Il comportamento è un endpoint funzionale nella ricerca preclinica, in particolare nelle neuroscienze, nella ricerca sul dolore e sulle malattie neurodegenerative. La locomozione, la postura, la coordinazione degli arti, l'attività spontanea e modelli comportamentali specifici cambiano tutti con la progressione della malattia e con l'esposizione ai farmaci.
Sviluppo di farmaci nel sistema nervoso centrale (SNC).dipende da quelle letture funzionali. La valutazione comportamentale nei primati non umani (NHP) è tuttavia difficile da eseguire bene. La pratica tradizionale si basa sull'osservazione diretta, sulla revisione video manuale e sul punteggio basato sull'esperienza. Questi metodi rimangono la spina dorsale di molti progetti di studio e sono lenti, soggetti a variabilità tra osservatori e troppo grossolani per eventi sottili o di breve durata.
I progressi nell’intelligenza artificiale (AI) e nella visione artificiale hanno aperto una strada diversa. L'acquisizione video sincronizzata multi-vista, la stima della posa 3D senza marcatori e l'analisi comportamentale automatizzata ora estraggono movimento e postura dal comportamento naturale degli animali.
Per gli studi NHP, la fenotipizzazione comportamentale 3D basata sull'intelligenza artificiale aggiunge una lettura funzionale all'osservazione clinica convenzionale, alla misurazione farmacocinetica/farmacodinamica (PK/PD), all'imaging e ad altri endpoint farmacologici.
Risposta rapida: cos'è la fenotipizzazione comportamentale 3D basata sull'intelligenza artificiale?
La fenotipizzazione comportamentale 3D basata sull'intelligenza artificiale utilizza video multi-camera sincronizzati e la stima della posa basata sull'intelligenza artificiale per ricostruire il movimento degli animali nello spazio tridimensionale. Quantifica la cinematica del movimento, la coordinazione degli arti, la postura, l'andatura e i modelli comportamentali selezionati senza associare marcatori di tracciamento fisico all'animale. Nella ricerca NHP, l’approccio aggiunge endpoint funzionali oggettivi e longitudinali alla valutazione preclinica dei farmaci.
Perché la valutazione comportamentale convenzionale ha dei limiti
L’osservazione comportamentale è stata a lungo utilizzata per valutare la funzione neurologica, i fenotipi della malattia e la risposta ai farmaci negli studi sugli animali. Le limitazioni compaiono quando sono necessarie misurazioni dettagliate e ripetute.
Il punteggio comportamentale manuale dipende da criteri di osservazione predefiniti e dall'esperienza di ricercatori o veterinari qualificati. Le differenze nella frequenza di osservazione, nell'interpretazione del punteggio e nel giudizio individuale introducono variabilità tra gli osservatori e tra i punti temporali dello studio.
La risoluzione temporale è il secondo vincolo. Un'osservazione effettuata a intervalli predefiniti non rileva eventi brevi o intermittenti, pertanto un breve episodio di grattamento, un'anomalia transitoria nel movimento degli arti o un piccolo cambiamento nell'attività spontanea passano tra le finestre di osservazione.
L'analisi video bidimensionale registra di più ma risolve di meno. Tende a riportare parametri semplici come la distanza totale del movimento e il livello di attività complessivo e non separa le traiettorie dei singoli arti, il cambiamento della postura tridimensionale o i movimenti che coinvolgono più parti del corpo contemporaneamente.
L'acquisizione del movimento basata su marker trasporta informazioni cinematiche più ricche, a scapito dell'hardware sull'animale. I marcatori riflettenti o i dispositivi di localizzazione aggiungono maneggevolezza e in alcuni contesti sperimentali interferiscono con il movimento naturale o con il monitoraggio per settimane.
Queste limitazioni hanno incoraggiato lo sviluppo dianalisi comportamentale 3D senza marcatori, che abbina l'osservazione video alla ricostruzione del movimento assistita dall'intelligenza artificiale.
Come funziona l'analisi comportamentale 3D Markerless basata sull'intelligenza artificiale
La fenotipizzazione comportamentale 3D combina acquisizione video multi-vista, visione artificiale, stima della posa basata sul deep learning e analisi dei dati comportamentali. I sistemi senza marcatori identificano i punti di riferimento anatomici direttamente dalle immagini video invece di fare affidamento su marcatori riflettenti fissati sull'animale.
1. Acquisizione video multi-vista sincronizzata
La registrazione viene prima, con diverse telecamere posizionate attorno a un ambiente di registrazione definito. Nella configurazione di acquisizione NHP presentata nel nswebinar tecnico, quattro telecamere sincronizzate si trovano attorno al recinto di registrazione e catturano viste sovrapposte di un animale che si muove liberamente.
Il punto è la sovrapposizione. Una singola telecamera non può vedere ogni movimento da ogni direzione e le parti del corpo scompaiono dalla vista quando l’animale si gira, si arrampica, interagisce con oggetti o cambia postura. La registrazione sincronizzata consente di analizzare insieme immagini da diverse angolazioni e fornisce le informazioni spaziali necessarie alla ricostruzione tridimensionale.
Le posizioni della telecamera, l'illuminazione, l'ambiente di registrazione e la procedura di osservazione derivano dagli endpoint comportamentali previsti e dagli obiettivi dello studio.
2. Stima della posa 3D senza marker
I modelli di visione artificiale basati sull’intelligenza artificiale identificano quindi i punti di riferimento anatomici nelle immagini registrate e li utilizzano per stimare la configurazione corporea e ricostruire una rappresentazione scheletrica tridimensionale. Il cambiamento della postura e il movimento delle singole regioni anatomiche vengono monitorati nel tempo senza marcatori sull'animale.
Rispetto al semplice monitoraggio dell’attività, la stima della posa 3D descrive come si muove un animale: traiettorie degli arti, transizioni posturali e movimento coordinato tra le parti del corpo.
La qualità della ricostruzione dipende dalla calibrazione della fotocamera, dalla sincronizzazione, dalla visibilità dei punti di riferimento anatomici e dall'entità dell'occlusione.
3. Analisi comportamentale quantitativa
I dati di movimento tridimensionali si convertono in parametri comportamentali quantitativi su quattro livelli.
Cinematica del movimento
La cinematica del movimento descrive la dinamica del movimento. Velocità, accelerazione e traiettoria del movimento caratterizzano l'attività spontanea e i cambiamenti nel modello locomotore e separano il basale dalle condizioni post-trattamento.
Posizione degli arti e monitoraggio dell'andatura
Le posizioni degli arti monitorate nel tempo caratterizzano la locomozione, la coordinazione e le anomalie motorie. Nei modelli di malattie neurologiche questo livello mostra cambiamenti nella coordinazione degli arti sinistro-destro, nella simmetria del movimento, nelle caratteristiche dell'andatura e nelle prestazioni motorie.
Stima della posa tridimensionale
La stima della posa in coordinate spaziali descrive la postura del corpo e il movimento articolare, che è importante per comportamenti che la distanza percorsa o il video bidimensionale non possono caratterizzare.
Segmentazione comportamentale automatizzata
La segmentazione comportamentale identifica e classifica specifici stati comportamentali o eventi dal movimento derivato dal video. A seconda del modello analitico e del suo stato di convalida, ciò copre la locomozione, la pulizia, il graffio, l'arrampicata, le transizioni posturali o i modelli di movimento ripetitivi. La segmentazione automatizzata elimina la revisione video manuale che altrimenti richiederebbero set di dati di grandi dimensioni e studi longitudinali.
I quattro livelli sono complementari, non intercambiabili: la giusta combinazione deriva dalla domanda scientifica, dal comportamento target e dallo stato di validazione del modello.
Applicazioni nella ricerca preclinica NHP
La fenotipizzazione comportamentale quantitativa si applica a tutte le aree terapeutiche in cui il cambiamento funzionale indica una risposta alla malattia o al trattamento.
Ricerca sul sistema nervoso centrale e sulle malattie neurodegenerative
Nei modelli di malattie neurologiche, il cambiamento motorio si manifesta come movimento ridotto, andatura anormale, coordinazione compromessa o attività spontanea alterata.La malattia di Parkinsone altre condizioni neurodegenerative alterano progressivamente il controllo motorio e il monitoraggio del movimento bilaterale della mano, della traiettoria degli arti e del modello locomotore aggiunge endpoint quantitativi per tali anomalie. Misurazioni ripetute nel corso dello studio mostrano quindi se le prestazioni motorie cambiano con il trattamento.
Ricerca sul dolore e sul prurito
Il dolore e il prurito producono risposte comportamentali riconoscibili: grattarsi, cambiamenti negli schemi di movimento, alterazione dell'attività spontanea. InStudi sul prurito NHP, l'analisi automatizzata del graffio misura la frequenza, la durata e la distribuzione temporale del graffio, mentre i dati tridimensionali del movimento possono aiutare a separare il graffio dalla toelettatura o dal movimento di routine del corpo che utilizza movimenti degli arti simili.
Queste misurazioni completano l’osservazione clinica e altri endpoint farmacodinamici nella valutazione dei candidati antipruriginosi o antinfiammatori.
Valutazione dell'andatura e della funzione motoria
L'analisi dell'andatura è un'applicazione diretta. Le traiettorie degli arti ricostruite e la postura del corpo durante la locomozione mostrano cambiamenti nella simmetria del movimento, nella coordinazione e nelle caratteristiche dell'andatura. Poiché non sono attaccati marcatori, il movimento viene registrato in condizioni naturalistiche progettate per lo studio. La valutazione ripetuta della funzione motoria nei modelli di malattie neurologiche e negli studi sul recupero funzionale è l'ambito in cui ciò conta di più.
Fenotipizzazione comportamentale longitudinale
Il cambiamento comportamentale non è sempre un evento isolato. In alcuni modelli, l’attività spontanea alterata, l’esplorazione, il movimento ripetitivo o la distribuzione degli stati comportamentali si sviluppano gradualmente. L'acquisizione video longitudinale con analisi automatizzata confronta i modelli comportamentali nei periodi di studio e nelle condizioni di trattamento, incluso il modo in cui si distribuisce il movimento, come cambiano i modelli di attività e come cambia il comportamento ripetitivo nel tempo.
L'interpretazione deve tenere conto delle condizioni di registrazione, dell'attività di base, dell'adattamento degli animali e di altre fonti di variabilità comportamentale.
Implementazione dell'analisi comportamentale basata sull'intelligenza artificiale negli studi Prisys NHP
Presso Prisys Biotech, la fenotipizzazione comportamentale 3D basata sull'intelligenza artificiale è incorporata negli studi farmacologici sui primati non umani come valutazione funzionale aggiuntiva.
Il nostro obiettivo principale è la progettazione e l'esecuzione della ricerca in vivo NHP: preparazione degli animali, pianificazione della valutazione comportamentale specifica per lo studio, progettazione del protocollo di registrazione, acquisizione video e integrazione delle misurazioni comportamentali con altri endpoint farmacologici. Per l’analisi assistita dall’intelligenza artificiale stessa, Prisys coordina tecnologie specializzate di visione artificiale e analisi comportamentale 3D in base ai requisiti di ciascun programma di ricerca.
Il flusso di lavoro collega la progettazione dello studio con la registrazione video multi-vista, la ricostruzione del movimento tridimensionale e l'analisi comportamentale quantitativa, in modo che le misurazioni comportamentali vengano lette nel contesto del modello animale, delle condizioni di trattamento e degli obiettivi dello studio.
Le letture comportamentali non vengono riportate isolatamente. Il loro valore scientifico dipende da quanto le misurazioni selezionate corrispondono al fenotipo della malattia e alla questione farmacologica. Ove appropriato, gli endpoint comportamentali si affiancano ai dati PK/PD,imaging clinico, misurazioni fisiologiche e valutazione patologica per supportare una valutazione più completa della risposta ai farmaci nei modelli NHP.
Considerazioni metodologiche: validazione e disegno dello studio
L’analisi comportamentale basata sull’intelligenza artificiale apre nuove opzioni di misurazione, ma i suoi risultati non sono endpoint farmacodinamici convalidati automaticamente.
Convalida specifica del comportamento
Un modello AI viene valutato rispetto ad annotazioni di riferimento definite, inclusi segmenti video revisionati da persone, ove disponibili. La validazione mira ai comportamenti rilevanti per lo studio, perché le prestazioni elevate di rilevamento della posa complessiva non stabiliscono un riconoscimento accurato di ogni categoria comportamentale. Rilevare il movimento generale degli arti non equivale a distinguere il grattamento dal grooming e ciascun comportamento target necessita di una definizione operativa e di dati relativi alle prestazioni di classificazione.
Configurazione della registrazione
La disposizione della telecamera, la sincronizzazione, l'illuminazione, l'ambiente di registrazione e il posizionamento degli animali influiscono tutti sulla qualità del video. Non si presume che un modello configurato con un'unica configurazione di registrazione funzioni in modo identico in condizioni diverse: i cambiamenti nella geometria della fotocamera, nelle caratteristiche degli animali o nell'ambiente di registrazione richiedono ulteriore calibrazione e convalida.
Occlusione e qualità dei dati
L'occlusione si verifica quando il corpo dell'animale, le strutture della gabbia o altri oggetti nascondono parti del corpo, il che riduce l'affidabilità della stima della posa nei singoli fotogrammi. La valutazione della qualità dei dati riguarda quindi la confidenza del tracciamento, i punti di riferimento mancanti e la percentuale di tempo di registrazione utilizzabile.
Definizione dell'endpoint comportamentale
L’endpoint comportamentale target viene definito prima dell’inizio dello studio: cosa conta come evento comportamentale, come vengono conteggiati gli eventi, quali periodi di osservazione sono rilevanti e come verranno interpretate le misurazioni risultanti. Comportamenti complessi e fenotipi specifici della malattia necessitano di una definizione anticipata di questo aspetto, poiché la classificazione automatizzata di tali comportamenti richiede un'ulteriore configurazione e convalida del modello.
Le misurazioni derivate dall’intelligenza artificiale sono più utili nel lavoro traslazionale quando sono definite scientificamente, riproducibili e interpretate insieme ad altri endpoint rilevanti.
Il ruolo della fenotipizzazione comportamentale quantitativa nello sviluppo traslazionale di farmaci
La fenotipizzazione comportamentale 3D basata sull’intelligenza artificiale aggiunge un metodo per studiare il cambiamento funzionale nei primati non umani. L'acquisizione video sincronizzata, la stima della posa senza marcatori e l'analisi comportamentale automatizzata spostano la lettura oltre i semplici conteggi delle attività verso il movimento, la postura, la coordinazione e i modelli comportamentali selezionati.
Per il sistema nervoso centrale, il dolore e altre aree terapeutiche in cui i risultati funzionali sono importanti, queste misurazioni completano gli endpoint farmacologici e fisiologici stabiliti.
Presso Prisys, la valutazione comportamentale quantitativa fa parte di un più ampio flusso di lavoro di ricerca traslazionale NHP. Ciò che ha valore scientifico è il legame tra un esperimento in vivo attentamente progettato e una misurazione comportamentale che sia biologicamente significativa e adeguatamente convalidata.
Gli articoli successivi di questa serie coprono applicazioni specifiche, tra cui il riconoscimento automatico del graffio, la coordinazione motoria bilaterale, l'analisi dell'andatura senza marcatori, la valutazione comportamentale longitudinale e l'integrazione di dati comportamentali con altri endpoint farmacologici.
Esplora la serie di applicazioni
Questo articolo espone le basi metodologiche. I seguenti articoli esaminano come l'approccio si applica a specifiche domande di ricerca NHP:
- Riconoscimento automatizzato del comportamento di grattamento nei macachi Cynomolgus. Quantificazione degli endpoint comportamentali correlati al prurito con stima della posa 3D e analisi del movimento.
- Valutazione della coordinazione motoria bilaterale nei modelli NHP. Valutazione delle traiettorie di movimento sinistra-destra e delle anomalie motorie funzionali.
- Analisi dell'andatura 3D senza marcatori nei primati non umani. Caratterizzazione della locomozione, traiettorie degli arti e coordinazione del movimento.
- Fenotipizzazione comportamentale longitudinale e analisi del comportamento stereotipato. Monitoraggio dei cambiamenti nei modelli di attività e nei comportamenti ripetitivi nelle condizioni di studio.
- Integrazione dell'analisi comportamentale dell'intelligenza artificiale con la farmacologia NHP. Collegamento degli endpoint comportamentali con PK/PD, imaging, monitoraggio fisiologico e altre misurazioni traslazionali.
La fenotipizzazione comportamentale quantitativa supporta la progettazione di studi preclinici NHP più informativi.
Informazioni su Prisys Biotech
Prisys Biotech è specializzata in modelli di malattie dei primati non umani, farmacologia preclinica e ricerca traslazionale. Le sue capacità coprono la valutazione dell'efficacia in vivo, la valutazione comportamentale, l'imaging clinico e gli studi farmacologici integrati per aziende farmaceutiche e biotecnologiche. Per collaborazioni di ricerca o richieste di progettazione di studi NHP, contattarebd@prisysbiotech.com.
