Perilaku adalah titik akhir fungsional dalam penelitian praklinis, khususnya dalam ilmu saraf, penelitian nyeri, dan penyakit neurodegeneratif. Penggerak, postur, koordinasi anggota tubuh, aktivitas spontan, dan pola perilaku tertentu semuanya berubah seiring perkembangan penyakit dan paparan obat.
Pengembangan obat sistem saraf pusat (SSP).tergantung pada pembacaan fungsional tersebut. Penilaian perilaku pada primata non-manusia (NHPs) masih sulit dilakukan dengan baik. Praktik tradisional mengandalkan observasi langsung, tinjauan video manual, dan penilaian berdasarkan pengalaman. Metode-metode ini tetap menjadi tulang punggung banyak rancangan penelitian, dan lambat, rentan terhadap variabilitas antar-pengamat, dan terlalu kasar untuk peristiwa yang tidak kentara atau berdurasi pendek.
Kemajuan dalam kecerdasan buatan (AI) dan visi komputer telah membuka jalan yang berbeda. Akuisisi video multi-tayangan yang tersinkronisasi, estimasi pose 3D tanpa penanda, dan analisis perilaku otomatis kini mengekstrak gerakan dan postur dari perilaku hewan yang terjadi secara alami.
Untuk studi NHP, fenotip perilaku 3D yang didukung AI menambahkan pembacaan fungsional pada observasi klinis konvensional, pengukuran farmakokinetik/farmakodinamik (PK/PD), pencitraan, dan titik akhir farmakologis lainnya.
Jawaban Singkat: Apa Itu Fenotip Perilaku 3D yang Didukung AI?
Fenotip perilaku 3D yang didukung AI menggunakan video multi-kamera yang disinkronkan dan estimasi pose berbasis AI untuk merekonstruksi pergerakan hewan dalam ruang tiga dimensi. Ini mengukur kinematika gerakan, koordinasi anggota tubuh, postur, gaya berjalan, dan pola perilaku yang dipilih tanpa melampirkan penanda pelacakan fisik pada hewan. Dalam penelitian NHP, pendekatan ini menambahkan tujuan fungsional longitudinal pada evaluasi obat praklinis.
Mengapa Penilaian Perilaku Konvensional Memiliki Keterbatasan
Observasi perilaku telah lama digunakan untuk mengevaluasi fungsi neurologis, fenotip penyakit, dan respon obat pada penelitian pada hewan. Keterbatasan muncul ketika diperlukan pengukuran yang detail dan berulang.
Penilaian perilaku manual bergantung pada kriteria observasi yang telah ditentukan dan pengalaman peneliti atau dokter hewan terlatih. Perbedaan dalam frekuensi observasi, interpretasi penilaian, dan penilaian individu menimbulkan variabilitas antara pengamat dan antar titik waktu studi.
Resolusi temporal adalah kendala kedua. Pengamatan yang dilakukan pada interval yang telah ditentukan melewatkan peristiwa singkat atau terputus-putus, sehingga episode garukan singkat, kelainan sementara pada gerakan anggota tubuh, atau perubahan kecil dalam aktivitas spontan terjadi di antara jendela observasi.
Analisis video dua dimensi merekam lebih banyak tetapi menyelesaikan lebih sedikit. Ini cenderung melaporkan parameter sederhana seperti total jarak pergerakan dan tingkat aktivitas keseluruhan, dan tidak memisahkan lintasan anggota tubuh individu, perubahan postur tiga dimensi, atau gerakan yang melibatkan beberapa bagian tubuh sekaligus.
Penangkapan gerakan berbasis penanda membawa informasi kinematik yang lebih kaya, dengan mengorbankan perangkat keras pada hewan. Penanda reflektif atau alat pelacak menambah penanganan, dan dalam beberapa lingkungan eksperimental, alat tersebut mengganggu pergerakan alami atau pemantauan selama berminggu-minggu.
Keterbatasan ini mendorong berkembangnyaanalisis perilaku 3D tanpa penanda, yang memasangkan observasi video dengan rekonstruksi gerakan yang dibantu AI.
Cara Kerja Analisis Perilaku 3D Tanpa Penanda yang Didukung AI
Fenotip perilaku 3D menggabungkan akuisisi video multi-tayangan, visi komputer, estimasi pose berbasis pembelajaran mendalam, dan analisis data perilaku. Sistem tanpa penanda mengidentifikasi penanda anatomi langsung dari gambar video, bukan mengandalkan penanda reflektif yang dipasang pada hewan.
1. Akuisisi Video Multi-Tayangan Tersinkronisasi
Perekaman diutamakan, dengan beberapa kamera diposisikan di sekitar lingkungan perekaman tertentu. Dalam konfigurasi akuisisi NHP disajikan di kamiwebinar teknis, empat kamera tersinkronisasi ditempatkan di sekitar tempat perekaman dan menangkap pemandangan hewan yang bergerak bebas secara tumpang tindih.
Tumpang tindih adalah intinya. Sebuah kamera tidak dapat melihat setiap gerakan dari segala arah, dan bagian tubuh tidak terlihat ketika hewan tersebut berbalik, memanjat, berinteraksi dengan objek, atau mengubah postur. Perekaman tersinkronisasi memungkinkan gambar dari berbagai sudut dianalisis bersama dan menyediakan informasi spasial yang dibutuhkan rekonstruksi tiga dimensi.
Posisi kamera, pencahayaan, lingkungan perekaman dan prosedur observasi mengikuti titik akhir perilaku yang diinginkan dan tujuan penelitian.
2. Estimasi Pose 3D Tanpa Penanda
Model visi komputer berbasis AI kemudian mengidentifikasi penanda anatomi dalam gambar yang direkam dan menggunakannya untuk memperkirakan konfigurasi tubuh dan membangun kembali representasi kerangka tiga dimensi. Perubahan postur dan pergerakan masing-masing wilayah anatomi dilacak dari waktu ke waktu tanpa penanda pada hewan.
Dibandingkan dengan pemantauan aktivitas sederhana, estimasi pose 3D menggambarkan cara hewan bergerak: lintasan anggota badan, transisi postur, dan gerakan terkoordinasi antar bagian tubuh.
Kualitas rekonstruksi bergantung pada kalibrasi kamera, sinkronisasi, visibilitas landmark anatomi, dan tingkat oklusi.
3. Analisis Perilaku Kuantitatif
Data pergerakan tiga dimensi diubah menjadi parameter perilaku kuantitatif di empat tingkat.
Kinematika Gerak
Kinematika gerak menggambarkan dinamika gerak. Kecepatan, percepatan dan lintasan pergerakan mencirikan aktivitas spontan dan perubahan pola lokomotor, dan memisahkan kondisi dasar dari kondisi pasca perawatan.
Posisi Anggota Badan dan Pelacakan Gaya Berjalan
Posisi anggota tubuh yang dilacak dari waktu ke waktu menjadi ciri penggerak, koordinasi, dan kelainan motorik. Pada model penyakit neurologis, level ini menunjukkan perubahan koordinasi ekstremitas kiri-kanan, simetri gerakan, karakteristik gaya berjalan, dan performa motorik halus.
Estimasi Pose Tiga Dimensi
Estimasi pose dalam koordinat spasial menggambarkan postur tubuh dan gerakan sendi, yang penting untuk perilaku yang tidak dapat dikarakterisasi oleh jarak tempuh atau video dua dimensi.
Segmentasi Perilaku Otomatis
Segmentasi perilaku mengidentifikasi dan mengklasifikasikan keadaan atau peristiwa perilaku tertentu dari gerakan yang diturunkan dari video. Bergantung pada model analitik dan status validasinya, yang mencakup penggerak, perawatan, garukan, pendakian, transisi postur, atau pola gerakan berulang. Segmentasi otomatis memotong tinjauan video manual yang diperlukan oleh kumpulan data besar dan studi longitudinal.
Keempat level tersebut saling melengkapi, tidak dapat dipertukarkan: kombinasi yang tepat muncul dari pertanyaan ilmiah, perilaku target, dan status validasi model.
Aplikasi dalam Penelitian Praklinis NHP
Fenotip perilaku kuantitatif berlaku di seluruh area terapeutik di mana perubahan fungsional menunjukkan respons penyakit atau pengobatan.
Penelitian Penyakit SSP dan Neurodegeneratif
Dalam model penyakit neurologis, perubahan motorik muncul sebagai berkurangnya gerakan, gaya berjalan tidak normal, gangguan koordinasi, atau perubahan aktivitas spontan.penyakit parkinsondan kondisi neurodegeneratif lainnya mengubah kontrol motorik secara progresif, dan melacak pergerakan tangan bilateral, lintasan ekstremitas, dan pola lokomotor menambah titik akhir kuantitatif untuk kelainan tersebut. Pengukuran berulang selama penelitian kemudian menunjukkan apakah kinerja motorik berubah seiring dengan pengobatan.
Penelitian Nyeri dan Pruritus
Nyeri dan pruritus menghasilkan respons perilaku yang dapat dikenali: menggaruk, mengubah pola gerakan, mengubah aktivitas spontan. Di dalamStudi pruritus NHP, analisis garukan otomatis mengukur frekuensi garukan, durasi, dan distribusi temporal, dan data gerakan tiga dimensi dapat membantu memisahkan garukan dari perawatan atau gerakan tubuh rutin yang menggunakan gerakan anggota tubuh serupa.
Pengukuran ini melengkapi observasi klinis dan titik akhir farmakodinamik lainnya dalam evaluasi kandidat anti-pruritus atau anti-inflamasi.
Penilaian Fungsi Kiprah dan Motorik
Analisis gaya berjalan adalah aplikasi langsung. Lintasan anggota badan dan postur tubuh yang direkonstruksi selama penggerak menunjukkan perubahan simetri gerakan, koordinasi dan karakteristik gaya berjalan. Karena tidak ada penanda yang dipasang, pergerakan dicatat dalam kondisi naturalistik yang dirancang untuk penelitian. Penilaian fungsi motorik berulang dalam model penyakit neurologis, dan dalam studi pemulihan fungsional, adalah hal yang paling penting.
Fenotip Perilaku Longitudinal
Perubahan perilaku tidak selalu merupakan peristiwa yang terisolasi. Dalam beberapa model, perubahan aktivitas spontan, eksplorasi, gerakan berulang, atau distribusi keadaan perilaku berkembang secara bertahap. Akuisisi video longitudinal dengan analisis otomatis membandingkan pola perilaku di seluruh periode penelitian dan kondisi perawatan, termasuk bagaimana distribusi gerakan, bagaimana pola aktivitas berubah, dan bagaimana perilaku berulang berubah seiring waktu.
Interpretasi harus mempertimbangkan kondisi pencatatan, aktivitas dasar, adaptasi hewan, dan sumber variabilitas perilaku lainnya.
Menerapkan Analisis Perilaku Bertenaga AI dalam Studi Prisys NHP
Di Prisys Biotech, fenotip perilaku 3D yang didukung AI dimasukkan ke dalam studi farmakologi primata non-manusia sebagai penilaian fungsional tambahan.
Fokus utama kami adalah desain dan pelaksanaan penelitian NHP in vivo: persiapan hewan, perencanaan penilaian perilaku khusus studi, desain protokol perekaman, akuisisi video, dan integrasi pengukuran perilaku dengan titik akhir farmakologis lainnya. Untuk analisis yang dibantu AI, Prisys mengoordinasikan visi komputer khusus dan teknologi analisis perilaku 3D sesuai dengan kebutuhan setiap program penelitian.
Alur kerjanya menghubungkan desain penelitian dengan perekaman video multi-tayangan, rekonstruksi gerakan tiga dimensi, dan analisis perilaku kuantitatif, sehingga pengukuran perilaku dibaca dalam konteks model hewan, kondisi perawatan, dan tujuan penelitian.
Pembacaan perilaku tidak dilaporkan secara terpisah. Nilai ilmiahnya bergantung pada seberapa cocok pengukuran yang dipilih dengan fenotip penyakit dan pertanyaan farmakologis. Jika memungkinkan, titik akhir perilaku ditempatkan berdampingan dengan data PK/PD,pencitraan klinis, pengukuran fisiologis dan penilaian patologis untuk mendukung evaluasi respons obat yang lebih lengkap dalam model NHP.
Pertimbangan Metodologis: Validasi dan Desain Studi
Analisis perilaku yang didukung AI membuka opsi pengukuran baru, namun keluarannya tidak secara otomatis divalidasi sebagai titik akhir farmakodinamik.
Validasi Khusus Perilaku
Model AI dievaluasi berdasarkan anotasi referensi yang ditentukan, termasuk segmen video yang ditinjau oleh manusia jika tersedia. Validasi menargetkan perilaku yang relevan dengan penelitian, karena kinerja pelacakan pose yang tinggi secara keseluruhan tidak menghasilkan pengenalan yang akurat untuk setiap kategori perilaku. Mendeteksi pergerakan anggota tubuh secara umum tidak sama dengan membedakan menggaruk dan merawat, dan setiap perilaku target memerlukan definisi operasional dan data kinerja klasifikasinya sendiri.
Konfigurasi Perekaman
Pengaturan kamera, sinkronisasi, pencahayaan, lingkungan perekaman, dan posisi hewan semuanya memengaruhi kualitas video. Model yang dikonfigurasikan dalam satu pengaturan perekaman tidak diasumsikan berfungsi sama dalam kondisi berbeda: perubahan geometri kamera, karakteristik hewan, atau lingkungan perekaman memerlukan kalibrasi dan validasi tambahan.
Oklusi dan Kualitas Data
Oklusi terjadi ketika tubuh hewan itu sendiri, struktur kandang, atau objek lain menyembunyikan bagian tubuh, sehingga mengurangi keandalan estimasi pose dalam masing-masing bingkai. Oleh karena itu, penilaian kualitas data mencakup pelacakan keyakinan, landmark yang hilang, dan proporsi waktu perekaman yang dapat digunakan.
Definisi Titik Akhir Perilaku
Target titik akhir perilaku ditentukan sebelum penelitian dimulai: apa yang dianggap sebagai peristiwa perilaku, bagaimana peristiwa dihitung, periode observasi mana yang relevan, dan bagaimana pengukuran yang dihasilkan akan diinterpretasikan. Perilaku kompleks dan fenotipe spesifik penyakit perlu diselesaikan terlebih dahulu, karena klasifikasi otomatis atas perilaku tersebut memerlukan konfigurasi dan validasi model tambahan.
Pengukuran yang diturunkan dari AI paling berguna dalam pekerjaan translasi ketika pengukuran tersebut didefinisikan secara ilmiah, dapat direproduksi, dan diinterpretasikan bersama dengan titik akhir lain yang relevan.
Peran Fenotipe Perilaku Kuantitatif dalam Pengembangan Obat Translasional
Fenotip perilaku 3D yang didukung AI menambahkan metode untuk mempelajari perubahan fungsional pada primata non-manusia. Akuisisi video tersinkronisasi, estimasi pose tanpa penanda, dan analisis perilaku otomatis memindahkan pembacaan melampaui hitungan aktivitas sederhana terhadap gerakan, postur, koordinasi, dan pola perilaku yang dipilih.
Untuk SSP, nyeri, dan area terapeutik lainnya yang memerlukan hasil fungsional, pengukuran ini melengkapi titik akhir farmakologis dan fisiologis yang telah ditetapkan.
Di Prisys, penilaian perilaku kuantitatif adalah bagian dari alur kerja penelitian translasi NHP yang lebih luas. Yang memiliki bobot ilmiah adalah hubungan antara eksperimen in vivo yang dirancang dengan cermat dan pengukuran perilaku yang bermakna secara biologis dan tervalidasi dengan baik.
Artikel selanjutnya dalam seri ini mencakup aplikasi spesifik, termasuk pengenalan garukan otomatis, koordinasi motorik bilateral, analisis gaya berjalan tanpa penanda, penilaian perilaku longitudinal, dan integrasi data perilaku dengan titik akhir farmakologis lainnya.
Jelajahi Seri Aplikasi
Artikel ini menguraikan landasan metodologis. Artikel berikut membahas bagaimana pendekatan ini diterapkan pada pertanyaan penelitian NHP yang spesifik:
- Pengenalan Perilaku Menggaruk Otomatis pada Kera Cynomolgus. Mengukur titik akhir perilaku terkait pruritus dengan estimasi pose 3D dan analisis gerakan.
- Penilaian Koordinasi Motorik Bilateral dalam Model NHP. Mengevaluasi lintasan gerak kiri-kanan dan kelainan fungsional motorik.
- Analisis Kiprah 3D Tanpa Penanda pada Primata Non-Manusia. Mengkarakterisasi penggerak, lintasan anggota badan dan koordinasi gerakan.
- Analisis Fenotip Perilaku Longitudinal dan Perilaku Stereotip. Memantau perubahan pola aktivitas dan perilaku berulang di seluruh kondisi studi.
- Mengintegrasikan Analisis Perilaku AI dengan Farmakologi NHP. Menghubungkan titik akhir perilaku dengan PK/PD, pencitraan, pemantauan fisiologis, dan pengukuran translasi lainnya.
Fenotip perilaku kuantitatif mendukung desain studi praklinis NHP yang lebih informatif.
Tentang Prisys Biotek
Prisys Biotech berspesialisasi dalam model penyakit primata non-manusia, farmakologi praklinis, dan penelitian translasi. Kemampuannya mencakup evaluasi kemanjuran in vivo, penilaian perilaku, pencitraan klinis, dan studi farmakologi terintegrasi untuk perusahaan farmasi dan bioteknologi. Untuk kolaborasi penelitian atau pertanyaan desain studi NHP, hubungibd@prisysbiotech.com.
Bacaan Terkait
Prisys Berkontribusi Pada Studi Ilmu Saraf Alam Tentang Farmakologi Psikedelik Dan Respon Perilaku
