文｜《中國科學報》記者馮麗妃

俗話說，眼睛是心靈的窗戶。對於狗狗來說，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。」多年的研究，讓中科院遺傳與發育生物學研究所研究員張永清對家犬的了解細緻入微。

最近，張永清團隊聯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研究院研究員蔚鵬飛團隊，利用人工智慧深度學習算法發現狗狗的尾巴「的確會說話」：尾巴偏向右搖，表明它們跟人的關係更熟悉。

他們還發現，與人類的指紋和步態相似，每隻家犬都表現出獨特而穩定的搖尾特徵。相關結果近日在線發表於《交叉科學》。

「這是一項在生物學和計算科學方面都非常重要和有創意的研究。」一位審稿人評價。

記者在中科院遺傳發育所昌平實驗基地拍攝的一隻比格犬。這隻幼犬剛開始見到記者時驚慌失措猛烈搖尾巴，此後逐漸安靜下來，偶爾與記者對視。馮麗妃攝

尾巴右搖更友好

7月底，北京市昌平區一片綠油油的試驗田邊的實驗室里，不時傳來一陣陣犬吠聲。這裡養著大大小小八九十條比格犬。

按照張永清的話說，這是北京市犬類研究的「001」號工程。

近3年來，張永清團隊構建了家犬的全腦蛋白質組時空表達圖譜，利用實驗犬研究了人類動脈粥樣硬化與心腦血管疾病的關聯。

最近，他們又把目標瞄向了狗搖尾巴。

「動物行為是大腦功能的展示，其社會行為對於動物個體的生存至關重要。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。」論文第一作者、張永清團隊博士生任煒說。

合作團隊首次發現，在與人互動的三天時間裡，家犬尾巴擺動逐漸從自身左側向右側偏移，而且每一隻犬的表型都非常穩定，表明其尾巴搖擺的偏側化是一個代表熟悉程度的敏感指標。

「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。

研究還發現，就像每個人都有獨特的指紋與步態一樣，犬類也有著獨特而穩定的搖尾特徵。

基於此，該研究把動力學系統研究中的「吸引子」概念引入搖尾模式分析，首次發現家犬尾巴搖擺由具有穩定搖擺軌跡的類吸引子狀態和不穩定的過渡狀態構成。

「類吸引子狀態是指犬類搖尾軌跡中表現出的穩定、重複的模式，如圓形軌跡、『8字』形軌跡等刻板模式。」論文共同通訊作者余山解釋說。

2.1萬次深度學習，一個月接收

此次生物學上的發現離不開人工智慧深度學習技術的支撐。

十幾年前，義大利科學家就對犬類搖尾巴進行過分析，主要是通過錄製視頻和人工觀察，數據的解析度較低，分析也難以深入。

隨著計算機視覺技術的進步，使得利用深度學習算法進行更全面深入的定量化分析成為可能。

「這裡的深度學習，是把犬類的圖片輸入到神經網絡模型中，利用部分圖片中人工標記出的身體不同部位（如背部、尾巴根、尾巴尖等）對模型進行訓練，使模型學會在大量新圖片中自動識別這些身體部位的過程。」余山介紹。

合作團隊搭建了基於深度學習的三維運動追蹤技術平台，系統研究了13隻比格犬在與人互動過程中尾巴運動的軌跡。

他們共分析了21000餘次狗搖尾巴的過程，包括尾巴移動的速度、幅度和距離。

在此基礎上對犬類與人互動時的搖尾特徵進行定量化研究，發現了之前未察覺到的家犬行為的動態細節。

作者表示，這些細節揭示了家犬在與人類互動過程中尾巴搖擺行為的複雜特徵和組成規律，為研究家犬的社會行為和潛在的神經機制提供了一個特有的實驗範式。

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與人類前額葉皮層左右兩側的激活有關。

「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。」

據介紹，這是目前首個利用人工智慧方法分析家犬的情感行為的研究。其創新性和趣味性使該論文僅提交一個月就被順利接收。

那麼，這項研究的意義何在？張永清表示，生命科學和醫學研究都需要動物模型，過去半個世紀，實驗鼠模型在國際上發揮了巨大作用，但有很多問題不能回答，比如與情感相關的神經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、醫學，甚至是心理學都可以用家犬作為模式動物。」他說。

到目前為止，利用家犬作為模式動物開展的研究已經獲得兩次諾貝爾生理學或醫學獎，包括1904年巴甫洛夫在消化系統生理學方面取得的開拓性成就，以及1923年弗雷德里克·格蘭特·班廷因發現胰島素而挽救了千千萬萬的糖尿病患者。

「人類情感研究是《科學》雜誌公布的國際公認的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勢：我國家犬基因編輯技術走在世界前列；社會文化比較寬容，允許開展相關研究。這使得我國有望通過家犬模型，在社交和情感的神經環路機制研究方面有所突破和貢獻。

在余山看來，未來學科交叉將越來越重要。正如通過深度學習助力發現狗搖尾巴的規律一樣，學科交叉使得生物學研究有了強大的新工具，可以探索更深層的機制。

「生物學是實驗科學，更高精度的分析方法使得對生物學現象的觀察從定性走向定量，進而走向機理層面的理解。」他說。

張永清表示，中科院在這方面具有學科集成優勢。他希望通過更深入的跨學科研究，提高科技創新能力，通過將家犬作為醫學和健康模式動物開展研究，在未來十年乃至二三十年為我國生命科學和人口健康提供科技支撐，並在國際相關研究領域占有一席之地。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104747