1、基于動物行為的神經(jīng)精神藥物評價方法應用發(fā)展未來前景page01前言 1 情緒功能行為研究方法2全自動步態(tài)分析系統(tǒng)4 認知功能行為評價方法 3主要內(nèi)容 基于動物行為的神經(jīng)精神藥物評價方法應用的市場前景5 神經(jīng)精神類疾病已成為當今世界最常見的一種疾病，并正以較快速度增長，成為嚴重威脅人類健康和影響社會安定的重要因素。 目前世界上有4億人在遭受精神和神經(jīng)疾病的痛苦或社會心理問題的折磨，目前我國精神疾病患者總數(shù)已超過1億，居世界首位，重癥精神疾病患者人數(shù)更是高達1600萬人。 科學研究儀器和檢測方法的水平與同時代的科學技術(shù)水平密不可分，是衡量一個國家科技綜合實力的重要標志之一。 擁有具自主知識產(chǎn)權(quán)和核

2、心技術(shù)、達國際先進水平的科學研究設(shè)備和檢測方法，將主導世界科學研究的話語權(quán)。 前 言動物行為學是揭示動物活動規(guī)律，探索動物與其環(huán)境之間的關(guān)系，探討動物調(diào)節(jié)行為、適應環(huán)境的起點。 表面效度，結(jié)構(gòu)效度和預測效度，表面效度即動物模型的癥狀表現(xiàn)與相應疾病的癥狀具有高度的相似性。 情緒行為、認知行為和運動感覺行為評價方法揭示神經(jīng)功能內(nèi)在機制、神經(jīng)精神疾病發(fā)病機制、藥物療效評價及作用機制具有重要意義。 一、情緒功能行為研究方法1.強迫游泳抑郁、焦慮、疲勞硬件實物圖國內(nèi)外現(xiàn)有方式采用人工、視頻、傳感，對于攀爬行為采用人工計數(shù)或錄像回放計數(shù)。 本系統(tǒng)采用視頻+傳感技術(shù)。 不動時間、攀爬次數(shù)/時間/強度，評價指

3、標為18個。 支持時段分析。 可供進行統(tǒng)計分析、圖表繪制和各種打印輸出的數(shù)據(jù)格式。 自主研發(fā)國內(nèi)外采集技術(shù) 張力傳感人工、視頻、傳感、熱敏動物掙扎強度判定可通過能量值對動物掙扎強度進行定量分析。 特點更高的穩(wěn)定性，不受環(huán)境溫度及動物狀態(tài)的影響；較視頻具有更高的靈敏性和準確性抑郁3.空場儀器抑郁、鎮(zhèn)靜安神特點：密閉、穩(wěn)定的環(huán)境；實時檢測分析站立次數(shù)分區(qū)；分區(qū)（邊緣區(qū)、中央?yún)^(qū)）；預置了四組可拆裝的圓臺位置，可用于各種模式的檢測；完善了參考記憶（定航5天）、工作記憶模式，總共可提取包括潛伏期、總游程、時間/游程百分比及中央?yún)^(qū)和周邊區(qū)時間/游程百分比等31項指標；增加了溫控補償系統(tǒng)，保證實驗溫度的均衡

4、穩(wěn)定；增加了雙色背景實驗操作環(huán)境，適應不同毛色動物實驗。 二、認知功能行為評價方法1.Morris 圓形水迷宮系統(tǒng)2.跳臺可調(diào)節(jié)的彈簧和螺桿裝置，實現(xiàn)跳臺、紅外感應器高度可調(diào)，適應不同體重實驗動物的要求。 分箱控制、避免過度刺激，適應動物倫理需要。 增加了“第一次跳下平臺時間、安全區(qū)/錯誤區(qū)時間”新指標。 跳臺檢測分析處理系統(tǒng)學習記憶3.避暗儀器動物避暗計算機自動分析處理系統(tǒng)模擬自然實驗環(huán)境攝像技術(shù)智能化的實驗模式、實驗控制方式靈活具有可擴展性（明箱箱）準確存儲、處理活動信息，可同時提取明、暗兩室的圖像評價指標體系客觀規(guī)范、多層面、敏感度高（運動路程和速度、明室近口區(qū)時間）4.穿梭抑郁、學習記

5、憶模擬自然環(huán)境各種刺激和條件信號自動控制評價指標體系客觀規(guī)范、多層面、敏感度高（運動路程和速度、明室近口區(qū)時間）穿梭實時圖像和運動軌跡實時跟蹤視頻截圖復雜操作任務(wù)下認知功能全封閉模擬自然實驗環(huán)境獎賞物質(zhì)（固體食物/液體）給予數(shù)量和速度智能控制三色信號燈（藍/黃/紅）組合，避免噪音干擾操作杠自動伸縮，便于不同模式轉(zhuǎn)換首次結(jié)合視頻軌跡監(jiān)測多路樣本控制（4）、基于獎賞效應的操作條件反射分析系統(tǒng)學習記憶、成癮實驗模式指標參數(shù)獎賞訓練次數(shù)踏板次數(shù)、鼻觸次數(shù)和獎賞次數(shù)時間潛伏期速度信號反應潛伏期, SRL操作訓練（單次、2次、4次）反應比率, RR偶然操作潛伏期，CLP操作反應間隔時間, iris獎賞概率

6、(LP/NP, R/LP, R/LP)信號辨識（單色次、雙色、三色）刺激信號操作潛伏期刺激信號鼻觸潛伏期錯誤信號操作潛伏期錯誤信號鼻觸潛伏期信號消退獎賞概率(LP/NP, R/LP, R/LP)錯誤操作次數(shù)操作潛伏期鼻觸潛伏期實驗模式和評價指標物體認知實驗特點檢測指標嚙齒類動物天生對新奇事物的探索天性不需對動物進行任何正向（糖）和反向（電擊）刺激，不需要進行冗長的訓練，可靠性高、精細敏感的學習記憶，可研究記憶過程的不同階段（習得、鞏固和再現(xiàn)）用于自發(fā)狀態(tài)下的學習記憶功能評價潛伏期：動物首次接觸物體的時間接觸物體次數(shù)接觸物體的時間辨別指數(shù)：（探索新物體與探索熟悉物體時間的比值）6.物體認知測試分

7、析系統(tǒng)學習記憶 設(shè)備硬件彩色攝像頭彩色 色 色PVC材料磁鐵封閉實驗箱體，確保實驗環(huán)境的穩(wěn)定物體認知實驗行為學方法的主要種類新奇物體認知實驗行為學方法（novel object recognition test)動物對新奇物體的探索比對熟悉物體的探索更多物體位置識別行為學方法（the object-place recognition test)對變換位置的熟悉物體探索多，而對位置不變的熟悉物體探索少物體情景識別行為學方法（the object-context recognition test)對變換了情景的熟悉物體探索增加時序記憶行為學方法（the temporal order memory

8、task)動物對早先熟悉的物體探索增加，而對新近熟悉的物體探索減少物體認知方法的優(yōu)勢 1.采用封閉箱體進行實驗，減少外部因素干擾，方便實現(xiàn)光照條件的穩(wěn)定和均一，為軟件自動提取動物精細嗅探行為提供保障； 2.在很短的時間內(nèi)能夠同時完成多個活動樣本的準確識別，可以實時監(jiān)測并記錄樣本頭部特別是口鼻部對物體的行為活動，從而高效又客觀的提取實驗結(jié)果； 3.實驗指標分層次，多樣化，可以從路程、時間、次數(shù)不同方面對樣本認知功能進行評價，為篩選針對性的敏感指標提供可能，突破了實驗指標的單一性，增加了實驗結(jié)果的可靠性和準確性。 1.步態(tài)分析系統(tǒng)硬件1視頻采集分析計算機3高速攝像機4足跡增強板2老鼠步行跑道5背景

9、增強裝置步態(tài)分析系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)布局圖三、全自動步態(tài)分析系統(tǒng) 運動功能步態(tài)分析系統(tǒng)硬件設(shè)計亮點步態(tài)分析系統(tǒng)實物圖視頻瀏覽工具欄視頻分析工具欄視頻主顯示區(qū)域老鼠軀干指標信息顯示區(qū)域老鼠四肢提取位置信息顯示區(qū)域老鼠四肢提取局部圖像顯示區(qū)域老鼠掌面施力分布三位顯示區(qū)域老鼠步跡圖顯示區(qū)域四肢最大強度信息顯示區(qū)域步序信息顯示區(qū)域四肢最大面積信息顯示區(qū)域2.步態(tài)分析系統(tǒng)軟件步跡分離增強子模塊針對紅綠藍三通道數(shù)據(jù)，根據(jù)其顯著性自動剔除其中信噪比較低的通道，利用差圖像法和QTSU二值化算法，實現(xiàn)自動識別并提取動物的四肢足跡區(qū)域；（核心算法）降噪子模塊主要利用濾波算法，降低因為光線變化引起的足跡提取誤差；（提高穩(wěn)定

10、性）虛假目標剔除子模塊主要是對于老鼠行走過程中引起的虛假目標（如老鼠糞便等）進行剔除； （提高智能化程度）時序跟蹤子模塊和聚類分析子模塊主要是對單幀提取的足跡區(qū)域，先進行聚類，然后根據(jù)時序關(guān)系自動識別左右前后四個爪子，并進行標記，為下一幀分析提供依據(jù)； （提高自動化程度）指標類別指標名稱指標類別指標名稱步態(tài)距離相關(guān)指標步幅時間相關(guān)指標步行周期前肢步寬支撐時長后肢步寬擺動時長左側(cè)步基 制動時長 右側(cè)步基制動指數(shù)壓力相關(guān)指標足跡最大強度 推進時長 足跡平均強度推進指數(shù)平均足跡面積 單支撐時相 足跡最大面積雙支撐時相 體態(tài)相關(guān)指標平均體轉(zhuǎn)角三支撐時相 體轉(zhuǎn)角標準偏差四支撐時相平均軸向移動擺動時相 平

11、均側(cè)向移動支撐時相軸向移動標準偏差同源協(xié)調(diào)性側(cè)向移動標準偏差 同側(cè)協(xié)調(diào)性速度相關(guān)指標步行速度 對側(cè)協(xié)調(diào)性瞬時速度 在國內(nèi)首次自主研發(fā)成功建立了全自動大、小鼠步態(tài)分析系統(tǒng)，并且有一些關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)外為首次實現(xiàn)。 將以往無法用人工觀察或手動測量的步態(tài)行為表現(xiàn)精確高效的“可視化”，提出了更加靈敏、可靠的、新的步態(tài)指標（見下表），可為更加細致高效地觀察不同程度疾病模型動物的行為異常，以及更加快速地評價藥物的有效性提供技術(shù)保障。 目前國外步態(tài)儀器所涉及指標本系統(tǒng)新建的指標步行周期足跡平均強度制動時長 支撐時長同源協(xié)調(diào)性制動指數(shù)擺動時長同側(cè)協(xié)調(diào)性推進時長 單支撐時相 對側(cè)協(xié)調(diào)性推進指數(shù)雙支撐時相 步行速度

12、 平均體轉(zhuǎn)角三支撐時相 擺動速度 體轉(zhuǎn)角標準偏差四支撐時相步幅平均軸向移動擺動時相 前肢步寬平均側(cè)向移動支撐時相后肢步寬軸向移動標準偏差平均足跡面積 左側(cè)步基 側(cè)向移動標準偏差 足跡最大面積 右側(cè)步基 足跡最大強度 腦缺血熱射病睡眠干擾急性期（1-7d）中期（21d）中后期（42d）急性期（1d）中期（7d）中后期（21d）急性期（2d）中期（5-10d）中后期（15d）步速-步行周期-步幅-前肢步寬-后肢步寬-平均側(cè)向移動距離-側(cè)向移動標準偏差-平均體轉(zhuǎn)角-平均體轉(zhuǎn)角標準偏差-雙支撐時相-三支撐時相-推進時長-三種疾病模型步態(tài)實驗結(jié)果注：顯著上升；：顯著下降；-：無統(tǒng)計學意義。 三種不同動物

13、模型在疾病不同階段步態(tài)行為變化主要異同點比較非人靈長類動物行為學檢測方法的研究可自動分析動物休息、攝食、社會交流、運動、爭斗、交配等行為。 雌性食蟹猴晝夜間各行為時間分配休息指個體未發(fā)生位移持續(xù)5S以上(包括坐、躺、懸掛等)；攝食指個體用前爪收集食物以及進食過程；社會交流是指兩個或兩個以上的個體進行理毛、玩耍等行為；運動是指個體產(chǎn)生了一臂以上位移的行為；爭斗是指個體與其他個體間的打斗(包括攻擊和被攻擊)；交配指與異性個體間發(fā)生的性行為。 非人靈長類動物行為記錄分析系統(tǒng) 社會行為和運動行為減少是抑郁癥模型成功建立的重要表面效度，能夠模擬臨床抑郁癥中的興趣減低和精神運動性遲滯這兩個典型癥狀。 直立

14、身體、回降身體 向左走、向右走 吃、喝、咀嚼 清理身體、排尿 垂直懸吊、偎著籠子懸吊 垂直降落 跳躍、轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)圈 睡覺、痙攣、覺醒 挖掘、找尋糧食 嗅、聞 間歇停頓、伸懶腰非人靈長類動物智能行為分析方法 利用目前先進的攝像技術(shù)和專業(yè)的智能化圖像軟件分析技術(shù)，結(jié)合動物行為學研究人員的大量經(jīng)驗，研制客觀、準確、智能化的動物精細行為分析系統(tǒng)，建立在籠養(yǎng)狀態(tài)下猴子的行為譜，對于研究藥物研究、高級認知功能和腦功能與影像等課題深入，顯得十分重要。 生物節(jié)律 神經(jīng)性舞蹈癥 朊病毒病 狂躁癥 疾病過程觀察 遺傳研究 毒理學研究 進食/飲水研究 肥胖/代謝疾病研究 慢性/自發(fā)疼痛研究 運動缺陷研究 衰老研究 身

15、體進入百分率 研究與食欲、消化系統(tǒng)的關(guān)系時，關(guān)注動物攝食行為； 研究與情緒功能的關(guān)系時，關(guān)注自主活動行為規(guī)律； 研究與疼痛發(fā)生的關(guān)系時，關(guān)注痙攣或間歇停頓等異常行為； 研究與睡眠的關(guān)系時，關(guān)注入睡和覺醒等行為。 應用前景 PD動物模型表現(xiàn)出上肢運動變得遲緩，爪抓取食物時出現(xiàn)不穩(wěn)、吃力、靈活度下降。 主要評價指標：前肢運動速度、抓取食物時間非人靈長類動物上肢精細運動檢測系統(tǒng) 獼猴憤怒郁怒面部表情識別系統(tǒng)可以拋開人為主觀因素，對獼猴模型進行客觀的評價。 非人靈長類動物面部表情模式識別系統(tǒng) 大動物眼動跟蹤系統(tǒng) 一種獨特的方法，可用客觀，自動化的方式來研究和量化注視模式及眼球運動方式,增加了數(shù)據(jù)的可靠

16、性和降低了變異性。 大動物觸屏認知系統(tǒng) 在大動物認知檢測中最為常見。 可用于操作性學習記憶及決策能力等的監(jiān)測。 非人靈長類動物觸屏認知和眼動跟蹤系統(tǒng)非人靈長類動物步態(tài)分析系統(tǒng) 恒河猴脊髓損傷后6周，一側(cè)膝、踝關(guān)節(jié)活動的角度變化范圍小于另一側(cè)，由此可客觀準確定量的評價動物脊髓損傷后修復的情況，對此方面研究具有重要意義。 動物行為學實驗研究方法特點準確可靠采集、識別各種動物精細行為信息。 實時視頻跟蹤技術(shù)/紅外感應技術(shù)/傳感等技術(shù)，動態(tài)獲取并保存動物各種行為（學習記憶、抑郁、焦慮）作業(yè)的時間、位置、速度、狀態(tài)和路程的多維信息和活動圖像；多種閾值分割、位置信息濾波、動物質(zhì)心面積計算等方法相結(jié)合剔除噪

17、聲干擾。 精細敏感、分層次的神經(jīng)行為及藥效指標評價體系。 獲取帶時間座標軸的多維運動信息，在將神經(jīng)藥理學家長期積累的經(jīng)驗智能化的基礎(chǔ)上，借助數(shù)據(jù)挖掘等信息技術(shù)，在獲取傳統(tǒng)指標的基礎(chǔ)上，建立了分層次、比現(xiàn)有傳統(tǒng)行為藥理研究更為精細敏感的藥效指標評價體系。 全程高自動化、智能化系統(tǒng)。 集動物各種行為作業(yè)信號的識認和分析、采集功能于一體；自動控制動物不同行為作業(yè)中的各種訓練模式和條件刺激，同時對系統(tǒng)運行狀態(tài)、動物活動圖像及活動軌跡實時監(jiān)測；設(shè)置不同背景選項，滿足不同顏色動物品系的實驗需要；利用保存的多維參數(shù)，組合出多種滿足不同需求的表達方式的實驗結(jié)果，極大的提高了實驗的自動化程度，最大限度地減少人工

18、處理。 具自主知識產(chǎn)權(quán)。 打造具有強大的原始創(chuàng)新能力的開發(fā)平臺，并大幅抑制昂貴進口產(chǎn)品的數(shù)量和價格。 獲得國家專利7項國家支撐計劃、國家自然科學基金、中醫(yī)藥國際合作計劃重大新藥創(chuàng)制等項目資助課題10多項在國內(nèi)外發(fā)表學術(shù)論文40余篇，SCI文章20余篇先后被多家國內(nèi)外中藥/草藥新藥研發(fā)機構(gòu)應用建立了航天醫(yī)學動物行為學實驗基地，列為航天醫(yī)學基礎(chǔ)與應用國家重點室的主要研究方向與多個國家的科學家建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系。 目前，29人因神經(jīng)科學重大發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎，3位是行為學科學家新儀器新方法的建立本身具有很高的學術(shù)價值（NATURE METHOD，IF=23）神經(jīng)生物學新機制的發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)疾病新動物模

19、型建立神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病新機制的發(fā)現(xiàn)藥物或環(huán)境化合物新的神經(jīng)毒性作用發(fā)現(xiàn)藥物或環(huán)境化合物神經(jīng)毒性發(fā)生新機制的發(fā)現(xiàn)四、基于動物行為的神經(jīng)精神藥物評價方法學術(shù)價值隨著經(jīng)濟迅猛發(fā)展，公眾精神壓力過大，社會進入老齡化，精神疾病發(fā)病率提升，已經(jīng)成為全球性問題。 美國九十年代初的統(tǒng)計結(jié)果，65歲以上的人患老年癡呆占百分之11，每年消耗1131億美元，精神疾病每年消耗351億，脊柱損傷消耗226億，中風消耗179億，癲癇和多發(fā)性側(cè)束硬化消耗55億，總計近2000億美元。 目前中國各類精神類疾病患者達到1億人以上，其中重度患者超過1600萬人，70%的患者未得到有效治療。 精神疾病的社會負擔已經(jīng)超過心腦血管、腫

20、瘤等疾病，成為社會負擔最重的疾病類別。 四、基于動物行為的神經(jīng)精神藥物評價方法應用的市場前景由于精神及神經(jīng)系統(tǒng)疾病多發(fā)，復發(fā)率非常高，需要長期治療和定期服藥，藥物消耗量大，并且有將近70%患者未得到有效的治療，我國中樞神經(jīng)藥物市場較去年同比增長約30%。 2012年市場規(guī)模將超230億人民幣，到2020年甚至將至少超過1000億人民幣。 全球精神疾病用藥已經(jīng)超過360 億美元，占藥品銷售總額的5%。 神經(jīng)藥理也推出了大部分心血管藥物，治療呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)的藥物，所以世界上傳統(tǒng)藥物工業(yè)起家的大藥廠，靠神經(jīng)藥理為基礎(chǔ)的占了很大比重，迄今仍是藥物工業(yè)主力。 目前，世界范圍內(nèi)166個國家1848所醫(yī)

21、學院校。 全國普通高校一共1553所。 其中，有近百所主流的醫(yī)學院校。 還有數(shù)十家國家或省部級生命科學或生物醫(yī)學的科研院所機構(gòu)。 每所科研單位可能均至少需要一個較為完備的整體動物神經(jīng)行為研究評價平臺（儀器購置），或有大量相關(guān)的課題研究任務(wù)（外包實驗服務(wù)）美國神經(jīng)科學研究投入的經(jīng)費相當于數(shù)學、物理和化學總和，當年投入是人類基因組計劃的10倍，日本近些年擬投入2萬億日元，是其“超級鋼材計劃”10倍。 為了搶占中國市場，國際中樞神經(jīng)制藥巨頭也將目標鎖定中國超過1億患者，頻頻出手。 禮來近年在全球裁員14%，卻擴充禮來中國一倍員工人數(shù)；葛蘭素史克升級中國研發(fā)中心為其全球神經(jīng)科學研究總部，主導其全球范圍內(nèi)的神經(jīng)類藥物研發(fā)活動；丹麥靈北制藥2011年在上海設(shè)立亞洲首個研發(fā)中心，11月又在天津落成亞洲的首個生產(chǎn)廠。 制藥企業(yè)的每個研發(fā)部門均或大量采購設(shè)備或大量藥物篩選實驗外包服務(wù)目前研究人員普遍遇到的困難1. 行為評價是醫(yī)學動物模型和藥物評價必備的研究方面，但購買先進儀器的經(jīng)費不足或儀器采購經(jīng)費比例有限，且采購周期較長，嚴重制約神經(jīng)精神疾