(shí)刻關(guān)注環(huán)境中的各種線索，這樣一方面有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，另一方面也有利于獲取更多資源。由于缺乏細(xì)致分析動(dòng)物多種自發(fā)行為的手段，長(zhǎng)期以來(lái)研究者們主要用攝食量這一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)動(dòng)物的攝食行為。當(dāng)前的研究將攝食行為簡(jiǎn)化為三個(gè)階段：饑餓-尋找食物、攝入食物、飽食-停止攝食[2]。目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)十個(gè)腦區(qū)的多種神經(jīng)元參與攝食行為不同階段的神經(jīng)調(diào)控[2-5]，然而，關(guān)于這些神經(jīng)元如何平衡動(dòng)物的各種動(dòng)機(jī)并調(diào)控各種自發(fā)行為，人們還知之甚少。
3月15日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所王立平團(tuán)隊(duì)在Neuron 雜志在線發(fā)表了題為“An iterative neural processing sequence orchestrates feeding” 的研究論文[1]，詳細(xì)描述了小鼠攝食行為與非攝食行為交替出現(xiàn)的片段化攝食行為特征，并揭示了多群神經(jīng)元依次調(diào)控每次攝食行為的準(zhǔn)備、發(fā)起和維持的神經(jīng)機(jī)制。
文章上線截圖
王立平團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)算法輔助的行為跟蹤與記錄系統(tǒng)，對(duì)小鼠攝入食物這一階段中的自發(fā)行為進(jìn)行了細(xì)致研究。通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法識(shí)別單幀錄像中小鼠的動(dòng)作，總共識(shí)別出14種特征動(dòng)作，并通過(guò)聚類算法將這些動(dòng)作劃分為8種有意義的行為，進(jìn)而將這些行為分為攝食、行走和探索環(huán)境等三類，并將小鼠在攝入食物這一階段的自發(fā)行為描述為“靠近食物、攝食、離開(kāi)食物、探索環(huán)境”等一系列行為的循環(huán)。
研究者們通過(guò)分析不同自發(fā)行為過(guò)程中的神經(jīng)元鈣反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，ARCAgRP神經(jīng)元在小鼠饑餓，環(huán)境中有食物，但小鼠在探索環(huán)境而沒(méi)有去吃的情況下被激活，在靠近食物和攝食過(guò)程中被抑制；LHGABA神經(jīng)元在小鼠發(fā)起攝食行為的時(shí)候被激活，激活時(shí)間與攝食行為持續(xù)時(shí)間無(wú)關(guān)；而DRGABA神經(jīng)元在攝食過(guò)程中持續(xù)激活，激活時(shí)間與攝食時(shí)間成強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)這些神經(jīng)元在小鼠離開(kāi)食物探索環(huán)境時(shí)被抑制。
進(jìn)一步，研究者們利用光遺傳方法驗(yàn)證了ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神經(jīng)元在小鼠片段化攝食行為中的功能。抑制ARCAgRP神經(jīng)元會(huì)使饑餓小鼠表現(xiàn)出更多的探索環(huán)境行為并減少攝食行為，而激活這些神經(jīng)元，在有食物的情況下會(huì)減少探索環(huán)境行為而增加攝食行為，但在只有塑料假食物存在的情況下并不影響探索環(huán)境行為。先前的研究表明，ARCAgRP神經(jīng)元編碼負(fù)性價(jià)值[6]。由此推測(cè)，ARCAgRP神經(jīng)元的功能是，在饑餓情況下對(duì)正在進(jìn)行的與攝食無(wú)關(guān)的行為進(jìn)行限制，由此可以使攝食相關(guān)動(dòng)機(jī)占據(jù)主導(dǎo)地位，從而幫助發(fā)起攝食行為。激活LHGABA神經(jīng)元會(huì)使小鼠表現(xiàn)出強(qiáng)烈的啃咬行為，而抑制這些神經(jīng)元會(huì)導(dǎo)致饑餓的小鼠無(wú)法啃咬食物。由此推測(cè)，LHGABA神經(jīng)元介導(dǎo)了攝食行為的發(fā)起。激活DRGABA神經(jīng)元會(huì)顯著延長(zhǎng)小鼠的攝食行為，而抑制這些神經(jīng)元會(huì)顯著縮短攝食行為，由此推測(cè)，DRGABA神經(jīng)元參與調(diào)控?cái)z食行為的維持。
因此，ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神經(jīng)元分別調(diào)控片段化攝食行為的準(zhǔn)備、發(fā)起和維持。
與小鼠類似，人類也存在片段化攝食的現(xiàn)象，在攝食過(guò)程中并不會(huì)一直關(guān)注食物，而是會(huì)不斷關(guān)注周圍環(huán)境。集中時(shí)間吃飯是社會(huì)化訓(xùn)練的結(jié)果，幼童會(huì)一邊吃飯一邊玩耍，而成人通常在吃飯的同時(shí)進(jìn)行社交活動(dòng)。這項(xiàng)研究加深了人們對(duì)攝食行為和攝食過(guò)程中神經(jīng)調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)，將為攝食障礙相關(guān)疾病的治療提供新的理論基礎(chǔ)。
本研究建立的行為精細(xì)分析方法也適用于各種其他本能行為的研究。動(dòng)物的各種本能行為都包含多種動(dòng)機(jī)相互競(jìng)爭(zhēng)，行為發(fā)起、維持以及被其他動(dòng)機(jī)所干擾而中斷等過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中也會(huì)涉及多群神經(jīng)元的分工合作。外界環(huán)境和動(dòng)物的內(nèi)在狀態(tài)會(huì)對(duì)各群神經(jīng)元的反應(yīng)模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物行為的調(diào)控，使得動(dòng)物可以適應(yīng)環(huán)境，生存繁衍。本研究為解析多種本能行為各階段的精細(xì)神經(jīng)調(diào)控機(jī)制打下了基礎(chǔ)，為深入理解動(dòng)物在自然選擇中形成的本能行為策略的神經(jīng)計(jì)算機(jī)制提供了理論框架，將為通用人工智能的發(fā)展提供更多的理論依據(jù)。
深圳先進(jìn)院王立平研究員為該論文的通訊作者，助理研究員劉清晴、高級(jí)工程師楊星和先進(jìn)院與港城大聯(lián)合培養(yǎng)博士生羅墨軒為論文的共同第一作者。港城大Rosa Chan副教授等人也參與了本項(xiàng)工作。論文還得到了新加坡科技研究局（A*STAR）傅玉教授等人的寶貴意見(jiàn)，并獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委，廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
利用深度學(xué)習(xí)輔助的行為分析系統(tǒng)解析小鼠的片段化進(jìn)食行為
攝食片段的準(zhǔn)備、發(fā)起與維持分別由ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神經(jīng)元調(diào)控
參考文獻(xiàn)
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