Eur J Neurosci | 3D 追踪解锁小鼠行为密码！抑郁加重慢性胰腺炎内脏痛，更影响其行为模式

2025 年 11 月 24 日复旦大学附属闵行医院陆智杰教授、中国科学院深圳先进技术研究院王立平教授、黄天文教授团队在 European Journal of Neuroscience 在线发表题为 "Depression Enhances Visceral Pain and Alters Behavioral Patterns in Chronic Pancreatitis Mice: An Objective Evaluation" 的研究论文。该研究首次在动物模型中明确证实，抑郁会加剧慢性胰腺炎（CP）小鼠内脏痛觉超敏化，并通过三维（3D）视频行为分析技术，精准捕捉到小鼠行为的细微变化，进而揭示出此前未被发现的、与内脏疼痛直接相关的全新行为模式，为慢性胰腺炎与抑郁症共病机制研究提供了关键实验依据。

FIG1 阐明慢性束缚应激（CRS）诱导抑郁、雨蛙素（Cer）联合乙醇（Et）诱导慢性胰腺炎（CP）的建模流程，通过体重监测、抑郁表型评估及传统内脏痛指标检测，明确抑郁症可显著加剧 CP 小鼠的内脏痛敏。

本研究构建了 Ctrl、CRS、CP、CPCRS 四组小鼠模型（图 1a），在 21 天建模期间，四组小鼠体重呈现显著分化（图 1b），其中 CP 与 CPCRS 组体重增长缓慢，终末体重显著低于 Ctrl 组，提示 CP 建模对小鼠生理状态产生影响，而 CPCRS 组未出现额外体重异常，排除了抑郁对体重的独立干扰作用。为验证抑郁表型，采用悬尾试验（TST）、新物体抑制摄食试验（NSFT）及蔗糖偏好试验（SPT）进行评估（图 1c-e），结果显示 CRS 与 CPCRS 组 TST 不动时间显著延长，NSFT 摄食潜伏期显著增加，表明 CRS 成功诱导小鼠产生抑郁表型。在传统内脏痛指标检测中（图 1f-h），与 CP 组相比，CPCRS 组 von Frey 试验腹部机械痛退缩频率显著升高，弓背评分显著增加，动态负重（DWB）试验前后肢体重分布异常也更为明显，同时 CRS 组痛敏指标高于 Ctrl 组，上述结果共同证实抑郁症可加剧 CP 小鼠的内脏痛敏。

FIG2借助行为图谱（BeA）系统完成小鼠自发行为的 3D 记录与分析，成功提取 40 种行为 motif，经 PLS 降维与 FDA 分类验证，证实这些 motif 可有效区分 Ctrl、CRS、CP、CPCRS 四组小鼠的病理状态。

为实现小鼠行为的精细化分析，本研究采用 BAYONE  BehaviorAtlas 3D-AI系统，通过 4 台相机同步记录小鼠在透明圆形旷场中 15 分钟的自发行为，手动标记鼻、耳、四肢等 16 个身体节点并追踪其运动轨迹（图 2a），同时提取体角、体长、体高的动态波动参数（图 2b），为后续行为 motif 分析提供高维度、精细化的基础数据。基于上述记录数据，通过无监督聚类算法将小鼠自发行为自动归类为 40 种行为 motif（图 2c），结合视频观察手动标注每种 motif 的具体名称，发现部分行为（如奔跑、弓背）存在多个细分 motif（如 Running16、Hunching3），体现了小鼠行为模式的多样性与特异性（图 2d）。为验证行为 motif 区分不同病理状态的能力，采用偏最小二乘（PLS）方法将 40 维 motif 数据降维至 2 维子空间，并在每两组小鼠的子空间中构建 Fisher 判别分析（FDA）线性分类边界（图 2e），结果显示各组小鼠散点可被有效分离，其中 Ctrl 与 CP 组分离效果接近完美，CPCRS 组与 CP 组散点分布差异显著，表明行为 motif 中包含能够区分 “无痛 - 内脏痛”“单纯 CP-CP + 抑郁” 状态的关键信息。

FIG3 通过行为 motif 投影分析、关键 motif 筛选及相关性验证，确定 15 种与传统内脏痛指标高度相关的行为 motif，证实这些 motif 可作为评估内脏痛的客观标志物。

为进一步探究行为 motif 与内脏痛的关联，本研究将 CPCRS 组（图 3a）、CRS 组（图 3b）的行为 motif 数据投影至此前构建的 “Ctrl-CP” 二维子空间（该子空间编码 “无痛 - 内脏痛” 差异），并计算各组散点到 FDA 分类边界的距离。结果显示，CPCRS 组散点距分类边界的距离显著大于 CP 组（，图 3c），而 CRS 组与 CP 组无显著差异，这一结果与传统内脏痛指标检测结论一致，进一步证实抑郁症会加剧 CP 小鼠内脏痛相关的行为改变。为筛选对内脏痛区分起核心作用的行为 motif，分析 PLS 降维过程中各行为 motif 的权重（loading）及累积能量（权重平方），以 90% 累积能量为阈值，最终筛选出 15 种对 “无痛 - 内脏痛” 区分贡献最大的行为 motif（图 3d），并通过平均运动骨架展示了这些 motif 的具体动作模式（图 3e），主要包括梳理（Grooming36）、弓背（Hunching3/17）、迈步（Step26）、奔跑（Running16）、左转（LeftTurn32）等。相关性分析结果显示（图 3f），梳理、弓背类 motif 与传统内脏痛指标呈正相关，迈步、奔跑、左转类 motif 与传统内脏痛指标呈负相关；同时，采用弹性网线性回归模型验证发现，这 15 种关键 motif 可有效预测传统内脏痛指标，预测值与实测值趋势高度一致（图 3g），证实这些关键行为 motif 能够作为评估内脏痛的客观、可靠标志物。

FIG4 通过分析 BeA 系统提取的体长、体高、体角三项身体参数，证实其在 Ctrl、CRS、CP、CPCRS 四组小鼠间存在显著差异，且经 Kernel PCA 降维与分类验证，可有效区分不同病理状态。

除行为 motif 外，BeA 系统还提取了小鼠 15 分钟自发行为中的三项平均身体参数（体长、体高、体角），分析发现这三项参数在 Ctrl、CRS、CP、CPCRS 四组小鼠间均存在显著差异（图 4a）：其中 CPCRS 组体长最短、体高最低、体角最小，Ctrl 组体长最长、体高最高、体角最大，CP 与 CRS 组介于两者之间，提示身体参数可能与小鼠病理状态（痛觉、情绪）存在关联。为可视化身体参数的组间差异，采用 Kernel PCA（多项式核）对三项身体参数进行无监督降维，将其转化为 2 维子空间，并在每两组小鼠的子空间中构建 FDA 线性分类边界（图 4b），选择 Kernel PCA 而非 PLS，是为避免低维度身体参数数据出现过拟合问题。通过受试者工作特征（ROC）曲线分析计算各两组分类的曲线下面积（AUC）（图 4c），结果显示多数组对的 AUC 值较高（如 CPCRS 与 CP 组 AUC 为 0.84），表明身体参数降维后仍保留了区分不同病理状态的关键信息。同时，直接采用支持向量机（SVM，径向基核函数）对身体参数进行分类，并通过 2 折、5 折、10 折交叉验证（重复 1000 次）估算分类准确率（图 4d），发现 Kernel PCA-FDA 方法对 CPCRS 与 CP 组的分类效果（AUC=0.84）优于直接 SVM 分类（准确率 = 0.62444），证实结合 Kernel PCA 降维的 FDA 方法更适用于身体参数的病理状态区分，进一步说明体长、体高、体角三项身体参数可作为评估小鼠病理状态的补充指标。

FIG5通过比较 Ctrl、CP、Cer、Et 组的生理与行为指标验证 CP 模型有效性，同时评估羟考酮（OXY）对 CP 小鼠的干预作用，发现 OXY 可改善机械痛敏但无法完全恢复异常行为模式。

为验证 CP 模型及 Cer、Et 的独立作用，本研究构建了 Ctrl、CP、Cer（仅注射 Cer）、Et（仅注射 Et）四组小鼠模型，并在 CP 组基础上增设 OXY 干预组（图 5a）。建模 21 天期间，四组小鼠体重呈现显著分化（图 5b），CP 与 Et 组体重增长缓慢，终末体重显著低于 Ctrl 组，Cer 组体重与 Ctrl 组无显著差异，提示 Et 对小鼠生理状态的影响更显著。血清胰淀粉酶检测结果显示（图 5c），CP、Cer、Et 组胰淀粉酶水平均显著高于 Ctrl 组，且 Et 组高于 Cer 组，证实 Cer 与 Et 均可诱导胰腺损伤，且 Et 的损伤作用更强，同时说明 CP 模型构建成功。von Frey 试验结果显示，CP 与 Et 组腹部机械痛退缩频率显著高于 Ctrl 组，Cer 组与 Ctrl 组无显著差异；而 CP 组注射 OXY（5mg/kg）后，von Frey 试验退缩频率显著降低（图 5e），表明 OXY 可改善 CP 小鼠的机械痛敏。通过 BeA 系统分析各组行为 motif（图 5f-j），将 Cer、Et 组 motif 数据投影至 “Ctrl-CP” 二维子空间，发现 Cer 组散点与 Ctrl 组混合，Et 组散点分布于 Ctrl 与 CP 组之间，提示 Et 单独作用不足以诱导典型 CP 行为模式；将 OXY 组 motif 数据投影后发现，其散点距分类边界的距离与 CP 组无显著差异（，图 5j），表明 OXY 虽能改善机械痛敏，但无法完全恢复 CP 小鼠的异常行为模式，这与 OXY 仅作用于痛觉信号通路、不影响行为调节通路有关。

• 抑郁症可显著加剧慢性胰腺炎小鼠的内脏痛敏，且该结论在传统痛觉指标与 3D 行为分析中均得到验证；

•   识别出 5 种与内脏痛高度相关的特异性行为模式（梳理、弓背、迈步、奔跑、左转），可作为内脏痛的客观行为标志物；

•   BeA 系统（3D 行为 motif + 身体参数）可全面量化内脏痛相关行为改变，比传统单一指标更具优势；

•   羟考酮可改善 CP 小鼠的机械痛敏，但无法完全修复其异常行为模式，提示内脏痛的行为改变可能涉及更复杂的神经机制。

• 填补了抑郁症与 CP 内脏痛关联的动物研究空白，为临床 “抑郁 - 内脏痛” 共病机制研究提供动物模型；

•   提出的客观行为标志物可助力内脏痛转化研究，为临床诊断、治疗效果评估提供新工具；

•   揭示了羟考酮在行为层面的干预局限，为后续镇痛药物研发提供方向。

该研究论文应用了一湾生命科技(BAYONE)自主研发的 3D-AI 小鼠行为分析系统，为抑郁与 CP  模型小鼠自发行为的精细化研究提供了重要工具支撑。一湾生命科技致力于通过 AI 技术，为脑科学及脑疾病研究等领域提供新一代更高效、更精准的仪器、软件、服务和标准。一湾生命科技专注于推动 AI 精细行为学技术在神经疾病模型的研究中发现新的生物标志物、表型鉴定及愈后评估等方面的应用。如果您对这一技术感兴趣，欢迎了解更多关于 BehaviorAtlas 3D-AI 动物行为分析系统 的信息！

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