Translational Psychiatry丨3D-AI 行为学技术解析帕金森病小鼠的自发行为异常
帕金森病（Parkinson’s Disease, PD）是一种以黑质致密部（SNc）多巴胺（DA）神经元丢失为特征的神经退行性疾病。MPTP模型因其能够可靠地模拟黑质-纹状体通路的多巴胺能退行性变，成为研究PD病理机制和药物筛选的重要工具。传统行为测试（如旷场实验、转棒实验和平衡木实验）常用于识别PD模型的运动异常，但因依赖主观判断且操作繁琐，其可靠性和可扩展性受限。 近年来，人工智能技术发展为行为分析带来了革命性突破。通过机器学习算法，研究人员能够精确量化动物行为的细微变化，从而揭示传统方法难以检测的细微行为特征。最新的一篇论文，系统地研究了 PD 模型小鼠的精细行为差异。
2025 年 4 月 3 日，中国科学院深圳先进技术研究院刘雪梅、蔚鹏飞 研究团队和南方医科大学王万山 团队合作，在Translational Psychiatry 发表了题为"Subtle behavioral alterations in the spontaneous behaviors of MPTP mouse model of Parkinson’s disease"的研究论文。本研究通过3D多视角行为捕捉与先进的机器学习技术，精准捕捉到MPTP帕金森病模型小鼠的自发行为差异，发现PD小鼠的站立（Rearing）、行走（Walking）、弓背（Hunching）等行为出现异常，为帕金森病动物模型构建与疗效评估提供了高灵敏度的行为学工具。
1 MPTP模型小鼠的自发行为异常
MPTP注射后一周，研究人员利用多视角摄像头结合机器学习技术对小鼠行为进行分析，将其分类为 40 个行为亚型（图 1A–C）。通过比较各行为亚型的时间占比（即运动分数）发现，与对照组相比，MPTP 模型组小鼠（5/9）和对照组呈现明显不同的聚类分布（图 1D）。具体来言，与对照组相比，MPTP 模型组小鼠的三种行为动作占比显著降低 —— 站立行为（Rearing）、行走行为（Walking）及弓背行为（Hunching） （图 1E–G）。进一步分析表明，MPTP 组小鼠站立和弓背行为的发生频率显著下降，但单次行为的持续时间无显著变化（图 1H–K）。上述结果表明，MPTP模型小鼠出现了自发行为异常 。
02 站立、弓背行为与黑质致密部多巴胺能神经元数量的相关性
免疫荧光结果表明，MPTP 组小鼠黑质致密部（SNc）的酪氨酸羟化酶阳性（TH+）多巴胺能神经元数量显著减少，而腹侧被盖区（VTA）未见明显变化，这一结果与PD的病理特征一致（图 2A-D）。鉴于 MPTP 组小鼠 SNc 区 TH+ 神经元的明显丢失，研究人员进一步探索了行为学改变与神经元数量的相关性。结果表明，SNc 区 TH+ 神经元数量与站立、弓背行为动作占比及发生频率呈强相关性，但与行走行为无显著关联 （图 2E, F）。综上，SNc 区多巴胺能神经元数量与站立、弓背行为之间存在显著相关性。
03 MPTP模型小鼠的多项运动学指标显著升高
研究人员应用机器学习算法对小鼠身体关键点进行追踪并分析，结果表明，与对照组相比，MPTP 小鼠的多项运动学指标显著升高 （图 3A），这与自发行为中观察到的多动表型高度吻合。身体中心点速度的概率分布函数分析进一步证实了上述升高趋势（图 3B）。基于运动学特征的聚类分析显示，5/9 的 MPTP 小鼠被明确聚为同一组别，提示 MPTP 小鼠出现了独特的多动行为模式 （图 3C）。具体而言，MPTP 小鼠表现出四肢运动速度加快及运动强度增加的特征（图 3D–G）。
04 MPTP模型小鼠的行为偏侧化改变
PD 患者临床上常呈现运动不对称的典型症状，因此研究人员深入探究 MPTP 模型小鼠中是否存在类似的表现。结果显示，相较于左后爪，MPTP 模型小鼠右后爪的运动强度呈现出显著升高的趋势 ，而在对照组中没有观察到上述运动偏侧化特征（图 3H）。为了对行为偏侧化进行更为精确的量化分析，本研究针对肢体及爪部运动设计并计算了偏侧指数（Bias Index, BI），发现对照组和 MPTP 模型组小鼠仅在后爪的偏侧指数上存在显著差异 ，表明MPTP 处理能够导致小鼠行为偏侧化发生明显改变（图 3I）。身体骨架热图进一步证实了 MPTP 小鼠模型中存在持续的右侧偏侧化倾向（图 3J、K）。综上所述，与对照组相比，MPTP 模型小鼠表现出行为偏侧化改变 。
05 黑质致密部（SNc）而非腹侧被盖区（VTA）TH+ 神经元靶向清除显著影响站立相关行为
已有研究表明，MPTP 腹腔注射可能通过影响外周递质系统导致行为改变。为排除非脑区特异性神经元损伤的可能性，本研究采用 DAT-Cre 品系小鼠，通过向 SNc 或 VTA 区域注射 AAV2-Flex-taCasp3-TEVP 病毒载体，诱导靶向性 TH+ 神经元清除。免疫荧光染色结果显示，SNc 清除组小鼠 SNc 区 TH+ 神经元数量显著减少，VTA 清除组小鼠 VTA 区 TH+ 神经元数量显著减少，证实了靶向清除的特异性（图 4A–F）。
与对照组相比，SNc 清除组小鼠表现出独特的行为模式 （图 4G, H），其攀爬行为显著减少，而 VTA 清除组未出现该变化（图 4I）。进一步分析显示，上述行为改变与 SNc 区 TH+ 神经元数量有明显的相关性，表明黑质致密部 TH+ 神经元特异性调控攀爬行为 ，而 VTA 区域未观察到此类相关性（图 4J, K）。
06 黑质致密部TH+神经元清除明显影响运动功能及行为偏侧化
为明确特定脑区神经元丢失对运动功能的影响，本研究追踪小鼠 16 个身体关键点并分析 39 个运动学参数。结果表明，与对照组相比，SNc 清除组小鼠大多数运动学参数显著降低，而 VTA 清除组未出现显著变化 （图 5A）。身体中心点速度的概率分布函数分析进一步确认了上述差异（图 5B）。
基于运动学特征的聚类分析显示，4/6 的 SNc 清除组小鼠被明确聚为同一组别（图 5C）。具体而言，SNc 清除组小鼠表现出四肢运动速度及运动强度均低于对照组（图 5D–G）。SNc 和 VTA 清除组后爪均表现出偏侧化趋势（图 5H）。与对照组相比，SNc 清除组小鼠前肢、前爪及后爪的偏侧指数（BI）显著升高，提示 SNc 区多巴胺能神经元丢失导致行为偏侧化改变 （图 5I）。相反，与对照组相比，VTA 清除组小鼠的偏侧化特征无明显差异。综上，黑质致密部 TH+ 神经元清除明显影响运动功能及行为偏侧化。
07 总结
本研究基于 3D 多视角行为捕捉系统与机器学习算法，对 MPTP 帕金森病模型小鼠的自发行为特征进行了量化分析。研究揭示，黑质致密部（SNc）多巴胺（DA）神经元数量与后肢站立（rearing）、行走（walking）及弓背（hunching）行为的发生频率降低和持续时间缩短呈显著相关。站立行为作为多巴胺能神经元健康的关键标志物具有重要意义，该行为频率的降低与黑质致密部多巴胺能神经元的丢失呈强相关性，为监测PD的进展提供了有价值的行为标志物。总之，上述精细行为表型（如站立行为减少及运动偏侧化）为 PD 的早期诊断、动物模型构建及药物疗效评估提供了高灵敏度的行为标志物 。
08 BAYONE 助力科研
值得一提的是，该研究论文特别致谢了一湾生命科技（BAYONE）公司，以及一湾生命科技 CTO 黄康博士和算法组组长陈可，感谢他们为该工作提供的重要技术支持 。
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BehaviorAtlas 3D-AI 动物行为分析系统是国内首家3D-AI精细行为学分析系统，可以在三维层面分析动物的精细行为；追踪16+个身体点，实现行为全面量化；提取40+种行为亚型，包括嗅探、梳理、跳跃等行为；计算100+种参数，捕捉动物行为的每一个细节；输出专业级可视化图表，满足SCI论文发表要求 。目前，BehaviorAtlas 3D-AI 动物行为分析系统已经在大、小鼠、非人灵长类动物、犬类等模式动物上，针对自闭症、帕金森症、抑郁症、老年痴呆、脑出血等疾病模型以及精神类药物筛选上进行了多种应用。在此，我们也感谢 BehaviorAtlas 的用户对我们系统的关注和支持，希望 BehaviorAtlas 能够帮助更多的科研人员去解答生命科学中的难题。如果您希望深入了解其在动物行为研究中的应用，我们非常欢迎您进一步探索！
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参考文献：
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Zhong H, Lu K, Wang L, Wang W, Wei P, Liu X. Subtle behavioral alterations in the spontaneous behaviors of MPTP mouse model of Parkinson’s disease. Translational psychiatry. 2025;15(1):119. Published 2025 Apr 3. doi:10.1038/s41398-025-03312-8
