新开发工具包，发现与精神分裂症相似的眼动异常
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科学网 2023-10-06 15:18:36
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2023年10月4日，《National Science Review》期刊在线发表题为《Decoding Effects of Psychoactive Drugs in a High-Dimensional Space of Eye Movements in Monkeys》的研究论文。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心顾勇研究组、上海交通大学医学院附属精神卫生中心王继军教授团队，以及临港实验室程志仙研究组合作完成。该研究开发了一套眼动测试工具包，收集了猕猴扫视、注视、平滑追踪、自由视图和瞳孔反应等眼动数据，发现精神活性药物PCP和氯胺酮诱导猕猴产生了与精神分裂症患者相似的眼动异常，并且在高维度的眼动参数空间中，能可靠地区分不同药物（PCP、氯胺酮和生理盐水）诱导的状态，且该区分能力在不同个体之间可以迁移。结果表明，该眼动测试工具包可用于建立精神疾病的动物模型，有望为新的治疗方法的评估提供支持。
精神分裂症（schizophrenia）是最具破坏力的精神疾病之一，表现为感知、思维、情感和行为等多方面的异常，中国患者超过700万，给社会带来极大负担。精神分裂症的发病机制至今未完全阐明，主要原因是无法在病人身上进行各种侵入式的探测。因此，建立有效的动物模型可以弥补现有研究方法的局限性。然而，精神分裂症缺乏明确的生物学标志物，这使得精神分裂症的诊断主要依赖于主观的症状描述和心理评估工具，这给精神疾病动物模型的建立带来了挑战。
眼睛一直被认为是心灵的窗户。眼球运动在认知、情绪和其他心理过程中起着重要作用。精神分裂症患者普遍存在各种眼动异常，包括扫视，注视，平滑追踪和自由视图等。透过这些眼动异常，可以更全面地了解精神分裂症的神经生物学基础。此外，许多研究显示，利用眼动可以有效地识别精神分裂症，准确率可以超过90%，表明眼动可作为有效的生物学标志物。
非人灵长类动物猕猴相比其他模型动物（如啮齿类动物），在大脑结构和功能上与人类更相似，因此更有可能出现类似于人类的精神障碍。更重要的是，人类和猕猴拥有几乎相同的控制眼动的大脑回路。基于此，顾勇研究组开发了一个应用在猕猴模型上的眼动测试工具包，并收集了猕猴在注射精神活性药物PCP和氯胺酮前后扫视、平滑追踪、注视、微扫视和瞳孔反应等多项眼动数据。研究人员发现，尽管动物之间存在个体差异，PCP和氯胺酮两种药物均产生了显著而相似的效应，具体包括：（1）扫视启动滞后，速度降低，持续时间增加，同时正确率降低；（2）平滑追踪速度增益降低；（3）注视不稳定；（4）微扫视偏向下视野，且速度和持续时间增加；（5）瞳孔反应减弱。这些眼动异常与精神分裂症患者的眼动异常相似。研究人员进一步在高维度的眼动空间中，利用基于主成分分析和多分类支持向量机的分类方法，成功地区分出不同药物（生理盐水、PCP和氯胺酮）诱导的状态，准确率高达93.4％（图1）。并且，该分类模型还允许数据在不同的受试者之间进行迁移，即使用一个个体的数据来训练解码器，在另一个个体的数据上进行测试时，仍然可以取得很高的性能，这为未来的临床应用，如新的药物和物理治疗手段的评估，提供了潜在价值。
图1. (A) 显示了主成分（PCs）（最多到第15个PC）的散点图，以及通过单因素方差分析（ANOVA）计算出的主成分的显著性（绿色）。(B)由第1、第3和第10个主成分绘制的散点图；（C）加载在第1、第3和第10个主成分上的不同眼动参数的权重。(D) 基于两只动物混合数据的多类支持向量机（SVM）分类器的交叉验证结果。(E) 个体间解码结果。
该研究主要由上海交通大学医学院博士后刘旭在中国科学院脑智卓越中心顾勇研究员的指导下完成；上海交通大学医学院附属精神卫生中心王继军教授和临港实验室程志仙青年研究员为该研究论文的共同通讯作者。本研究得到上海市、中国科学院、科技部、和基金委的支持。
（原标题：科研进展丨利用猕猴高维眼动空间解码精神活性药物的效应）
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