基于隐马尔可夫模型的青鳉鱼胆怯-勇敢行为分类及社会遗传效应解析

本研究通过开发结合开放场域和新物体测试的行为学实验系统，利用隐马尔可夫模型(HMM)对5个近交系青鳉鱼品系的307对个体进行行为模式分类，首次量化了直接遗传效应(解释29.7%行为变异)和社会遗传效应(SGE，解释8.64%变异)，为行为遗传学研究提供了创新分析框架。

　　

在动物行为学研究领域，胆怯-勇敢行为谱系(bold-shy continuum)被认为是影响个体生存和繁殖的关键进化特征。这种行为的差异既受自身基因调控，又受到社会同伴基因组成的间接影响，但如何准确量化这两种遗传效应一直是研究难点。欧洲分子生物学实验室(EMBL)等机构的研究团队选择青鳉鱼(Oryzias latipes)这一具有完善遗传资源的模式生物，通过创新实验设计和计算方法，在《Bioinformatics》发表了突破性研究成果。

研究团队开发了整合开放场域(open-field)和新物体(novel-object)测试的复合行为学分析系统，使用两个并排的测试箱体同步记录8对鱼类的行为数据。关键技术包括：(1)定制化水族箱实验系统实现高通量行为记录；(2)idtracker.ai动物追踪软件获取运动轨迹；(3)基于距离和转向角参数的隐马尔可夫模型(HMM)进行15种行为状态分类；(4)采用方差分析量化直接遗传效应和社会遗传效应(Social Genetic Effect, SGE)的贡献度。研究对象为5个近交系品系的307对雌性青鳉鱼，包括南部日本品系(iCab、HdrR、Ho5)和北部日本品系(Kaga、HNI)。

【直接遗传效应】通过HMM状态分析发现，不同品系在慢速运动状态(1-4)的时间占比存在显著差异。南部品系在测试初期表现出更明显的"冻结"行为(状态1-4占比25-28%)，而北部品系Kaga和HNI则呈现独特的快速运动模式(状态15)。基因型可解释高达29.7%的行为变异，证实了bold-shy行为的遗传基础。

【社会遗传效应】研究发现iCab参考鱼的行为会受同伴基因型影响：当与北部品系配对时，iCab在慢速状态的停留时间降至19.8-22.6%；而与南部品系配对时则保持25-28%。社会遗传效应最高可解释8.64%的行为变异，在新物体测试中表现更为显著。状态共占位分析显示7/15个HMM状态存在显著的同伴基因型依赖性。

【行为模式解析】通过整合运动参数和空间分布特征，研究将HMM状态沿bold-shy轴排序：状态1-4(慢速/冻结)对应胆怯行为，状态15(快速前进)对应勇敢行为。北部品系Kaga表现出独特的应激反应模式——测试初期快速运动而非冻结，这可能反映种群特异的应激策略。

这项研究建立了首个能同步量化直接和社会遗传效应的青鳉鱼行为分析系统，其创新性体现在：(1)开发了可扩展的实验范式，适用于后续遗传定位研究；(2)验证了HMM在行为状态分类中的有效性；(3)揭示了北部与南部日本青鳉鱼品系的行为差异可能反映生态适应策略。研究者建议未来可结合生理指标(如皮质醇水平)和MIKK近交系面板进行基因定位，这将为理解行为变异的遗传-社会互作机制开辟新途径。该方法框架也可拓展应用于其他社会性动物的行为遗传学研究，为进化生物学和社会行为学提供量化分析工具。