行為神經(jīng)科學(xué)需要詳細(xì)的行為，但手工注釋實(shí)時(shí)或記錄的分析過程造成了一個(gè)巨大的瓶頸，阻礙了全面的行為分析。研究者為行為神經(jīng)科學(xué)家開發(fā)了開源的簡(jiǎn)單行為分析（SimBA）平臺(tái)，SimBA引入了一些機(jī)器學(xué)習(xí)可解釋性工具。

基于此，2024年5月22日美國(guó)華盛頓大學(xué)生物結(jié)構(gòu)學(xué)系Sam A. Golden研究團(tuán)隊(duì)在Nature neuroscience雜志發(fā)表了“Simple Behavioral Analysis (SimBA) as a platform for explainable machine learning in behavioral neuroscience”揭示了簡(jiǎn)單行為分析（SimBA）作為行為神經(jīng)科學(xué)中可解釋的機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)。

SimBA引入了一些機(jī)器學(xué)習(xí)可解釋性工具，包括SHAP (SHapley Additive exPlanations)基于博弈論，是一種模型無關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)解釋方法，既能衡量單次預(yù)測(cè)結(jié)果中的特征貢獻(xiàn)，也能聚合局部結(jié)果成為對(duì)模型的整體解釋。SHAP方法在理論上有諸多優(yōu)異性質(zhì)，得益于大量工程優(yōu)化，在實(shí)踐中也有很強(qiáng)的可操作性，SHAP分?jǐn)?shù)有助于創(chuàng)建可解釋和透明的行為分類器。研究者提供了一個(gè)開源的、圖形用戶界面（GUI）驅(qū)動(dòng)的以促進(jìn)改進(jìn)的自動(dòng)化和跨實(shí)驗(yàn)室行為分類工具。

圖一 行為神經(jīng)科學(xué)家的機(jī)器學(xué)習(xí)

SimBA為使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算硬件的非專業(yè)用戶提供了可訪問的機(jī)器學(xué)習(xí)工具。在完成原始視頻采集后，用戶可以在SimBA中預(yù)處理視頻（例如，裁剪、修剪、改變分辨率和對(duì)比度），然后在他們選擇的開源程序中（如DeepLabCut、SLEAPDeepPoseKit和MARS）進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)。在GUI引導(dǎo)下導(dǎo)入動(dòng)物跟蹤數(shù)據(jù)后，SimBA計(jì)算靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)間窗口（“特征”）之間的關(guān)系。默認(rèn)情況下，SimBA計(jì)算單個(gè)幀內(nèi)的運(yùn)動(dòng)、角度、路徑、速度、距離和大小的可解釋特征表示。SimBA具有高度靈活的功能，可以作為一個(gè)編程平臺(tái)。

Table1 用于自動(dòng)行為檢測(cè)的開源程序

圖二 SHAP揭示了物種和行為之間的差異

為了特別證明SHAP在臨床前行為神經(jīng)科學(xué)中增強(qiáng)行為的潛力，研究者收集并比較了來自美國(guó)各地機(jī)構(gòu)獨(dú)立創(chuàng)建的嚙齒動(dòng)物攻擊分類器。這些分類器和使用了來自不同記錄環(huán)境的數(shù)據(jù)，具有不同的性別、視頻格式和姿態(tài)估計(jì)模型。這些分類器在各自的環(huán)境中都表現(xiàn)出了較高的精度。對(duì)攻擊分類器的形狀分析揭示了特征類別箱在識(shí)別攻擊幀和非攻擊幀方面的相對(duì)重要性，動(dòng)物的距離和運(yùn)動(dòng)都是這對(duì)識(shí)別攻擊很重要。研究者繪制了每個(gè)類別內(nèi)的32000個(gè)觀測(cè)結(jié)果（每個(gè)站點(diǎn)8000個(gè)），標(biāo)準(zhǔn)化特征值在y軸上，SHAP值在x軸上。隨著動(dòng)物之間距離的減小，攻擊分類概率增加。

圖三 社交壓力經(jīng)歷對(duì)雄性和雌性的攻擊性和應(yīng)對(duì)行為的影響不同

雌性小鼠攻擊性研究的試驗(yàn)歷來集中在母性攻擊性上，因?yàn)檫@些小鼠在反應(yīng)性攻擊性任務(wù)（RI或慢性社交挫敗應(yīng)激CSDS測(cè)試）中表現(xiàn)出攻擊性的傾向較低。最近，研究重新審視了雌性的反應(yīng)性攻擊，發(fā)現(xiàn)一群雌性Swiss小鼠在與去勢(shì)手術(shù)的雄性共同居住時(shí)攻擊同性入侵者。在篩選了雌性的RI攻擊性后，研究者進(jìn)行了雌性和雄性CSDS檢測(cè)。研究者計(jì)算了總持續(xù)時(shí)間、回合次數(shù)、平均回合持續(xù)時(shí)間和攻擊、追逐、肛門-生殖器嗅探、逃跑和防御行為的間隔，包括每天的測(cè)試，并在5個(gè)測(cè)試平均值。研究者分析了居住著入侵、追蹤和肛門-生殖器嗅探，以及入侵者的防御和逃跑行為。雄性和雌性在所有5種檢測(cè)行為中均有明顯差異，雌性在攻擊、追逐和逃跑行為中的平均總持續(xù)時(shí)間和發(fā)作次數(shù)較高，而雄性的肛門-生殖器嗅探和防御行為水平較高。雌性在追逐、防御和逃避行為方面表現(xiàn)出較長(zhǎng)的行為發(fā)作。研究者分析發(fā)現(xiàn)所有行為的SHAP值在性別間存在顯著差異。

總結(jié)：

總之，SimBA為機(jī)器學(xué)習(xí)行為分析提供了一個(gè)以用戶為中心、模塊化和可訪問的平臺(tái)，其主要目的是促進(jìn)對(duì)作為神經(jīng)動(dòng)物行為學(xué)家所重視的行為細(xì)微差別的理解。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41593-024-01649-9