科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種新方法，可以非常精確地模擬動(dòng)物的復(fù)雜動(dòng)作。研究小組著手解決生物學(xué)中一個(gè)長期存在的挑戰(zhàn)——如何準(zhǔn)確地模擬生物體復(fù)雜而看似不可預(yù)測的運(yùn)動(dòng)。他們重點(diǎn)研究了秀麗隱桿線蟲，這是一種廣泛應(yīng)用于生物學(xué)研究的模式生物。

該研究結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，有助于預(yù)測和理解動(dòng)物行為，其潛在應(yīng)用范圍從機(jī)器人到醫(yī)學(xué)研究。

“與鐘擺或彈簧上的頭等簡單的物理系統(tǒng)不同，動(dòng)物的行為存在于規(guī)則和隨機(jī)行為之間的空間?！安蹲竭@種微妙的平衡是非常棘手的，這就是我們的模型的獨(dú)特之處——以前從來沒有人展示過如此逼真的動(dòng)物模型，”沖繩科學(xué)技術(shù)研究所(OIST)生物物理理論小組的負(fù)責(zé)人格雷格·斯蒂芬斯教授解釋說。

“動(dòng)物的行為受到許多因素的影響，包括其內(nèi)部狀態(tài)、環(huán)境經(jīng)歷、發(fā)育歷史和基因遺傳。用一個(gè)簡單的預(yù)測模型來表達(dá)這些影響是了不起的，有點(diǎn)違反直覺。這種復(fù)雜性以及我們有效建模的能力值得注意，”索邦大學(xué)巴黎大腦研究所的第一作者安東尼奧·科斯塔博士解釋說。

創(chuàng)建模型是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及幾個(gè)步驟。研究小組首先錄制了蠕蟲運(yùn)動(dòng)的高分辨率視頻。他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在每個(gè)視頻幀中識(shí)別蠕蟲的形狀。然后，他們分析了這些形狀如何隨著時(shí)間的推移而變化，以更深入地了解蠕蟲的行為。最后，他們確定了需要多少過去的數(shù)據(jù)才能做出可靠的預(yù)測。

“我們將真實(shí)動(dòng)物行為的統(tǒng)計(jì)特征，如運(yùn)動(dòng)速度和行為變化的頻率，與我們的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，”科斯塔博士補(bǔ)充說。“這些數(shù)據(jù)集之間的密切匹配證明了我們模型的高準(zhǔn)確性?！?/p>

對(duì)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人的影響

這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了對(duì)蠕蟲的研究。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在與使用這種線蟲的公司進(jìn)行溝通，以測試化學(xué)化合物對(duì)行為的影響。他們還將該模型應(yīng)用于其他物種，包括經(jīng)常用于藥物發(fā)現(xiàn)研究的斑馬魚幼蟲。此外，研究人員正在探索在人類醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，特別是在帕金森病等運(yùn)動(dòng)障礙的研究中。

這對(duì)醫(yī)學(xué)研究的潛在影響是巨大的。目前運(yùn)動(dòng)障礙的診斷方法往往依賴于在短暫的臨床訪問中進(jìn)行的主觀觀察。這些變化可能太微妙，無法直接觀察，這也是診斷這些疾病具有挑戰(zhàn)性的部分原因。這種新方法可以提供更連續(xù)、客觀的患者運(yùn)動(dòng)測量，甚至在家庭環(huán)境中，從而導(dǎo)致更精確的診斷和個(gè)性化的治療策略。

除了醫(yī)學(xué)，該模型還可以應(yīng)用于機(jī)器人等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)自然的運(yùn)動(dòng)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。通過更好地了解動(dòng)物如何在環(huán)境中導(dǎo)航，工程師們可能能夠設(shè)計(jì)出適應(yīng)性更強(qiáng)、效率更高的機(jī)器人系統(tǒng)。

隨著研究小組不斷完善和擴(kuò)展他們的建模技術(shù)，他們預(yù)計(jì)這種方法將為理解環(huán)境因素、遺傳和各種物種行為之間的復(fù)雜關(guān)系開辟新的途徑。