基于动物行为的神经精神药物评价方法

1、汇报人：李思迪李思迪日 期：2014-04-282014-04-28基于动物行为的神经精神药物基于动物行为的神经精神药物评价方法应用前景评价方法应用前景page01前言前言 1 情绪功能行为研究方法情绪功能行为研究方法2全自动步态分析系统全自动步态分析系统4 认知功能行为评价方法认知功能行为评价方法 3主要内容主要内容 基于动物行为的神经精神药物评价方法应用的市场前景基于动物行为的神经精神药物评价方法应用的市场前景5 神经精神类疾病已成为当今世界最常见的一种疾病，并正以较快速度增长，成为严重威胁人类健康和影响社会安定的重要因素。目前世界上有4亿人在遭受精神和神经疾病的痛苦或社会心理问题的折磨，

2、目前我国精神疾病患者总数已超过1亿，居世界首位，重症精神疾病患者人数更是高达1600万人。科学研究仪器和检测方法的水平与同时代的科学技术水平密不可分，是衡量一个国家科技综合实力的重要标志之一。拥有具自主知识产权和核心技术、达国际先进水平的科学研究设备和检测方法，将主导世界科学研究的话语权。前前 言言动物行为学是揭示动物活动规律，探索动物与其环境之间的关系，探讨动物调节行为、适应环境的起点起点。表面效度，结构效度和预测效度，表面效度即动物模型的症状表现与相应疾病的症状具有高度的相似性。情绪行为情绪行为、认知行为认知行为和和运动感觉运动感觉行为评价方法行为评价方法揭示神经功能内在机制、神经精神疾病

3、发病机制、药物疗效评价及作用机制具有重要意义。一、情绪功能行为研究方法一、情绪功能行为研究方法1.1.强迫游泳强迫游泳抑郁、焦虑、疲劳抑郁、焦虑、疲劳硬件实物图 国内外现有方式采用人工、视频、传感，对于攀爬行为攀爬行为采用采用人工计数或录像回放计数。 本系统采用视频+传感技术。 不动时间、攀爬次数攀爬次数/ /时间时间/ /强度，评价指标为强度，评价指标为1818个。个。 支持时段分析。 可供进行统计分析、图表绘制和各种打印输出的数据格式。自主研发自主研发国内外国内外采集技术 张力传感人工、视频、传感、热敏动物挣扎强度判定可通过能量值对动物挣扎强度进行定量分析。特点更高的稳定性，不受环境温度及

4、动物状态的影响；较视频具有更高的灵敏性和准确性抑郁抑郁3.3.空场仪器空场仪器抑郁、镇静安神抑郁、镇静安神特点：密闭、稳定的环境；实时检测分析站立次数分区；分区（边缘区、中央区）；预置了四组可拆装的圆台位置，可用于各种模式的检测；完善了参考记忆（定航5天）、工作记忆工作记忆模式，总共可提取包括潜伏期、总游程、时间/游程百分比及中央区和周边区时间/游程百分比等3131项指标项指标；增加了温控补偿系统温控补偿系统，保证实验温度的均衡稳定；增加了双色背景双色背景实验操作环境，适应不同毛色动物实验。二、认知功能行为评价方法二、认知功能行为评价方法1.Morris 1.Morris 圆形水迷宫系统圆形水

5、迷宫系统2.2.跳台跳台 可调节的弹簧和螺杆装置，实现跳台、红外感应器高度可调，适应不同体重实验动物的要求。 分箱控制、避免过度刺激，适应动物伦理需要。 增加了“第一次跳下平台时间、安全区/错误区时间”新指标。跳台检测分析处理系统跳台检测分析处理系统学习记忆学习记忆3.3.避暗仪器避暗仪器动物避暗计算机自动分析处理系统动物避暗计算机自动分析处理系统 模拟自然实验环境 摄像技术 智能化的实验模式、实验控制方式灵活 具有可扩展性（明箱箱） 准确存储、处理活动信息，可同时提取明、暗两室的图像 评价指标体系客观规范、多层面、敏感度高（运动路程和速度、明室近口区时间）明室近口区时间）4.4.穿梭穿梭抑郁

6、、学习记忆抑郁、学习记忆模拟自然环境模拟自然环境各种刺激和条件各种刺激和条件信号自动控制信号自动控制评价指标体系评价指标体系客客观规范、多层面、观规范、多层面、敏感度高敏感度高（运动（运动路程和速度、明路程和速度、明室近口区时间）室近口区时间）穿梭实时图像和穿梭实时图像和运动轨迹实时跟运动轨迹实时跟踪踪视频截图视频截图复杂操作任务下认知功能全封闭模拟自然实验环境奖赏物质（固体食物/液体）给予数量和速度智能控制三色信号灯（蓝/黄/红）组合，避免噪音干扰操作杠自动伸缩，便于不同模式转换首次结合视频轨迹监测多路样本控制（4）、基于奖赏效应的操作条件反射分析系统、基于奖赏效应的操作条件反射分析系统学习

7、记忆、成瘾学习记忆、成瘾实验模式实验模式指标参数指标参数奖赏训练奖赏训练次数踏板次数、鼻触次数和奖赏次数时间潜伏期速度信号反应潜伏期, SRL操作训练操作训练（单次、（单次、2 2次、次、4 4次）次）反应比率, RR偶然操作潜伏期，CLP操作反应间隔时间, iris奖赏概率(LP/NP, R/LP, R/LP)信号辨识信号辨识（单色次、双色、（单色次、双色、三色）三色）刺激信号操作潜伏期刺激信号鼻触潜伏期错误信号操作潜伏期错误信号鼻触潜伏期信号消退信号消退奖赏概率(LP/NP, R/LP, R/LP)错误操作次数操作潜伏期鼻触潜伏期实验模式和评价指标实验模式和评价指标物体认知实验特点物体认知

8、实验特点检测指标检测指标啮齿类动物天生对新奇事物啮齿类动物天生对新奇事物的探索天性的探索天性不需对动物进行任何正向不需对动物进行任何正向（糖）和反向（电击）刺激，（糖）和反向（电击）刺激，不需要进行冗长的训练，可靠性高、精细不需要进行冗长的训练，可靠性高、精细敏感的学习记忆，敏感的学习记忆，可可研究研究记忆过程的记忆过程的不同不同阶段阶段（习得、巩固和再现）（习得、巩固和再现）用于自发状态下的学习记忆用于自发状态下的学习记忆功能评价功能评价潜伏期：动物首次接触物体的时间潜伏期：动物首次接触物体的时间接触物体次数接触物体次数接触物体的时间接触物体的时间辨别指数辨别指数：（：（探索新物体与探索熟悉

9、物体时间探索新物体与探索熟悉物体时间的比值）的比值）6.6.物体认知测试分析系统物体认知测试分析系统学习记忆学习记忆 设备硬件设备硬件彩色摄像头彩色 色 色PVC材料磁铁封闭实验箱体，确保实验环境的稳定物体认知实验行为学方法的主要种类物体认知实验行为学方法的主要种类新奇物体认知实验行为学方法新奇物体认知实验行为学方法（novel object recognition test)动物对新奇物体的探索比对熟悉物体动物对新奇物体的探索比对熟悉物体的探索更多的探索更多物体位置识别行为学方法（物体位置识别行为学方法（the object-place recognition test)对变换位置的熟悉物体

10、探索多，而对对变换位置的熟悉物体探索多，而对位置不变的熟悉物体探索少位置不变的熟悉物体探索少物体情景识别行为学方法（物体情景识别行为学方法（the object-context recognition test)对变换了情景的熟悉物体探索增加对变换了情景的熟悉物体探索增加时序记忆行为学方法（时序记忆行为学方法（the temporal order memory task)动物对早先熟悉的物体探索增加，而动物对早先熟悉的物体探索增加，而对新近熟悉的物体探索减少对新近熟悉的物体探索减少物体认知方法的优势物体认知方法的优势 1.采用封闭箱体进行实验，减少外部因素干扰，方便实现光照条件的稳定和均一，为

11、软件自动提取动物精细嗅探行为提供保障； 2.在很短的时间内能够同时完成多个活动样本的准确识别，可以实时监测并记录样本头部特别是口鼻部对物体的行为活动，从而高效又客观的提取实验结果； 3.实验指标分层次，多样化，可以从路程、时间、次数不同方面对样本认知功能进行评价，为筛选针对性的敏感指标提供可能，突破了实验指标的单一性，增加了实验结果的可靠性和准确性。 1.1.步态分析系统硬件步态分析系统硬件1视频采集分析计算视频采集分析计算机机3高速摄像机高速摄像机4足迹增强板足迹增强板2老鼠步行跑道老鼠步行跑道5背景增强装置背景增强装置步态分析系统硬件结构布局图步态分析系统硬件结构布局图三、全自动三、全自动

12、步态分析系统步态分析系统 运动功能运动功能步态分析系统硬件步态分析系统硬件设计亮点设计亮点步态分析系统实物图步态分析系统实物图视 频 浏览 工 具栏视 频 分析 工 具栏视频主显示区域老 鼠 躯 干 指标 信 息 显 示区域老 鼠 四 肢 提取 位 置 信 息显示区域老 鼠 四 肢 提取 局 部 图 像显示区域老 鼠 掌 面 施力 分 布 三 位显示区域老 鼠 步 迹 图显示区域四 肢 最 大 强度 信 息 显 示区域步 序 信 息 显示区域四 肢 最 大 面积 信 息 显 示区域2.2.步态分析系统软件步态分析系统软件步迹分离增强子模块步迹分离增强子模块针对红绿蓝三通道数据，根据其显著性自动

13、剔除其中针对红绿蓝三通道数据，根据其显著性自动剔除其中信噪比较低的通道，利用差图像法和信噪比较低的通道，利用差图像法和QTSU二值化算法，实现自动识别并二值化算法，实现自动识别并提取动物的四肢足迹区域；提取动物的四肢足迹区域；（核心算法）（核心算法）降噪子模块降噪子模块主要利用滤波算法，降低因为光线变化引起的足迹提取误差；主要利用滤波算法，降低因为光线变化引起的足迹提取误差；（提高稳定性）（提高稳定性）虚假目标剔除子模块虚假目标剔除子模块主要是对于老鼠行走过程中引起的虚假目标（如老鼠主要是对于老鼠行走过程中引起的虚假目标（如老鼠粪便等）进行剔除；粪便等）进行剔除； （提高智能化程度）（提高智能

14、化程度）时序跟踪子模块和聚类分析子模块时序跟踪子模块和聚类分析子模块主要是对单帧提取的足迹区域，先进行主要是对单帧提取的足迹区域，先进行聚类，然后根据时序关系自动识别左右前后四个爪子，并进行标记，为下聚类，然后根据时序关系自动识别左右前后四个爪子，并进行标记，为下一帧分析提供依据；一帧分析提供依据； （提高自动化程度）（提高自动化程度）指标类别指标类别指标名称指标名称指标类别指标类别指标名称指标名称步态距离相关指标步幅时间相关指标步行周期前肢步宽支撑时长后肢步宽摆动时长左侧步基 制动时长 右侧步基制动指数压力相关指标足迹最大强度 推进时长 足迹平均强度推进指数平均足迹面积 单支撑时相 足迹最大

15、面积双支撑时相 体态相关指标平均体转角三支撑时相 体转角标准偏差四支撑时相平均轴向移动摆动时相 平均侧向移动支撑时相轴向移动标准偏差同源协调性侧向移动标准偏差 同侧协调性速度相关指标步行速度 对侧协调性瞬时速度 在国内首次自主研发成功建立了全自动大、小鼠步态分析系统，并且有在国内首次自主研发成功建立了全自动大、小鼠步态分析系统，并且有一些关键技术一些关键技术在国内外在国内外为首次实现。将以往无法用人工观察或手动测量的步态行为表现精确高效的为首次实现。将以往无法用人工观察或手动测量的步态行为表现精确高效的“可视化可视化”，提出，提出了更加灵敏、可靠的、了更加灵敏、可靠的、新的步态指标新的步态指标

16、（见下表），可为更加细致高效地观察不同程度疾病模型（见下表），可为更加细致高效地观察不同程度疾病模型动物的行为异常，以及更加快速地评价药物的有效性提供技术保障。动物的行为异常，以及更加快速地评价药物的有效性提供技术保障。目前国外步态仪器所涉及指标目前国外步态仪器所涉及指标本系统新建的指标本系统新建的指标步行周期足迹平均强度制动时长 支撑时长同源协调性制动指数摆动时长同侧协调性推进时长 单支撑时相 对侧协调性推进指数双支撑时相 步行速度 平均体转角三支撑时相 摆动速度 体转角标准偏差四支撑时相步幅平均轴向移动摆动时相 前肢步宽平均侧向移动支撑时相后肢步宽轴向移动标准偏差平均足迹面积 左侧步基 侧

17、向移动标准偏差 足迹最大面积 右侧步基 足迹最大强度 3.3.步态分析系统应用实例步态分析系统应用实例脑缺血脑缺血热射病热射病睡眠干扰睡眠干扰急性期（急性期（1-7d）中期（中期（21d）中后期中后期（42d）急性期急性期（1d）中期（中期（7d）中后期中后期（21d）急性期急性期（2d）中期（中期（5-10d）中后期（中后期（15d）步速步速- - - -步行周期步行周期- - - - -步幅步幅- - - - - -前肢步宽前肢步宽- - - - - - - - -后肢步宽后肢步宽- - - - - - - - -平均侧向移动距离平均侧向移动距离- - - - - - -侧向移动标准偏差侧

18、向移动标准偏差- - - - - - - -平均体转角平均体转角- - - - - - - -平均体转角标准偏差平均体转角标准偏差- - - - - - -双支撑时相双支撑时相- - - - - -三支撑时相三支撑时相- - - - - -推进时长推进时长- - - -三种疾病模型步态实验结果三种疾病模型步态实验结果注：注：显著上升；：显著上升；：显著下降；：显著下降；- -：无统计学意义。：无统计学意义。三种不同动物模型在疾病不同阶段步态行为变化主要异同点比三种不同动物模型在疾病不同阶段步态行为变化主要异同点比较较非人灵长类动物行为学检测方法的研究非人灵长类动物行为学检测方法的研究可自动分析

19、动物休息、摄食、社会交流、运动、争斗、交配等行为。 雌性食蟹猴昼夜间各雌性食蟹猴昼夜间各行为时间分配行为时间分配休息指个体未发生位移持续5S以上(包括坐、躺、悬挂等)；摄食指个体用前爪收集食物以及进食过程；社会交流是指两个或两个以上的个体进行理毛、玩耍等行为；运动是指个体产生了一臂以上位移的行为；争斗是指个体与其他个体间的打斗(包括攻击和被攻击)；交配指与异性个体间发生的性行为。非人灵长类动物行为记录分析系统非人灵长类动物行为记录分析系统 社会行为和运动行为减少是抑郁症模型成功建立的重要表面效度，能够模拟临床抑郁症中的兴趣减低和精神运动性迟滞这两个典型症状。直立身体、回降身体 向左走、向右走

20、吃、喝、咀嚼 清理身体、排尿 垂直悬吊、偎着笼子悬吊 垂直降落 跳跃、转动、转圈 睡觉、痉挛、觉醒 挖掘、找寻粮食 嗅、闻 间歇停顿、伸懒腰非人灵长类动物智能行为分析方法非人灵长类动物智能行为分析方法 利用目前先进的摄像技术和专业的智能化图像软件分析技术，结合动物行为学研究人员的大量经验，研制客观、准确、智能化的动物精细行为分析系统，建立在笼养状态下猴子的行为谱，对于研究药物研究、高级认知功能和脑功能与影像等课题深入，显得十分重要。 生物节律 神经性舞蹈症 朊病毒病 狂躁症 疾病过程观察 遗传研究 毒理学研究 进食/饮水研究 肥胖/代谢疾病研究 慢性/自发疼痛研究 运动缺陷研究 衰老研究 身体

21、进入百分率 研究与食欲、消化系统的关系时，关注动物摄食行为； 研究与情绪功能的关系时，关注自主活动行为规律； 研究与疼痛发生的关系时，关注痉挛或间歇停顿等异常行为； 研究与睡眠的关系时，关注入睡和觉醒等行为。应用前景应用前景 PD动物模型表现出上肢运动变得迟缓，爪抓取食物时出现不稳、吃力、灵活度下降。 主要评价指标：前肢运动速度、抓取食物时间非人灵长类动物上肢精细运动检测系统非人灵长类动物上肢精细运动检测系统 猕猴愤怒郁怒面部表情识别系统可以抛开人为主观因素，对猕猴模型进行客观的评价。非人灵长类动物面部表情模式识别系统非人灵长类动物面部表情模式识别系统 大动物眼动跟踪系统 一种独特的方法，可用

22、客观，自动化的方式来研究和量化注视模式及眼球运动方式,增加了数据的可靠性和降低了变异性。 大动物触屏认知系统 在大动物认知检测中最为常见。可用于操作性学习记忆及决策能力等的监测。 非人灵长类动物触屏认知和眼动跟踪系统非人灵长类动物触屏认知和眼动跟踪系统非人灵长类动物步态分析系统非人灵长类动物步态分析系统 恒河猴脊髓损伤后6周，一侧膝、踝关节活动的角度变化范围小于另一侧，由此可客观准确定量的评价动物脊髓损伤后修复的情况，对此方面研究具有重要意义。动物行为学实验研究方法特点动物行为学实验研究方法特点准确可靠采集、识别各种动物精细行为信息。准确可靠采集、识别各种动物精细行为信息。实时视频跟踪技术实时

23、视频跟踪技术/ /红外感应红外感应技术技术/ /传感等技术，动态获取并保存动物各种行为（学习记忆、抑郁、焦虑）传感等技术，动态获取并保存动物各种行为（学习记忆、抑郁、焦虑）作业的时间、位置、速度、状态和路程的作业的时间、位置、速度、状态和路程的多维信息和活动图像多维信息和活动图像；多种阈值；多种阈值分割、位置信息滤波、动物质心面积计算等方法相结合分割、位置信息滤波、动物质心面积计算等方法相结合剔除噪声干扰剔除噪声干扰。精细敏感、分层次的神经行为及药效指标评价体系。精细敏感、分层次的神经行为及药效指标评价体系。获取带时间座标轴的获取带时间座标轴的多维运动信息，在将神经药理学家长期积累的经验智能化

24、的基础上，借助多维运动信息，在将神经药理学家长期积累的经验智能化的基础上，借助数据挖掘等信息技术，在获取传统指标的基础上，建立了分层次、比现有数据挖掘等信息技术，在获取传统指标的基础上，建立了分层次、比现有传统行为药理研究更为精细敏感的药效指标评价体系。传统行为药理研究更为精细敏感的药效指标评价体系。全程高自动化、智能化系统。全程高自动化、智能化系统。集动物各种行为作业信号的识认和分析、采集功能于一体；自动控制动物不同行为作业中的各种训练模式和条件刺激，同时对系统运行状态、动物活动图像及活动轨迹实时监测；设置不同背景选项，满足不同颜色动物品系的实验需要；利用保存的多维参数，组合出多种满足不同需

25、求的表达方式的实验结果，极大的提高了实验的自动化程度，最大限度地减少人工处理。具自主知识产权。具自主知识产权。打造打造具有强大的原始创新能力原始创新能力的开发平台，并大幅抑制昂贵进口产品的数量和价格。 获得国家专利获得国家专利7 7项项 国家支撑计划、国家自然科学基金、中医药国际合国家支撑计划、国家自然科学基金、中医药国际合作计划重大新药创制等项目资助课题作计划重大新药创制等项目资助课题1010多项多项 在国内外发表学术论文在国内外发表学术论文4040余篇，余篇，SCISCI文章文章2020余篇余篇 先后被多家国内外中药先后被多家国内外中药/ /草药新药研发机构应用草药新药研发机构应用 建立了

26、航天医学动物行为学实验基地，列为航天医建立了航天医学动物行为学实验基地，列为航天医学基础与应用国家重点室的主要研究方向学基础与应用国家重点室的主要研究方向 与多个国家的科学家建立了稳定的合作关系。与多个国家的科学家建立了稳定的合作关系。目前，目前，2929人人因神经科学重大发现获得诺贝尔奖，因神经科学重大发现获得诺贝尔奖，3 3位位是行为学科学家是行为学科学家新仪器新方法的建立本身具有很高的学术价值（新仪器新方法的建立本身具有很高的学术价值（nature methodnature method，IF=23IF=23）神经生物学新机制的发现神经生物学新机制的发现神经系统疾病新动物模型建立神经系统

27、疾病新动物模型建立神经系统疾病发病新机制的发现神经系统疾病发病新机制的发现药物或环境化合物新的神经毒性作用发现药物或环境化合物新的神经毒性作用发现药物或环境化合物神经毒性发生新机制的发现药物或环境化合物神经毒性发生新机制的发现四、基于动物行为的神经精神药物评价方法学术价值四、基于动物行为的神经精神药物评价方法学术价值随着经济迅猛发展，公众精神压力过大，社会进入老龄化，精神疾病发病率提升，已经成为全球性问题。美国九十年代初的统计结果，65岁以上的人患老年痴呆占百分之11，每年消耗1131亿美元，精神疾病每年消耗351亿，脊柱损伤消耗226亿，中风消耗179亿，癫痫和多发性侧束硬化消耗55亿，总计

28、近20002000亿亿美元。目前中国各类精神类疾病患者达到1亿人以上，其中重度患者超过1600万人，70%的患者未得到有效治疗。精神疾病的社会负担已经超过心脑血管、肿瘤等疾病，成为社会负担最重的疾病类别。四、基于动物行为的神经精神药物评价方法应用的市场前四、基于动物行为的神经精神药物评价方法应用的市场前景景由于精神及神经系统疾病多发，复发率非常高，需要长期治疗和定期服药，药物消耗量大，并且有将近70%患者未得到有效的治疗，我国中枢神经药物市场较去年同比增长约30%。2012年市场规模将超230亿人民币，到2020年甚至将至少超过1000亿人民币。全球精神疾病用药已经超过360 亿美元，占药品销

29、售总额的5%。 神经药理也推出了大部分心血管药物，治疗呼吸系统和消化系统的药物，所以世界上传统药物工业起家的大药厂，靠神经药理为基础的占了很大比重，迄今仍是药物工业主力。目前，世界范围内166个国家1848所医学院校。全国普通高校一共1553所。其中，有近百所近百所主流的医学院校。还有数十家国家或省部级生命科学或生物医学的科研院所机构。每所科每所科研单位可能均至少需要一个较为完备的整体动物神经行为研究研单位可能均至少需要一个较为完备的整体动物神经行为研究评价平台（仪器购置），或有大量相关的课题研究任务（外包评价平台（仪器购置），或有大量相关的课题研究任务（外包实验服务）实验服务）美国神经科学研

30、究投入的经费相当于美国神经科学研究投入的经费相当于数学、物理和化学总和数学、物理和化学总和，当年投入是人类，当年投入是人类基因组计划的基因组计划的1010倍倍，日本近些年拟投入，日本近些年拟投入2 2万亿万亿日元，是其日元，是其“超级钢材计划超级钢材计划”1010倍倍。 为了抢占中国市场，国际中枢神经制药巨头也将目标锁定中国超过1亿患者，频频出手。礼来近年在全球裁员14%，却扩充礼来中国一倍员工人数；葛兰素史克升级中国研发中心为其全球神经科学研究总部，主导其全球范围内的神经类药物研发活动；丹麦灵北制药2011年在上海设立亚洲首个研发中心，11月又在天津落成亚洲的首个生产厂。制药企业的每个研发部制药企业的每个研发部门均或大量采购设备或大量药物筛选实验外包服务门均或大量采购设备或大量药物筛选实验外包服务目前研究人员普遍遇到的困难目前研究人员普遍遇到的困难1.1. 行为评价是医学动物模型和药物评价必备的研究方面，但行为评价是医学动物模型和药物评价必备的研究方面，但购买先进仪器的经费不足或仪器采购经费比例有限，且采购周购买先进仪器的经费不足或仪器采购经费比例有限，且采购周期较长，严重制约神经精神疾病机制及新药创研速度期较长，严重制约神经精神疾病机制及新药创研速度2.2.完善行为学实验研究需要完善行