科学家们推出了一种创新的视频基础机器学习工具，该工具能够识别工程小鼠早期疾病的迹象，这些小鼠复制了阿尔茨海默病的基本特征。这项研究为比目前的方法更早地检测神经系统疾病提供了新的思路，并能够监测其随着时间的进展。
阿尔茨海默病的早期指标可能在正式诊断之前出现多年，通常表现为微妙的行为变化，表明早期脑功能障碍。
以前，很难在与阿尔茨海默病相关的小鼠研究中科学地识别和量化这些微小的行为变化。
在一项发表在Cell Reports的研究中，来自格拉斯顿研究所的研究人员利用了一种新的视频基础机器学习工具，发现了在旨在模仿阿尔茨海默病显著特征的小鼠中，早期疾病的迹象，这些迹象以前无法被检测到。他们的发现揭示了一种新的方法，可以比目前更早地识别神经系统疾病并监测其发展。
格拉斯顿研究所的研究员和论文的首席作者豪尔赫·帕洛普（Jorge Palop）博士表示：“我们展示了机器学习如何改变我们分析表明初始脑功能异常的行为的方式。我们利用了一个强大的工具，为更全面地理解严重脑病及其发生铺平了道路。”
研究人员利用名为VAME（变异动物运动嵌入）的机器学习平台，研究小鼠在开放环境中导航的视频录制。这个开源工具检测到视频中捕捉到的微妙行为趋势，而这些趋势可能仅仅通过观察方法被忽视。
监测混乱行为
VAME的深度学习能力不同于通常与小鼠一起使用的传统测试，这些传统测试通常专注于定义好的任务，要求动物完成。
根据格拉斯顿研究所的科学家斯蒂芬妮·米勒（Stephanie Miller）博士的说法，传统测试可能会遗漏由疾病引发的自发行为变化的完整谱系，尤其是在早期阶段。此外，这些方法通常不具备可扩展性，并需要大量的人工努力。
在他们的研究中，格拉斯顿团队评估了两种旨在复制阿尔茨海默病不同方面的小鼠模型。在这两种情况下，机器学习工具检测到随着小鼠年龄增长，“无组织行为”的明显增加。例如，这些小鼠展示了不典型的行为模式，并经常在不同活动之间切换，可能与记忆和注意力的缺陷相关。
米勒建议：“未来的机器学习应用可能会分析人类的自发行为，可能有助于早期识别神经系统疾病。”她补充说，即使是智能手机质量的视频也足以进行VAME评估。“我相信这项技术可以用于在临床环境和家庭中评估患者，帮助解决早期临床疾病阶段诊断的难题。”
米勒几年前开始测试VAME，当时该平台还很新。她与德国斯特凡·雷米（Stefan Remy）的团队合作，证明了VAME在神经科学研究中的适用性，这在发表在Communications Biology的研究中有报道。
评估可能的治疗方法
为了扩展他们的研究，格拉斯顿团队采用VAME确定一种潜在的阿尔茨海默病治疗方法是否可以减轻小鼠的无组织行为。
研究人员基于格拉斯顿研究员卡特里娜·阿卡索格卢（Katerina Akassoglou）博士的早期发现，她发现一种名为纤维蛋白的血液凝固蛋白在通过受损血管泄漏进入大脑时会引发有害的连锁反应。通过抑制纤维蛋白的毒性作用，阿卡索格卢的实验室在防止导致认知衰退的神经退化方面取得了成功，并保护动物免受阿尔茨海默病的影响。
为了探索这种治疗方法是否能够保护小鼠免受与阿尔茨海默病相关的行为，研究团队对小鼠进行了基因改造，防止纤维蛋白在大脑中造成有害的炎症。这一修改有效地减少了受阿尔茨海默病影响的小鼠中异常行为的出现。
阿卡索格卢表示：“观察到抑制纤维蛋白的炎症作用几乎消除了阿尔茨海默小鼠所有自发行为变化，这非常令人鼓舞，进一步证明了纤维蛋白及随后的神经炎症是导致该病的重要因素。”她是这项研究的共同作者。“机器学习提供了一种客观的方式来评估实验室环境中的潜在治疗方法——我相信它最终也可能成为临床环境中至关重要的工具。”
帕洛普和米勒正在与格拉斯顿研究所其他专注于神经系统疾病的研究团队合作，以在新的行为研究中实施VAME技术。
米勒表示：“我的目标是提高生物学家和临床医生对这项工具及类似方法的可及性，加速新有效药物的开发。”
关于研究
这项名为“机器学习揭示人化和转基因阿尔茨海默病模型中的显著自发行为变化和治疗效果”的研究发表在Cell Reports的11月26日刊中。作者包括斯蒂芬妮·米勒（Stephanie Miller）、凯文·卢克瑟姆（Kevin Luxem）、凯利·劳德代尔（Kelli Lauderdale）、普拉纳夫·南比亚尔（Pranav Nambiar）、帕特里克·霍纳（Patrick Honma）、凯蒂·莱（Katie Ly）、什蕾亚·邦杰拉（Shreya Bangera）、玛丽·布洛克（Mary Bullock）、贾·申（Jia Shin）、尼克·卡利斯（Nick Kaliss）、岳晨·丘（Yuechen Qiu）、凯瑟琳·蔡（Catherine Cai）、凯文·沈（Kevin Shen）、K. 达科塔·马伦（K. Dakota Mallen）、赵琦·阎（Zhaoqi Yan）、安德鲁·门迪奥拉（Andrew Mendiola）、坂井隆（Takashi Saito）、斉藤隆臣（Takaomi Saido）、亚历山大·皮科（Alexander Pico）、鲁本·托马斯（Reuben Thomas）、埃里克·罗伯逊（Erik Roberson）、卡特里娜·阿卡索格卢（Katerina Akassoglou）、帕沃尔·鲍尔（Pavol Bauer）、斯特凡·雷米（Stefan Remy）和豪尔赫·帕洛普（Jorge Palop）。
