科研人员利用猕猴高维眼动空间解码精神活性药物的效应

《国家科学评论》（National Science Review）在线发表了题为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团队以及临港实验室程志仙研究组合作完成。该团队开发了一套眼动测试工具包，发现了精神活性药物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，在高维度的眼动参数空间中可区分不同药物（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建立精神疾病的动物模型，有望为新治疗方法的评估提供支持。

精神分裂症（schizophrenia）是具有破坏力的精神疾病，表现为感知、思维、情感和行为等方面的异常。目前，精神分裂症的发病机制尚未完全阐明，原因在于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，使得精神分裂症的诊断依赖于主观的症状描述和心理评估工具，这对精神疾病动物模型的建立带来了挑战。 

眼球运动在认知、情绪以及其他心理过程中具有重要作用。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，科研人员可更全面地探究精神分裂症的神经生物学基础。此外，研究显示利用眼动可有效识别精神分裂症（准确率超过90%），表明眼动可作为有效的生物学标志物。 

相比其他模型动物（如啮齿类动物），非人灵长类动物猕猴在大脑结构和功能上与人类更相似，因此更可能出现类似于人类的精神障碍。人类和猕猴拥有几乎相同的控制眼动的大脑回路。基于此，顾勇研究组开发出应用在猕猴模型上的眼动测试工具包，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。研究发现，尽管动物之间存在个体差异，但PCP和氯胺酮两种药物均产生了显著而相似的效应，具体包括扫视启动滞后、速度降低、持续时间增加，且正确率降低；平滑追踪速度增益降低；注视不稳定；微扫视偏向下视野，且速度和持续时间增加；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。进一步，科研人员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，区分出不同药物（生理盐水、PCP和氯胺酮）诱导的状态，准确率达93.4％（如图）。同时，该分类模型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，仍可取得较高的性能。该研究为未来临床应用（如新的药物和物理治疗手段的评估）提供了潜在价值。

研究工作得到上海市、中国科学院、科学技术部和国家自然科学基金委员会的支持。

（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。