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技术文章
研究人员用AI技术突破动物个体的自动识别难题
点击次数：3918 发布时间：2020/12/17 9:20:54
西北大学郭松涛教授长期从事野生动物保护和行为生态学研究，在人研究的基础上，经过多年探索，团队实现了对野生金丝猴的近距离观察和个体识别（图1），从而揭开了野生金丝猴种群的“神秘的面纱”，也推动了中灵长类行为生态学的快速发展。 然而，在野外研究中，如何能24小时准确、快速和无损伤的对野生个体快速识别和记录，直是该研究团队，同时也是全动物学家面临的技术难题，更是限制目动物行为学和保护研究发展的个“卡脖子”问题。
郭松涛教授针对这沿问题，与计算机科学域的家深度交叉融合，组建动物AI（Artificial Intelligence，即人工智能）攻关团队。与西北大学房鼎益、陈晓江教授团队和西安电子科技大学苗启广教授团队展开合作，进行动物AI研究，利用金丝猴图像数据进行金丝猴个体身份快速准确识别。该团队基于金丝猴研究团队长期对该物种特征的研究结果，利用神经网络原理，提出具有关注机制的深度神经网络模型（图2），次开发出基于Tri-AI技术的动物个体识别系统。Tri-AI系统颠覆了依靠动物个体特征（斑纹、颜色、伤疤）或者人为标记特征（如烙印、刺青、染色、环志、无线电项圈及遗传标记）的传统方法，实现了对野生个体的准确身份识别和连续跟踪采样的功能（图3）。更重要的是，该系统为在“理想条件下”实现“无观察者干扰效应”的动物学研究提供了可能。
Tri-AI系统不仅适用多个物种，还可实现对夜间数据分析（图4）。目该系统已经在灵长类的41个代表性物种和4种食肉动物群体进行了适用性验证，平均识别精度达94.1%。该技术可每识别31张图片，大的提高了个体数据分析效率，未来可作为大数据分析的核心组件，为动物学研究提供新的技术方案，也为实现野生动物保护和智能管理提供可靠的技术支撑。
该研究成果以“Automatic identification of individual primates with deep learning techniques”为题（图4），发表于CELL旗下综合性子刊《交叉科学》（iScience）。西北大学生命科学学院郭松涛教授是论文通讯作者和第作者，信息科学与技术学院许鹏飞副教授和西安电子科技大学苗启广教授为该论文的共同第作者。该技术已获得3项家发明利保护。该工作还受到家自然科学基金委、中环境科学研究院、中科学院西安分院、陕西省科技厅、陕西省林业草地局、深圳野生动物园，陕西省林业科学院，秦岭大熊猫研究中心等单位的大力支持。
支原体污染对细胞的影响
1、影响细胞的生长状态及形态支原体可使培液中支持细胞生长的营养物质含量减少，造成细胞生长缓慢甚至停止；细胞状态变差，生长变慢，在显微镜下观察可能会有小黑点，但培养基般不发生浑浊。会导致细胞微管解聚，引起细胞系列病变，表现为细胞收缩、贴壁细胞脱落、裂解等。细胞传代以后就出现细胞间黑点，细胞空泡化，很多类似凋亡、坏死的细胞，终细胞漂浮，完全死亡。
2.影响细胞的代谢和功能
（1）培液中的精氨酸被支原体大量消耗，引起细胞蛋白质、DNA、rRNA、mRNA 的合成障碍；
（2）支原体活动使培养基成分发生改变（如发酵型支原体降解糖类产生酸性物质），影响细胞代谢；
（3）支原体吸附在细胞表面，破坏细胞膜的完整性，影响细胞信号传递；
（4）支原体消耗细胞的核苷库—染色体异常。
3、其他此外，支原体污染还会影响些病毒在细胞中的产量、使恶性细胞致癌能力下降、影响淋巴细胞分化等。
、环境中的支原体污染的预防和清除
Mycoplasma OffTM是款支原体喷雾剂，用于清除工作区域中的支原体。它起效快（10钟即起效），安全无毒，对细胞不会产生不良影响，喷洒后，可再用干净纸张擦拭即可。对于工作台以及各种细胞操作的器具表面，均可使用。如果是需要避免沾染液体的电子设备，可使用Mycoplasma OffTM湿巾擦拭。
细胞孵箱、水浴锅等有温水的地方，也容易滋生支原体、细菌等。在循环水中倒入Water ShieldTM（1：200稀释）即可有效地预防滋生，效果可持续1个月左右。
Mycoplasma OffTM对许多细菌、病毒也有预防和杀灭作用。
二、细胞培养中支原体污染的祛除
通常来说，被污染的细胞应该丢弃，以避免成为污染源。但对于珍贵的细胞，可使用Minerva Biolabs公司的Mynox®或Mynox Gold®。以往别的品牌的支原体清除剂，其实只是抑制剂，它们抑制支原体的DNA合成和蛋白合成，但无法杀除。Mynox®是市面上唯款具有杀灭作用的清除剂。它提取自枯草杆菌，可与支原体膜特异性结合，破坏膜通透性，导致支原体膨胀破裂而死。使用Mynox®般在2-3个小时即可完成清除任务。
Mynox Gold®是Mynox®的升版，它通过四个疗程产生作用。每个疗程即细胞传代。它除了包括Mynox®，也包含复合抗生素成分。以往别的品牌的支原体清除剂只是针对支原体的抗生素成分，但也容易产生耐药。Mynox Gold®将Mynox®和抗生素结合，即结合了二者的优点，又去除了二者的不足，因为有的细胞对Mynox®的治疗不太适应，而Mynox Gold®要比Mynox®更加温和，对细胞的毒性效应小，因而更适用于脆弱的不太好养的细胞。
三、细胞培养中支原体污染的预防
Zell ShieldTM直译过来是细胞盾牌，它不仅能杀菌，还可抑制支原体的蛋白和DNA合成，因而能避免支原体的污染。使用时按1：100的比例加到培养基中，即可使用。它是复合抗生素成分，支原体耐药的出现几率很低。
四、细胞培养中支原体污染的监测
可使用MB公司出品的Venor® Gem系列，常用的是步法试剂盒（Venor® Gem OneStep），它采用灵敏的PCR方法，能识别常见的至少二十七种支原体。所有试剂均在管内，为稳定的冻干粉形式，用缓冲液溶解后可直接使用。细胞上清取2l即可完成支原体的筛查。
原创作者：北京缔一生物科技有限公司
