Код и мышки: в РФ создали ИИ для анализа поведения лабораторных животных
Ученые создали программное обеспечение, которое позволяет ускорить процесс работы лаборантов и в автоматическом режиме отслеживать поведение мелких грызунов, участвующих в экспериментах. Это нейросеть, которая сама обрабатывает видеоданные и делает пометки, необходимые ученым. Сейчас ПО применяют в радиационной биологии для изучения механизмов действия ионизирующих излучений на центральную нервную систему. Однако в перспективе она может широко использоваться для доклинических исследований новых лекарств, уверены специалисты.
Грызуны науки
Коллектив Южно-Уральского государственного университета и лаборатории радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) разработал прототип интеллектуальной системы для анализа поведенческих паттернов мелких лабораторных животных. Новое программное обеспечение основано на нейросетевых алгоритмах для автоматизированной обработки видеоданных.
Программа автоматизирует рутинные операции подсчета движений крыс в экспериментах, снижает фактор субъективности при распознавании и классификации и в то же время обращает внимание на моменты, в которых требуется взгляд специалиста. Кроме этого, в будущем ПО станет частью информационной экосистемы, разрабатываемой совместно ОИЯИ, Россией и Сербией для обработки, аналитики и хранения данных.
— Программное обеспечение поможет отсечь то, что можно не анализировать, но при этом обратит внимание на критические моменты. Это инструмент, который поможет получать качественный результат в меньшие сроки, но не замена эксперта. Подсчет движений можно автоматизировать, но что-то необычное сможет обнаружить только человек, — рассказала «Известиям» координатор проекта младший научный сотрудник лаборатории радиационной биологии (ЛРБ) Инна Колесникова.
Задача разрабатываемого ПО — существенно уменьшить трудоемкость обработки данных экспериментов по изучению механизмов действия ионизирующих излучений на центральную нервную систему. Для ее решения научные сотрудники ОИЯИ и студенты ЮУрГУ применили нейросетевые подходы при подсчете поведенческих реакций крыс после облучения. Они обучили нейронную сеть на данных, полученных в экспериментах, проведенных в ЛРБ ОИЯИ.
Поведенческие тесты — неотъемлемая часть проведения экспериментов с животными. Для оценки влияния ионизирующего излучения на грызунов используется специально оборудованная комната с установками Т-лабиринт, «Открытое поле», водный лабиринт (тест Морриса) и другие.
В будущем подход машинного наблюдения за грызунами можно будет использовать и для ускорения процесса тестирования новых препаратов, так как такие эксперименты — неотъемлемая часть доклинических исследований.
Груминг и норки
Совместно с коллегами из ЮУрГУ получены первые результаты по обучению нейронной сети распознавать на видеозаписях такие паттерны, как груминг, стойки, норки. Результаты анализа предоставляются в удобном формате для хранения и проверки корректности определения поведенческих актов с возможностью их калибровки по продолжительности актов.
Груминг — форма врожденного стереотипного поведения млекопитающих и выражается в уходе за мехом. У крыс включает в себя чистку шерсти, умывание морды, почесывание. Стойки и норки — виды двигательной активности грызунов.
— Это большой пул работ. В зависимости от установки и протокола проведения эксперимента в ней видео может длиться до шести минут на одно животное. В каждом эксперименте присутствуют как минимум две группы животных: исследуемая и контрольная (по пять-шесть животных в группе минимум). Обработать такое количество видео — достаточно трудоемкая задача, — пояснила Инна Колесникова.
Планируется, что прототип ПО войдет в единую информационную систему, которую разрабатывают ЛРБ и лаборатории информационных технологий ОИЯИ совместно с научными центрами Белградского университета (Сербия). Эта система включает в себя несколько компонентов. Алгоритмический блок автоматизирует рутинные операции (например, подсчеты движений). Блок аналитики позволит сопоставлять данные по разным группам животных в экспериментах с различной продолжительностью. Третья важная составляющая системы — долговременное хранилище видеофайлов, фотоизображений и карточек экспериментов.
Программа анализа поведения мелких лабораторных животных, разработанная совместно ОИЯИ и ЮУрГУ, помимо применения в радиационной биологии для изучения механизмов действия ионизирующих излучений на центральную нервную систему может быть в перспективе широко внедрена в рутинную практику доклинических исследований при изучении действия новых лекарственных препаратов, подтвердил «Известиям» руководитель Центра доклинических испытаний НИИ «БиоТех» СамГМУ Минздрава Михаил Власов.
— В частности, интеллектуальная система визуализации и анализа поведенческих реакций автоматизирует подсчет паттернов животных, а использование программного обеспечения может способствовать усовершенствованию системы хранения и архивации полученных экспериментальных данных, что является одним из условий функционирования лабораторий, выполняющих исследования согласно нормам надлежащей лабораторной практики (GLP), — сказал специалист.
Любое ПО, если оно экономит время ученых, полезно, сказал «Известиям» научный сотрудник Института иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН Михаил Болков.
— Если оно еще и недорогое или собственное — еще лучше, — прокомментировал он. — Если же труд на его разработку и обучение больше рутинной ручной работы, то это излишне.
Прежде чем прототип станет готовым программным продуктом, ученым двух научных центров предстоит еще много совместной работы. Так, в системе необходимо спроектировать развитый графический интерфейс для пользователей и ускорить обработку медиазаписей.
