Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета в сотрудничестве с международной командой IT-специалистов впервые применили алгоритмы искусственного интеллекта (ИИ) к фенотипу реакций рыбок данио на психоактивные наркотические препараты. Исследователям также удалось обучить ИИ определять тип психотропных агентов, использовавшихся в эксперименте. Результаты своего исследования они опубликовали в журнале Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry.
Credit: public domain
Рыбка данио-рерио (Danio rerio) – вид пресноводной рыбы, который в настоящее время считается второй по популярности (после мышей и крыс) моделью, используемой в биомедицинских исследованиях. Одни из многочисленных преимуществ рыбки данио – это низкие затраты на техническое обслуживание и высокое генетическое и физиологическое сходство с людьми.
Схожесть генов этого вида с человеком составляет порядка 70%. Также простое строение нервной системы благоприятно сказывается на исследованиях, позволяя получать более точные результаты по сравнению с более сложными организмами.
В своем исследовании ученые во главе с профессором Алланом В. Калуевым, руководителем работы и заведующим лабораторией биологической психиатрии Института трансляционной биомедицины Санкт-Петербургского университета, впервые применили интеллектуальные алгоритмы на основе нейронных сетей для анализа локомоторных следов (движений) рыб данио-рерио. Они сравнили ранее полученные данные экспериментов, проводившиеся in vivo со взрослыми данио, на которых воздействовали психотропными препаратами.
В ходе своей работы ученые подвергали рыбок данио острому воздействию психотропных веществ, включая никотин, этанол, кофеин и другие. Каждое из выбранных соединений оказывает влияние на центральную нервную систему (ЦНС) и двигательные паттерны.
В исследовании использовалась сверточная нейронная сеть (CNN), специально разработанная для работы с изображениями, которая была сделана на основе кортикальной системы обработки визуальной информации мозга человека и животных. Процесс ее работы заключается в извлечении простых функций изображений, такие как градиенты или линии, а затем объединении их на следующем слое, чтобы получить более сложное представление изображения (форму).
Каждый слой CNN увеличивает сложность обрабатываемых данных, тем самым помогая извлекать нетривиальные лекарственно-специфические паттерны передвижения животных. Так, например, при воздействии кетамина заметен паттерн кругового движения рыбы (обычно вблизи поверхности воды), в то время как этанол оказывает дозозависимые двухфазные эффекты с начальной активацией и последующим затормаживанием.
«Самая сложная часть исследования состояла в том, чтобы найти оптимальные протоколы обучения ИИ и подтвердить обоснованность методов исследования, а также точность получаемых результатов. В конце концов все получилось хорошо. С теоретической точки зрения результаты исследования доказали применимость нашего подхода к ИИ для анализа поведенческих эффектов психоактивных веществ на данио. С практической точки зрения это дает нам широкие возможности для изучения новых психотропных препаратов», — отмечает профессор Калуев.
Таким образом, искусственный интеллект позволяет проводить объективный анализ биологических данных, тем самым способствуя выявлению новых общих закономерностей, которые могут быть не очевидны на первый взгляд или не доступны из общего набора данных. Также, по мнению исследователей, функциональность приложений ИИ можно улучшить с помощью уточнения и корректировки моделей нейронных сетей.
Текст: Денис Бурляй
Artificial intelligence-driven phenotyping of zebrafish psychoactive drug responses by Dmitrii V.Bozhko et al. in Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. Published January 2022.
Credit: Ingrid Lekk and Steve Wilson, University College London Сегодня у нас снимок из числа финалистов престижной премии Wellcome Image Awards 2017. Перед вами — конфокальная…
Что общего между приготовлением чашки чая и надеванием обуви? Оба действия состоят из нескольких движений подряд. Подобно языку, который состоит из слогов, сгруппированных в слова,…
Музыкальное обогащение окружающей среды у взрослых рыбок данио рерио смягчает состояние тревожности, вызванное острой социальной изоляцией. К такому выводу по результатам экспериментов пришел международный коллектив…
Флуоресцентных картинок мозга рыбки данио рерио мы публиковали сколько угодно: это животное — излюбленная модель нейробиологов, а раз любишь что-то, надо это делать красиво. Но нынешний…
На снимке вверху вы можете увидеть клетку осязательного органа, аналогов которого у человека нет. Это — так называемый орган боковой линии. На многих рыбах мы…
Credit: Kate Turner, Dr Steve Wilson. CC BY Глицин — это не только простейшая аминокислота или таблетки, которые студенты глотают в сессию в надежде прокачать свой…
Перед вами — снимок из Wellcome Collections. На нем вы видите малька данио рерио возрастом всего 24 часа. Сине-зеленым показаны глутаматергические нейроны (напомним, в мозге человека…
Фото: NIH Image Gallery он Flickr Перед вами мозг 10-дневного малька генно-модифицированной рыбки данио рерио, кровеносные сосуды которого светятся фиолетовым и эндотелиальные клетки —…
Научные сотрудники Института медицины и психологии В. Зельмана Новосибирского государственного университета в сотрудничестве с коллегами из НИИ нейронаук и медицины и рядом других исследовательских центров применили дофаминергический…
Исследователи выяснили, что фазы сна, похожие на те, которые есть у млекопитающих, наблюдаются и у рыб. Эта находка говорит о том, что механизмы «сонной» регуляции…
Илл: Dr Kara Cerveny & Dr Steve Wilson, Wellcome Images В рубрике «Картинка дня» мы не раз и не два публиковали изображения любимого модельного…
И снова перед вами — любимое животное нейробиологов, рыбка данио рерио, На сей раз трехдневный малек Zebrafish с помеченными флуоресцентными метками нейронами. Что красиво — то…