《Cell》Mapping the Landscape of Social Behavior：解析动物社交行为的奥秘

　　

探索动物社交行为的神秘世界：新技术揭示药物与疾病的影响

在动物的世界里，社交行为丰富多彩，从亲密的互动到群体的协作，这些行为不仅反映了它们的内部状态和目标，还在进化、生态和神经生物学等方面发挥着关键作用。然而，长期以来，科学家们在研究动物社交行为时面临着诸多挑战。以往的研究手段，无论是手动对视频记录进行评分，还是自动跟踪动物的位置和方向，都存在着明显的局限性。手动评分既耗费人力又缺乏一致性，自动跟踪则难以捕捉到社交行为的细微变化和多样性。特别是在研究自闭症谱系障碍（ASD）等神经发育障碍相关的社交行为时，这些传统方法无法准确地描述和分析行为特征，使得我们对这些疾病的理解和治疗受到了极大的限制。

为了突破这些困境，来自哈佛大学和杜克大学的研究人员开展了一项具有开创性的研究。他们致力于开发一种能够高精度、全面地研究动物社交行为的新技术，以揭示药物和疾病对社交行为的影响机制，为神经科学和医学领域的研究提供重要依据。这项研究成果发表在《Cell》杂志上，引起了广泛的关注。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术。首先是社交深度神经网络动物姿态估计（social-DANNCE，s-DANNCE）技术，它基于深度学习，能够实现对动物全身 3D 姿态的高分辨率跟踪，有效解决了动物在社交互动中身体遮挡和部位分配的难题。其次，通过构建行为地图，将动物的行为进行分类和量化，从个体行为到社交互动行为，再到社交触摸，实现了多尺度的行为分析。此外，研究人员还利用了多种算法和模型，如卷积神经网络（CNN）、图神经网络（GNN）和半监督学习算法等，对大量的行为数据进行处理和分析。在样本队列方面，研究涵盖了多种实验动物，包括大鼠和小鼠，其中大鼠包含了七个单基因自闭症大鼠品系 ，小鼠则选用了常用于社交行为研究的 BALB/c 和 C57BL/6 品系。

下面来看看具体的研究结果：

1. 动物 - 动物遮挡挑战 3D 姿态跟踪：在社交互动过程中，动物之间的相互遮挡是 3D 姿态跟踪面临的主要难题之一。传统的 2D 跟踪方法由于视角和深度的模糊性，会引入运动学伪影，且对身体遮挡非常敏感。研究人员通过实验发现，在自上而下和自下而上的视角中，动物身体的各个部位都存在不同程度的遮挡，尤其是在近距离社交互动时，遮挡情况更为严重。虽然理论上可以通过多摄像头 3D 跟踪来解决这些问题，但在实际应用中，现有的方法在动物近距离互动时表现不佳，容易出现 “嵌合体” 错误等问题123。

2. s-DANNCE 实现社交行为的 3D 跟踪：为了克服这些挑战，研究人员开发了 s-DANNCE 技术。该技术通过在训练过程中对解剖结构施加明确约束，并利用 GNN 模块进行骨骼感知的 3D 图像特征处理，有效减少了预测错误和解剖学不一致的问题。同时，s-DANNCE 还能够利用标记和未标记的数据进行训练，提高了模型的泛化能力。实验表明，s-DANNCE 在跟踪自由互动的大鼠时，性能优于以往的方法，能够准确地解析 “嵌合体” 错误，并且在不同的实验场景和动物物种中都具有良好的泛化性456。

3. 3D 运动学分析揭示多尺度社交表型：利用高分辨率和连续的全身 3D 运动学测量，研究人员对动物的社交行为进行了全面的量化分析。通过将行为聚类为刻板模式，他们发现了许多在社交情境下显著变化的行为模式，这些变化在传统测量中未被发现。例如，在给予大鼠安非他明（amphetamine）后，研究人员观察到动物的行为发生了显著变化，包括行为同步性的破坏、典型互动模式的改变以及社交触摸分布的变化。这些结果表明，s-DANNCE 能够捕捉到药物对社交行为的细微影响，为研究药物对神经系统的作用提供了新的视角789。

4. 二元嵌入识别跨物种的社交互动模式：研究人员开发了二元嵌入方法，用于识别反复出现的刻板社交动作模式。通过将两只动物视为一个系统，利用 3D 跟踪得到的姿势、动力学和动物间特征，该方法能够将社交行为解析为刻板的联合类或模式。通过这种方法，研究人员详细描述了安非他明对大鼠社交行为的影响，并发现了一些在传统测量中未被检测到的显著效应。此外，该方法在不同物种（如小鼠）中也具有良好的适用性，能够揭示不同品系小鼠之间的社交行为差异101112。

5. 触觉图捕捉社交触摸的全身模式：社交触摸是社交互动的重要方面，但以往的研究相对较少。研究人员通过将体积模型拟合到 3D 关键点上，自动识别社交伙伴之间的接触点，生成了 “触觉图”，用于量化社交触摸的分布和模式。研究发现，不同的社交互动模式具有不同的触摸模式，安非他明对触摸模式具有空间局部化的影响。这些结果表明，触觉图能够捕捉到社交互动中未被 3D 姿态跟踪单独解析的维度，为深入研究社交行为提供了新的手段131415。

6. 多尺度嵌入揭示 ASD 模型中的行为模式：研究人员对七个自闭症大鼠模型进行了研究，利用多尺度嵌入方法量化和分类行为，并探测社交触摸的异常情况。结果发现，这些模型在行为和社交触摸模式上存在丰富的差异，不同的基因型与独特的行为变化相关。例如，一些模型表现出社交接触减少，而另一些模型则表现出高度互动和触摸寻求的行为。这些结果为研究自闭症的发病机制提供了重要线索，也为筛选潜在的治疗靶点提供了依据161718。

研究结论和讨论部分，这项研究成果具有重要意义。s-DANNCE 技术的开发为研究动物社交行为提供了一种强大的工具，它能够实现对社交行为的高精度、多尺度分析，揭示药物和疾病对社交行为的影响，为神经科学、心理学和医学等领域的研究提供了新的视角和方法。通过对自闭症大鼠模型的研究，发现了不同基因型与社交行为变化之间的关系，这有助于深入理解自闭症的发病机制，为开发更有效的治疗方法提供了理论基础。此外，研究人员还提出了未来的研究方向，包括进一步提高 s-DANNCE 的精度和效率、整合更多的测量模态以及在更多物种中进行研究等。相信在未来，随着技术的不断进步和研究的深入，我们将对动物社交行为有更全面、更深入的理解，为解决人类相关的神经发育障碍问题提供更多的帮助。