动物行为的观察实验，是一项需要极度耐心与时间的工作。为此，目前已有许多运用AI的行为解析工具问世，动物行为解析的效率得到了飞速提升。然而，这类工具大多通过追踪骨骼等信息来推断行为，一旦画面里的动物相互重叠等、部分身体被遮挡，解析的精度及速度就会大幅下降。
AI工具“YORU”概要（供图：名古屋大学）
左：名古屋大学研究生院理学研究科山之内勇斗博士生；右：该校上川内梓教授（供图：名古屋大学）
名古屋大学研究生院理学研究科博士生山之内勇斗、田中良弥讲师、上川内梓教授，与该校研究生院创药科学研究科的竹内辽介助教等人组成的研究团队，开发出了一款可直接解析动物展现特定行为时的姿态、外观与形态特征的AI动物行为解析工具“YORU”。上川内教授表示：“哪怕是复杂的行为，只要人眼能够分辨，系统就能学习并完成解析。我们已把这款工具以开源形式免费公开（https://kamikouchi-lab.github.io/YORU_doc/），希望供广大科研人员使用。”该研究成果已发表在期刊《Science Advances》上。
要研究动物行为的内在机制，就必须对各类行为进行单独的解析与量化。YORU应用了机器学习算法中的一类——目标检测技术，不仅可完成既往工具难以实现的、伴有复杂动作的交配、理毛等行为的解析，还实现了对多个体同时发生相互作用的社会性行为的精准、快速解析。此外，通过实时解析功能与投影光学系统的结合，该系统可精准靶向锁定展现出特定行为的个体，并成功实现了对其神经活动的操控。
山之内博士生表示：“只需从视频里选定要解析的行为，截取几十到数百帧包含该行为的画面进行训练，系统就能识别对应行为。哪怕动物相互重叠，只要人眼能凭外观分辨清楚，系统就能以90%以上的精度完成区分。”
实验中，该系统成功实现了对8只果蝇的求爱与交配行为、6只蚂蚁的营养交换行为，以及斑马鱼定向行为的高精度检测。同时，研究团队还利用光遗传学技术，开展了果蝇神经活动操控实验。
果蝇的单翅伸展，是雄蝇求爱时展开并振动单侧翅膀的行为。雌蝇听到由该动作产生的、被称为“求爱歌”的声音后，交配接受度会提升。由此，研究团队开展了一项实时检测雄蝇的单翅伸展行为，并在动作发生的瞬间通过光遗传学手段对控制翅膀伸展的神经元活动进行抑制的实验。
研究团队通过YORU对相机拍摄的画面帧进行实时解析，并根据翅膀伸展的检测结果控制光照——雄蝇伸展翅膀后立即照射光线，由此观察到雄蝇翅膀伸展的频率随神经元的抑制而下降，并确认其交配率也同步降低。由此表明，求爱歌被抑制会引发交配行为的抑制。
此外，为了在多个体共存的场景中，实现对应每个个体行为的个体选择性光刺激，研究团队还集成了投影仪光源控制模块。使用该模块，团队开展了一项在检测到雄性单翅伸展的瞬间，对雌性施加聚光灯式光照的实验。实验中使用的是经基因操作，可通过光照抑制其初级听觉神经元的雌蝇。其结果显示，系统成功实现了依据雄性单翅伸展行为对雌性进行选择性光照，使其交配率下降。
由此，研究团队证实了通过运用YORU，可在检测到特定行为的瞬间对特定个体的神经活动进行操控。
山之内博士生表示：“直到两年前，我仍在尝试用现有方法做行为解析，但进展不顺利，于是转变了解析思路，不再基于骨骼，而是从外观入手。我以日语‘夜（yoru）’为灵感，将工具命名为YORU，取其可在夜间自动完成解析的寓意。该工具可大幅降低观察工作的负担，期待其能被应用于社会性行为等相关研究领域。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science Advances
论文：YORU: animal behavior detection with object-based
approach for real-time closed-loop feedback
DOI：10.1126/sciadv.adw2109
