發(fā)布時(shí)間：2023-10-07
2023年10月4日，《National Science Review》期刊在線(xiàn)發(fā)表題為《Decoding Effects of Psychoactive Drugs in a High-Dimensional Space of Eye Movements in Monkeys》的研究論文。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心顧勇研究組，上海交通大學(xué)醫學(xué)院附屬精神衛生中心王繼軍教授團隊，以及臨港實(shí)驗室程志仙研究組合作完成。該研究開(kāi)發(fā)了一套眼動(dòng)測試工具包，發(fā)現精神活性藥物PCP和氯胺酮誘導獼猴產(chǎn)生了與精神分裂癥患者相似的眼動(dòng)異常，在高維度的眼動(dòng)參數空間中，能可靠地區分不同藥物（PCP、氯胺酮和生理鹽水）誘導的狀態(tài)，且該區分能力在不同個(gè)體之間可以遷移。結果表明，該眼動(dòng)測試工具包可建立精神疾病的動(dòng)物模型，有望為新的治療方法的評估提供支持。
精神分裂癥（schizophrenia）是最具破壞力的精神疾病之一，表現為感知、思維、情感和行為等多方面的異常，中國患者超過(guò)700萬(wàn)，給社會(huì )帶來(lái)極大負擔。精神分裂癥的發(fā)病機制至今未完全闡明，主要原因是無(wú)法在病人身上進(jìn)行各種侵入式的探測。因此，建立有效的動(dòng)物模型可以彌補現有研究方法的局限性。然而，精神分裂癥缺乏明確的生物學(xué)標志物，這使得精神分裂癥的診斷主要依賴(lài)于主觀(guān)的癥狀描述和心理評估工具，這給精神疾病動(dòng)物模型的建立帶來(lái)了挑戰。
眼睛一直被認為是心靈的窗戶(hù)。眼球運動(dòng)在認知、情緒和其他心理過(guò)程中起著(zhù)重要作用。精神分裂癥患者普遍存在各種眼動(dòng)異常，包括掃視，注視，平滑追蹤和自由視圖等。透過(guò)這些眼動(dòng)異常，可以更全面地了解精神分裂癥的神經(jīng)生物學(xué)基礎。此外，許多研究顯示，利用眼動(dòng)可以有效地識別精神分裂癥，準確率可以超過(guò)90%，表明眼動(dòng)可作為有效的生物學(xué)標志物。
非人靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物獼猴相比其他模型動(dòng)物（如嚙齒類(lèi)動(dòng)物），在大腦結構和功能上與人類(lèi)更相似，因此更有可能出現類(lèi)似于人類(lèi)的精神障礙。更重要的是，人類(lèi)和獼猴擁有幾乎相同的控制眼動(dòng)的大腦回路。基于此，顧勇研究組開(kāi)發(fā)了一個(gè)應用在獼猴模型上的眼動(dòng)測試工具包，并收集了獼猴在注射精神活性藥物PCP和氯胺酮前后掃視、平滑追蹤、注視、微掃視和瞳孔反應等多項眼動(dòng)數據。研究人員發(fā)現，盡管動(dòng)物之間存在個(gè)體差異，PCP和氯胺酮兩種藥物均產(chǎn)生了顯著(zhù)而相似的效應，具體包括：（1）掃視啟動(dòng)滯后，速度降低，持續時(shí)間增加，同時(shí)正確率降低；（2）平滑追蹤速度增益降低；（3）注視不穩定；（4）微掃視偏向下視野，且速度和持續時(shí)間增加；（5）瞳孔反應減弱。這些眼動(dòng)異常與精神分裂癥患者的眼動(dòng)異常相似。研究人員進(jìn)一步在高維度的眼動(dòng)空間中，利用基于主成分分析和多分類(lèi)支持向量機的分類(lèi)方法，成功地區分出不同藥物（生理鹽水、PCP和氯胺酮）誘導的狀態(tài)，準確率高達93.4％（圖1）。并且，該分類(lèi)模型還允許數據在不同的受試者之間進(jìn)行遷移，即使用一個(gè)個(gè)體的數據來(lái)訓練解碼器，在另一個(gè)個(gè)體的數據上進(jìn)行測試時(shí)，仍然可以取得很高的性能，這為未來(lái)的臨床應用，如新的藥物和物理治療手段的評估，提供了潛在價(jià)值。
圖1. (A) 顯示了主成分（PCs）（最多到第15個(gè)PC）的散點(diǎn)圖，以及通過(guò)單因素方差分析（ANOVA）計算出的主成分的顯著(zhù)性（綠色）。 (B)由第1、第3和第10個(gè)主成分繪制的散點(diǎn)圖；（C）加載在第1、第3和第10個(gè)主成分上的不同眼動(dòng)參數的權重。(D) 基于兩只動(dòng)物混合數據的多類(lèi)支持向量機（SVM）分類(lèi)器的交叉驗證結果。(E) 個(gè)體間解碼結果。
該研究主要由上海交通大學(xué)醫學(xué)院博士后劉旭在中國科學(xué)院腦智卓越中心顧勇研究員的指導下完成；上海交通大學(xué)醫學(xué)院附屬精神衛生中心王繼軍教授和臨港實(shí)驗室程志仙青年研究員為該研究論文的共同通訊作者。本研究得到上海市、中國科學(xué)院、科技部、和基金委的支持。
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