Hegðun er starfhæfur endapunktur í forklínískum rannsóknum, sérstaklega í taugavísindum, verkjarannsóknum og taugahrörnunarsjúkdómum. Hreyfing, líkamsstaða, samhæfing útlima, sjálfkrafa virkni og sérstakt hegðunarmynstur breytast allt með framgangi sjúkdómsins og með útsetningu fyrir lyfjum.
Þróun lyfja í miðtaugakerfi (CNS).fer eftir þessum virku útlestri. Hegðunarmat hjá prímötum sem ekki eru mannlegar (NHPs) er engu að síður erfitt að framkvæma vel. Hefðbundin æfing byggir á beinni athugun, handvirkri vídeóskoðun og reynslumiðaða stigagjöf. Þessar aðferðir eru áfram burðarás margra rannsóknarhönnunar og þær eru hægar, viðkvæmar fyrir breytileika á milli áheyrenda og of grófar fyrir fíngerða eða stutta atburði.
Framfarir í gervigreind (AI) og tölvusjón hafa opnað aðra leið. Samstillt myndbandsupptaka, merkilaus 3D stellingarmat og sjálfvirk atferlisgreining draga nú hreyfingu og líkamsstöðu úr náttúrulegri hegðun dýra.
Fyrir NHP rannsóknir bætir gervigreind-knún 3D atferlissvipgerð virku útlestri við hefðbundna klíníska athugun, lyfjahvörf/lyfhrifamælingar (PK/PD) mælingar, myndgreiningu og aðra lyfjafræðilega endapunkta.
Fljótt svar: Hvað er gervigreindardrifið 3D hegðunarsvipgerð?
AI-knúin 3D atferlissvipgerð notar samstillt fjölmyndavélamyndband og gervigreind byggt stellingarmat til að endurbyggja hreyfingar dýra í þrívíðu rými. Það mælir hreyfihvörf, samhæfingu útlima, líkamsstöðu, göngulag og valin hegðunarmynstur án þess að festa líkamlega mælingar á dýrið. Í NHP rannsóknum bætir nálgunin hlutlægum, lengdarvirkum endapunktum við forklínískt lyfjamat.
Hvers vegna hefðbundið hegðunarmat hefur takmarkanir
Hegðunarathugun hefur lengi verið notuð til að meta taugavirkni, svipgerðir sjúkdóma og lyfjasvörun í dýrarannsóknum. Takmarkanirnar birtast þegar þörf er á nákvæmum og endurteknum mælingum.
Handvirkt atferlisstig fer eftir fyrirfram skilgreindum athugunarviðmiðum og reynslu þjálfaðra vísindamanna eða dýralækna. Mismunur á athugunartíðni, stigatúlkun og einstaklingsbundinni mati leiðir til breytileika milli áhorfenda og milli tímapunkta rannsóknarinnar.
Tímabundin upplausn er önnur þvingunin. Athugun sem tekin er með fyrirfram ákveðnu millibili missir af stuttum eða hléum atburðum, þannig að stuttur klóraþáttur, tímabundin óeðlileg óeðlileg hreyfing útlima eða lítil breyting á sjálfsprottinni virkni fer á milli athugunarglugganna.
Tvívídd myndbandsgreining tekur meira upp en leysir minna. Það hefur tilhneigingu til að tilkynna einfaldar breytur eins og heildarhreyfingarfjarlægð og heildarvirkni, og það skilur ekki einstaka útlimaferla, þrívíddar líkamsstöðubreytingar eða hreyfingar sem taka til nokkra líkamshluta í einu.
Marker-based motion capture ber ríkari hreyfiupplýsingar, á kostnað vélbúnaðar á dýrinu. Endurskinsmerki eða mælingartæki bæta við meðhöndlun og í sumum tilraunastillingum trufla þau náttúrulega hreyfingu eða eftirlit í margar vikur.
Þessar takmarkanir ýttu undir þróunmerkjalaus 3D atferlisgreining, sem parar myndbandsathugun við endurgerð hreyfingar með AI.
Hvernig gervigreindarlaus 3D atferlisgreining virkar
3D hegðunarsvipgerð sameinar myndbandsupptöku, tölvusjón, djúpt nám byggt á stellingum og atferlisgagnagreiningu. Merkjalaus kerfi bera kennsl á líffærafræðileg kennileiti beint úr myndbandsmyndum í stað þess að treysta á endurskinsmerki sem fest eru við dýrið.
1. Samstillt Multi-View Video Acquisition
Upptaka kemur fyrst, með nokkrum myndavélum staðsettar í kringum skilgreint upptökuumhverfi. Í NHP yfirtökustillingunni sem kynnt er í okkartæknilegt vefnámskeið, fjórar samstilltar myndavélar sitja í kringum upptökugirðinguna og fanga skarast útsýni af dýri sem hreyfist frjálslega.
Skörun er málið. Ein myndavél getur ekki séð hverja hreyfingu úr öllum áttum og líkamshlutar fara úr sjónarsviðinu þegar dýrið snýr sér, klifrar, hefur samskipti við hluti eða breytir um líkamsstöðu. Samstillt upptaka gerir kleift að greina myndir frá mismunandi sjónarhornum saman og gefur þær staðbundnar upplýsingar sem þrívíddaruppbygging þarfnast.
Staðsetningar myndavélar, lýsing, upptökuumhverfi og athugunarferli fylgja ætluðum hegðunarendapunktum og markmiðum rannsóknarinnar.
2. Markerless 3D Pose Estimation
Tölvusjónarlíkön sem byggjast á gervigreindum auðkenna síðan líffærafræðileg kennileiti í myndunum sem tekin eru upp og nota þau til að meta líkamsstillingar og endurbyggja þrívíddarmynd beinagrindarinnar. Breyting á líkamsstöðu og hreyfingu einstakra líffærasvæða er fylgst með tímanum án merkja á dýrinu.
Í samanburði við einfalda virknivöktun lýsir þrívíddarstillingarmat hvernig dýr hreyfist: feril útlima, líkamsstöðubreytingar og samræmdar hreyfingar á milli líkamshluta.
Endurbyggingargæði ráðast af kvörðun myndavélarinnar, samstillingu, sýnileika líffærafræðilegra kennileita og umfangi lokunar.
3. Megindleg atferlisgreining
Þrívíddar hreyfingargögn breytast í megindlegar atferlisbreytur á fjórum stigum.
Hreyfihreyfingar
Hreyfifræði lýsir gangverki hreyfingar. Hraði, hröðun og hreyfiferill einkenna sjálfsprottna virkni og breytingar á hreyfimynstri og aðgreina grunnlínu frá aðstæðum eftir meðferð.
Staða útlima sem fylgst er með í tímans rás einkenna hreyfingu, samhæfingu og óeðlilega hreyfingu. Í taugasjúkdómalíkönum sýnir þetta stig breytingu á samhæfingu vinstri-hægri útlima, samhverfu hreyfinga, göngueiginleika og fínhreyfingar.
Þrívíddar stöðumat
Stöðumat í staðbundnum hnitum lýsir líkamsstöðu og liðum hreyfingum, sem skiptir máli fyrir hegðun sem ekin vegalengd eða tvívídd myndband getur ekki einkennt.
Sjálfvirk atferlisskipting
Atferlisþáttun auðkennir og flokkar tiltekin hegðunarástand eða atburði úr hreyfingum sem myndast á myndbandi. Það fer eftir greiningarlíkaninu og staðfestingarstöðu þess, sem nær yfir hreyfingu, snyrtingu, klóra, klifur, líkamsstöðubreytingar eða endurtekið hreyfimynstur. Sjálfvirk skipting dregur úr handvirkri vídeóendurskoðun sem stór gagnasöfn og lengdarrannsóknir myndu annars krefjast.
Þrepin fjögur eru viðbót, ekki skiptanleg: rétta samsetningin leiðir af vísindalegri spurningu, markhegðun og staðfestingarstöðu líkansins.
Umsóknir í NHP forklínískar rannsóknir
Megindleg hegðunarsvipgerð á við á lækningasviðum þar sem virknibreytingar benda til sjúkdóms eða meðferðarsvörunar.
Rannsóknir á miðtaugakerfi og taugahrörnunarsjúkdómum
Í taugasjúkdómalíkönum koma hreyfibreytingar fram sem minni hreyfing, óeðlilegt göngulag, skert samhæfing eða breytt sjálfkrafa virkni.Parkinsonsveikiog aðrir taugahrörnunarsjúkdómar breyta hreyfistjórnun smám saman og fylgst með tvíhliða handhreyfingum, útlimaferli og hreyfimynstri bætir magnbundnum endapunktum fyrir þessi frávik. Endurteknar mælingar yfir rannsóknina sýna síðan hvort hreyfigeta breytist við meðferð.
Rannsóknir á verkjum og kláða
Sársauki og kláði framleiða auðþekkjanleg hegðunarviðbrögð: klóra, breytt hreyfimynstur, breytt sjálfkrafa virkni. ÍNHP kláðarannsóknir, sjálfvirk klóragreining mælir klóratíðni, tímalengd og dreifingu í tíma og þrívíddar hreyfingargögn geta hjálpað til við að aðskilja klóra frá snyrtingu eða venjubundinni líkamshreyfingu sem notar svipaðar útlimahreyfingar.
Þessar mælingar bæta við klínískum athugunum og öðrum lyfjafræðilegum endapunktum við mat á kláðastillandi eða bólgueyðandi lyfjum.
Gang- og hreyfivirknimat
Göngugreining er bein beiting. Endurgerðir útlimaferlar og líkamsstaða við hreyfingu sýna breytingar á samhverfu hreyfinga, samhæfingu og göngueiginleikum. Vegna þess að engin merki eru fest, er hreyfing skráð við náttúrulegar aðstæður sem eru hannaðar fyrir rannsóknina. Endurtekið mat á hreyfivirkni í taugasjúkdómalíkönum og rannsóknum á virkni bata er þar sem þetta skiptir mestu máli.
Langsniðshegðunarsvipgerð
Hegðunarbreyting er ekki alltaf einangraður atburður. Í sumum gerðum þróast breytt sjálfkrafa virkni, könnun, endurteknar hreyfingar eða dreifing hegðunarástands smám saman. Lengd myndbandsupptaka með sjálfvirkri greiningu ber saman hegðunarmynstur yfir rannsóknartímabil og meðferðaraðstæður, þar á meðal hvernig hreyfingar dreifast, hvernig virknimynstur breytast og hvernig endurtekin hegðun breytist með tímanum.
Túlkun þarf að taka tillit til skráningaraðstæðna, grunnvirkni, aðlögunar dýra og annarra orsaka breytileika í hegðun.
Innleiðing gervigreindrar atferlisgreiningar í Prisys NHP rannsóknum
Hjá Prisys Biotech er gervigreind-knúin þrívíddarsvipgerðarsvipgerð felld inn í lyfjafræðirannsóknir sem ekki eru mannlegar prímata sem viðbótarmat á virkni.
Aðaláherslan okkar er hönnun og framkvæmd NHP in vivo rannsókna: dýraundirbúningur, rannsóknarsértæk hegðunarmatsáætlun, hönnun upptökuaðferða, myndbandsöflun og samþættingu hegðunarmælinga við aðra lyfjafræðilega endapunkta. Fyrir gervigreindargreininguna sjálfa, samhæfir Prisys sérhæfða tölvusjón og þrívíddaratferlisgreiningartækni í samræmi við kröfur hvers rannsóknaráætlunar.
Verkflæðið tengir námshönnun við fjölsýnismyndbandsupptöku, þrívíddarhreyfingarendurbyggingu og megindlega atferlisgreiningu, þannig að hegðunarmælingar eru lesnar í samhengi við dýralíkanið, meðferðaraðstæður og markmið rannsóknarinnar.
Ekki er greint frá hegðunarútlestri í einangrun. Vísindalegt gildi þeirra fer eftir því hversu vel valdar mælingar passa við svipgerð sjúkdómsins og lyfjafræðilegu spurninguna. Þar sem við á, sitja hegðunarendapunktar við hlið lyfjahvarfa/PD gagna,klínísk myndgreining, lífeðlisfræðilegar mælingar og meinafræðilegt mat til að styðja við fyllri mat á svörun lyfja í NHP módelum.
Aðferðafræðileg sjónarmið: Löggilding og námshönnun
AI-knún atferlisgreining opnar nýja mælingarmöguleika, en úttak hennar eru ekki sjálfkrafa staðfestir lyfjafræðilegir endapunktar.
Hegðunarsértæk staðfesting
Gervigreind líkan er metið út frá skilgreindum tilvísunarskýringum, þar með talið myndbandshlutum sem hafa verið skoðaðir af mönnum þar sem það er til staðar. Staðfesting miðar að þeirri hegðun sem skiptir máli fyrir rannsóknina, vegna þess að mikil heildarframmistaða í stellingu mælir ekki með nákvæmri viðurkenningu á hverjum hegðunarflokki. Að greina almennar hreyfingar útlima er ekki það sama og að greina klóra og snyrtingu og hver markhegðun þarf skilgreiningu og eigin flokkunargögn um frammistöðu.
Upptökustillingar
Myndavélarfyrirkomulag, samstilling, lýsing, upptökuumhverfi og staðsetning dýra hafa öll áhrif á myndgæði. Ekki er gert ráð fyrir að líkan sem er stillt undir einni upptökuuppsetningu virki eins við mismunandi aðstæður: breytingar á rúmfræði myndavélar, eiginleika dýra eða upptökuumhverfi krefjast viðbótar kvörðunar og staðfestingar.
Lokun og gagnagæði
Lokun á sér stað þegar líkami dýrsins, búrbyggingar eða aðrir hlutir fela líkamshluta, sem dregur úr áreiðanleika stellingarmats í einstökum ramma. Gagnagæðamat nær því yfir mælingaröryggi, kennileiti sem vantar og hlutfall nothæfs upptökutíma.
Skilgreining á hegðunarendapunkti
Markhegðunarendapunkturinn er skilgreindur áður en rannsóknin hefst: hvað telst hegðunaratburður, hvernig atburðir eru taldir, hvaða athugunartímabil skipta máli og hvernig mælingarnar sem verða túlkaðar verða túlkaðar. Flókin hegðun og sjúkdómssértækar svipgerðir þarf að útkljá þetta fyrirfram, vegna þess að sjálfvirk flokkun þessarar hegðunar krefst viðbótar líkanauppsetningar og staðfestingar.
AI-afleiddar mælingar nýtast best í þýðingarvinnu þegar þær eru vísindalega skilgreindar, hægt að endurtaka og túlka ásamt öðrum viðeigandi endapunktum.
Hlutverk megindlegrar svipgerðargreiningar í þýðingarlyfjaþróun
AI-knún 3D atferlissvipgerð bætir við aðferð til að rannsaka virknibreytingar hjá prímötum sem ekki eru menn. Samstillt myndbandsupptaka, marklaus stellingarmat og sjálfvirk hegðunargreining færa útlestur framhjá einföldum athöfnum í átt að hreyfingu, líkamsstöðu, samhæfingu og valin hegðunarmynstur.
Fyrir miðtaugakerfið, sársauka og önnur meðferðarsvæði þar sem hagnýt niðurstaða skiptir máli, bæta þessar mælingar við staðfesta lyfjafræðilega og lífeðlisfræðilega endapunkta.
Hjá Prisys er megindlegt atferlismat hluti af víðtækara NHP þýðingarrannsóknarferli. Það sem ber vísindalegt vægi er tengslin milli vandlega hönnuðrar tilraunar í lífi og hegðunarmælingar sem er líffræðilega þýðingarmikil og rétt staðfest.
Síðari greinar í þessari röð fjalla um tiltekin forrit, þar á meðal sjálfvirka klóragreiningu, tvíhliða hreyfisamhæfingu, merkjalausa göngugreiningu, hegðunarmat á lengd og samþættingu hegðunargagna við aðra lyfjafræðilega endapunkta.
Skoðaðu umsóknaröðina
Þessi grein setur fram aðferðafræðilegan grunn. Eftirfarandi greinar skoða hvernig nálgunin á við um sérstakar NHP rannsóknarspurningar:
- Sjálfvirk viðurkenning á klórahegðun í Cynomolgus Macaques. Að mæla kláðatengda hegðunarendapunkta með 3D stellingarmati og hreyfigreiningu.
- Bilateral Motor Coordination Assessment in NHP Models. Að meta hreyfingar vinstri-hægri og hagnýtra hreyfifrávika.
- Merkjalaus þrívíddargöngugreining hjá prímötum sem ekki eru menn. Einkenni hreyfingar, feril útlima og samhæfingu hreyfinga.
- Lengdbeðinn svipgerð og staðalmyndafræðileg atferlisgreining. Fylgst með breytingum á virknimynstri og endurtekinni hegðun þvert á námsaðstæður.
- Að samþætta gervigreind atferlisgreiningu við NHP lyfjafræði. Að tengja hegðunarendapunkta við PK/PD, myndgreiningu, lífeðlisfræðilegt eftirlit og aðrar þýðingarmælingar.
Megindleg hegðunarsvipgerðargreining styður hönnun á fróðlegri NHP forklínískum rannsóknum.
Um Prisys Biotech
Prisys Biotech sérhæfir sig í sjúkdómslíkönum sem ekki eru úr mönnum prímata, forklínískri lyfjafræði og þýðingarrannsóknum. Getu þess nær yfir verkunarmat í lífi, atferlismat, klíníska myndgreiningu og samþættar lyfjafræðilegar rannsóknir fyrir lyfja- og líftæknifyrirtæki. Fyrir rannsóknarsamstarf eða NHP rannsóknahönnun fyrirspurnir, hafðu sambandbd@prisysbiotech.com.
