馮麗妃

俗話說，眼睛是心靈的窗戶。對于狗狗來說，尾巴則是情感的窗戶。

“它們高興時，尾巴會搖得很快;生氣時，尾巴會翹起來;害怕時，會夾著尾巴逃跑?！倍嗄昙氈氯胛⒌难芯?，讓中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員張永清對家犬有了更深入的了解。

最近，張永清團隊聯(lián)合中科院自動化研究所研究員余山以及中科院深圳先進技術(shù)研究院研究員蔚鵬飛團隊，利用人工智能深度學(xué)習(xí)算法發(fā)現(xiàn)狗狗的尾巴的確“會說話”：尾巴偏向右搖，表明它們跟人的關(guān)系更熟悉。他們還發(fā)現(xiàn)，與人類的指紋和步態(tài)相似，每只家犬都表現(xiàn)出獨特而穩(wěn)定的搖尾特征。

“動物行為是大腦功能的展示，其社會行為對于動物個體的生存至關(guān)重要。家犬的尾巴搖擺是犬與犬、犬與人之間互動的重要社會行為?！睆堄狼鍒F隊博士生任煒說。

合作團隊首次發(fā)現(xiàn)，在與人互動的三天時間里，家犬尾巴擺動逐漸從自身左側(cè)向右側(cè)偏移，而且每一只家犬的表現(xiàn)都非常穩(wěn)定，表明其尾巴搖擺的偏側(cè)化是一個代表熟悉程度的敏感指標(biāo)。

“簡言之，與不熟悉的人互動時，狗的尾巴搖擺偏左;而與熟悉的人互動時，尾巴的搖擺偏右。”張永清說。

此次生物學(xué)上的發(fā)現(xiàn)離不開人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)的支撐。

十幾年前，意大利科學(xué)家就對犬類搖尾巴進行過分析，主要是通過錄制視頻和人工觀察，數(shù)據(jù)的分辨率較低，分析也難以深入。隨著計算機視覺技術(shù)的進步，利用深度學(xué)習(xí)算法進行更全面深入的定量化分析成為可能。

“這里的深度學(xué)習(xí)，是把犬類的圖片輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，利用部分圖片中人工標(biāo)記出的身體不同部位（如背部、尾巴根、尾巴尖等）對模型進行訓(xùn)練，使模型學(xué)會在大量新圖片中自動識別這些身體部位的過程?！庇嗌浇榻B。

合作團隊搭建了基于深度學(xué)習(xí)的三維運動追蹤技術(shù)平臺，系統(tǒng)研究了13只比格犬在與人互動過程中尾巴運動的軌跡。他們共分析了2.1萬余次狗搖尾巴的過程，包括尾巴移動的速度、幅度和距離。在此基礎(chǔ)上對犬類與人互動時的搖尾特征進行定量化研究，發(fā)現(xiàn)了之前未曾察覺到的家犬行為的動態(tài)細節(jié)。

這些細節(jié)揭示了家犬在與人類互動過程中尾巴搖擺行為的復(fù)雜特征和組成規(guī)律，為研究家犬的社會行為和潛在的神經(jīng)機制提供了一個特有的實驗范式。

張永清表示，人們通常認為左右腦是有分工的，積極和消極的情緒狀態(tài)與人類前額葉皮層左右兩側(cè)的激活有關(guān)。“我們推測，向左搖尾巴可能伴隨著右腦的激活，而向右搖尾巴可能伴隨著左腦前額葉皮層的激活。”他說，“左腦負責(zé)處理積極的情緒，表明尾巴右搖是狗狗感到高興或舒適的跡象;而相反的情況可能意味著狗狗感到害怕或緊張。”

據(jù)介紹，這是目前首個利用人工智能方法分析家犬的情感行為的研究。

那么，這項研究的意義何在？張永清表示，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究都需要動物模型，過去半個世紀(jì)，實驗鼠模型在國際上發(fā)揮了巨大作用，但有很多問題不能回答，比如與情感相關(guān)的神經(jīng)機制或精神疾病的致病機理和治療手段。為此，全世界都在尋找更有效的模式動物。

“經(jīng)過3萬多年馴化的家犬，最大特點是有靈性，能夠與人進行有效的情感交流。喜怒哀樂、嫉妒、忠誠、自律等情緒和能力，家犬都能淋漓盡致地展示出來，因此生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)，甚至是心理學(xué)都可以用家犬作為模式動物?！彼f。

“人類情感研究是《科學(xué)》雜志公布的國際公認的125個重大問題之一，未來家犬在這方面一定會有獨特的貢獻。”張永清認為，中國做犬類研究有兩個優(yōu)勢：我國家犬基因編輯技術(shù)走在世界前列;社會文化比較寬容，允許開展相關(guān)研究。這使得我國有望通過家犬模型，在社交和情感的神經(jīng)環(huán)路機制研究方面有所突破和貢獻。

在余山看來，未來學(xué)科交叉將越來越重要。正如通過深度學(xué)習(xí)助力發(fā)現(xiàn)狗搖尾巴的規(guī)律一樣，學(xué)科交叉使得生物學(xué)研究有了強大的新工具，可以探索更深層的機制。“生物學(xué)是實驗科學(xué)，更高精度的分析方法使得對生物學(xué)現(xiàn)象的觀察從定性走向定量，進而走向機理層面的理解。”他說。

（選自2022年8月3日《中國科學(xué)報》，本刊有刪改）