训练人工智能识别果蝇交配识别出控制交配位置的基因 观速讯

(资料图)

日本名古屋大学科学研究生院的一个研究小组利用人工智能确定了压电(一种接收机械刺激的通道)在控制雄性果蝇(果蝇)的交配姿势中发挥着作用。压电的抑制导致果蝇采取无效的交配姿势，从而降低了它们的繁殖性能。他们的发现发表在《iScience》上。

此前大多数关于动物交配的研究都仅限于行为研究，限制了我们对这一基本过程的理解。由于许多动物在交配期间采取固定姿势，因此保持有效的交配姿势对于繁殖成功至关重要。在果蝇中，雄性果蝇骑在雌性果蝇身上并保持这种姿势，至少直到它转移足够的精子使雌性受精，这发生在交配开始后大约八分钟。名古屋大学的研究小组意识到，维持这种交配姿势涉及某些因素。

一个可能的竞争者是压电。Piezo是在刚毛细胞(男性生殖器中的敏感细胞)中发现的跨膜蛋白家族。当机械力施加到细胞膜上时，压电就会被激活，使离子流过通道并产生电信号。该信号触发细胞反应，包括神经元中神经递质的释放和肌肉细胞的收缩。这种反馈有助于苍蝇保持其交配位置。

在确定piezo基因参与果蝇交配后，AzusaKamikouchi教授(她/她)、助理教授RyoyaTanaka(他/他)和学生HayatoM.Yamanouchi(他/他)利用光遗传学进一步探索这种现象的神经机制。这项技术结合了基因工程和光学科学，创造出可以用特定波长的光灭活的基因改造神经元。当交配过程中灯打开时，神经元就会沉默。这使得研究人员能够操纵压电表达神经元的活动。

“事实证明，这一步对我们来说是一个巨大的挑战，”上口说。“利用光遗传学，特定的神经元只有在受到光刺激时才会沉默。然而，我们的兴趣是在交配过程中抑制神经活动。因此，我们必须确保光只在交配期间打开。然而，如果实验者手动转动为了响应动物的交配而开启光刺激，他们需要在整个实验过程中观察动物。等待果蝇交配非常耗时。”

观察问题促使研究小组建立了一个可以识别交配的实验性深度学习系统。通过训练人工智能识别何时发生，他们可以自动控制光刺激。这让他们发现，当表达压电的神经元受到抑制时，雄性会采取一种不稳定的、基本上无效的交配姿势。正如人们所预料的那样，那些难以采取适当姿势的雄性，其后代数量较少。他们得出的结论是，压电基因的关键作用是帮助雄性改变其轴以响应雌性，以获得最大的交配成功率。

“压电蛋白与多种生理过程有关，包括触觉、听力、血压调节和膀胱功能，”Kamikouchi说。“现在我们的研究结果表明，繁殖可以被添加到这个列表中。由于交配是动物中广泛保留的一种重要的繁殖行为，了解其控制机制将有助于更好地了解动物的生殖系统。”

上口热衷于在此类研究中使用人工智能。“随着信息学的最新发展，实验系统和分析方法取得了巨大进步，”她总结道。“在这项研究中，我们成功地创建了一种设备，可以使用基于机器学习的实时分析自动检测交配，并控制光遗传学所需的光刺激。

“为了研究控制动物行为的神经机制，进行只有当个体表现出特定行为时才操纵神经活动的实验非常重要。这项研究中建立的方法不仅可以应用于水果交配的研究苍蝇也涉及其他动物的各种行为。它应该为促进神经生物学研究做出重大贡献。”