人工智能识别胚胎发育的节奏和阶段

动物胚胎从受精卵细胞到功能有机体的过程中经历了一系列特征性的发育阶段。这种生物过程很大程度上是由基因控制的，并且在不同的动物物种中遵循相似的模式。

然而，不同物种之间，甚至同一物种的胚胎之间，细节上都存在差异。例如，各个胚胎阶段的通过速度可能会有所不同。胚胎发育的这种变化被认为是进化的重要驱动力，因为它们可以产生新的特征，从而促进进化适应和生物多样性。

因此，研究动物的胚胎发育对于更好地理解进化机制具有重要意义。但如何客观有效地记录胚胎发育的差异，例如发育阶段的时间?由系统生物学家PatrickMüller领导的康斯坦茨大学研究人员正在开发和使用基于人工智能(AI)的方法。

在《自然方法》上发表的最新文章中，他们描述了一种新颖的方法，可以自动捕捉发育过程的节奏并识别特征阶段，无需人工输入——标准化且跨物种边界。

每个胚胎都有点不同

我们目前对动物胚胎发生和个体发育阶段的了解是基于在显微镜下观察并详细描述不同年龄的胚胎的研究。由于这种艰苦的手工工作，如今许多动物物种都可以获得对个体胚胎阶段进行理想化描述的参考书。

“然而，胚胎在显微镜下看起来通常与示意图中的不完全相同。各个阶段之间的过渡不是突然的，而是更加渐进的，”穆勒解释道。因此，即使对于专家来说，手动将胚胎分配到各个发育阶段也不是小事，而且有点主观。

更困难的是胚胎发育并不总是遵循预期的时间表。“各种因素都会影响胚胎发育的时间，例如温度，”穆勒解释道。他和他的同事开发的人工智能支持的方法是向前迈出的实质性一步。

对于第一个应用示例，研究人员使用超过300万张健康发育的斑马鱼胚胎图像来训练他们的孪生网络。然后，他们使用生成的自动确定其他斑马鱼胚胎的发育年龄。

客观、准确、具有普遍性

研究人员证明，人工智能能够识别斑马鱼胚胎发生的关键步骤，并完全自动检测各个发育阶段，无需人工输入。在他们的研究中，研究人员使用人工智能系统来比较胚胎的发育阶段，并描述斑马鱼胚胎发育的温度依赖性。

尽管人工智能接受了正常发育胚胎的图像训练，但它也能够识别一定比例的胚胎中自发发生的畸形或可能由环境毒素引发的畸形。

最后一步，研究人员将该方法转移到其他动物物种上，例如刺鱼或秀丽隐杆线虫，它们在进化上与斑马鱼相距甚远。“一旦获得了必要的图像材料，我们基于双胞胎网络的方法就可以用于分析各种动物物种的胚胎发育的时间和阶段。即使不存在动物物种的比较数据，我们的系统也可以在客观、标准化的方式，”穆勒解释道。因此，该方法对于研究以前未知的动物物种的发育和进化具有巨大的潜力。