基于机器学习的小鼠长期搔抓行为分析揭示生理与病理瘙痒的昼夜差异及慢性皮炎模型中的持续性瘙痒特征

本研究针对瘙痒研究中长期、客观行为监测的难题，开发了一套基于卷积循环神经网络的自动化搔抓检测系统，实现了小鼠在生理状态下和DNFB诱导的皮炎模型中24小时搔抓行为的高精度分析。研究发现生理状态下小鼠在光周期表现出更持久、更难抑制的搔抓行为；而DNFB诱导的病理瘙痒则呈现双相性、持续性特征，甚至在休息期间发作。该研究为瘙痒机制研究和抗瘙痒药物开发提供了重要的技术平台和理论依据。

　　

瘙痒是一种令人不快的感官体验，能引发强烈的搔抓欲望，由肝胆疾病、肾脏疾病、过敏性疾病等多种躯体与心理障碍引起。慢性瘙痒显著降低患者的生活质量，特别是夜间瘙痒剥夺睡眠，导致工作效率下降和抑郁。尽管研究深入，瘙痒机制尚未完全阐明，抗瘙痒药物的研发迫在眉睫。动物实验中，搔抓行为是瘙痒的主要可观测指标，但传统手动观察法主观性强、劳动密集，且难以在黑暗环境中进行，导致长时程监测数据缺乏，阻碍了对伴随昼夜节律或慢性疾病进展的发作性、持续性瘙痒病理机制的深入探索。

以往研究多采用特殊设计的笼具或有限时间段（30-60分钟）的观察，未能捕捉全天候行为模式，且可能忽略短时搔抓事件。为突破这些局限，Koji Kobayashi、Yusuke Miyazaki、Naoaki Sakamoto、Masahito Yamamoto、Nanae Nagata和Takahisa Murata等研究人员在《PNAS Nexus》上发表论文，通过改进机器学习方法，开发了一套自动化全时搔抓检测系统，对BALB/c小鼠在生理和病理条件下的搔抓行为进行了长达24至96小时的分析，揭示了此前未被发现的瘙痒行为特征。

研究主要关键技术方法包括：利用卷积循环神经网络（CNN-RNN）架构开发行为分类器；在明暗周期（12小时光/12小时暗）下采集小鼠家笼行为视频（60 Hz帧率）；通过图像差分、灰度化、二值化等预处理生成行为序列段；采用人工标注数据集训练和验证模型；定义搔抓回合（bout）、间隔（interval）和发作事件（episode）等量化指标；结合运动轨迹分析区分活动与静息期；应用概率模型估算瘙痒终止的转移概率；并使用C++与OpenCV库加速处理实现高效分析（样本来自BALB/c小鼠，8-20周龄，雌雄兼用）。

研究结果

Establishment of a neural network model to detect whole-day mouse scratching

研究人员成功训练了一个卷积循环神经网络模型，利用明暗环境下记录的行为数据集，实现了对小鼠搔抓行为和运动活动的高精度全天候监测。该模型能检测短至60毫秒的搔抓回合，预测结果与人工观察高度一致。

Whole-day measurement of physiological scratching behavior

对初始状态小鼠的24小时分析显示，光周期（小鼠非活动期）内的搔抓总时间和回合数显著高于暗周期（活动期）。尽管单个搔抓回合的持续时间分布相似，但光周期内的搔抓发作事件（episode）包含更多回合、总时间更长，表明瘙痒更持久。

Pruritus during the light period was persistent and hard to extinguish

搔抓回合间隔分布呈现双峰（约1秒和10秒以上）。光周期内的搔抓发作更难消退，转移概率（终止瘙痒的概率）显著较低，说明瘙痒在光周期更顽固。

Chemical pruritogen-induced scratching behavior is transient

组胺（histamine）、5-羟色胺（5-HT）、氯喹（chloroquine, CQ）和溶血磷脂酸（lysophosphatidic acid, LPA）等化学致痒剂仅诱发短暂搔抓（10-30分钟），不影响全天行为模式，CQ反应最显著。

2,4-dinitrofluorobenzene induced biphasic scratching behaviors

DNFB致敏并多次刺激诱发特应性皮炎样病变，导致双相性搔抓：首次高峰在刺激后3-4小时，36小时后再次出现并持续至96小时。Vehicle（丙酮/橄榄油）仅引起短暂搔抓。

DNFB-induced pruritus was persistent and disrupted rest

DNFB处理使小鼠在光周期静息期间出现搔抓（与生理期和vehicle组不同），发作事件内回合数增多，瘙痒持续性增强，转移概率进一步降低，运动活动减少。

DNFB induced short and repetitive scratching

DNFB诱导的搔抓回合持续时间更短（<0.5秒占比高），但发作更频繁，模拟了人类“夜间瘙痒”病理特征。

讨论与结论

该研究首次通过自动化长时程搔抓分析系统，揭示了小鼠生理和病理状态下瘙痒行为的定性、定量差异。生理条件下，光周期（对应人类夜间）瘙痒更持久、难消退；DNFB诱导的慢性皮炎则导致持久、双相性瘙痒，打破行为同步性，在静息期发作，与人类慢性瘙痒（如特应性皮炎）的临床表现相似。

研究还发现，化学致痒剂仅引起短暂反应，而慢性皮炎模型（DNFB、MC903和IMQ）则导致质性改变，强调模型选择对研究 extrapolability（外推性）的重要性。此外，短时搔抓回合（<150毫秒）的检测能力避免了以往系统的遗漏，提供了更全面的行为视角。

该技术平台不仅能促进瘙痒机制研究（如昼夜调节神经通路），还为抗瘙痒药物评价提供了更生理、病理相关的长时程行为学依据，凸显机器学习在动物行为分析中的价值。未来研究可进一步探讨生理性搔抓的神经基础（如与GRPR神经元的关系）及瘙痒-睡眠干扰的机制。