人工智能发现狗尾巴“会说话”

冯丽妃

俗话说，眼睛是心灵的窗户。对于狗狗来说，尾巴则是情感的窗户。

“它们高兴时，尾巴会摇得很快;生气时，尾巴会翘起来;害怕时，会夹着尾巴逃跑。”多年细致入微的研究，让中科院遗传与发育生物学研究所研究员张永清对家犬有了更深入的了解。

最近，张永清团队联合中科院自動化研究所研究员余山以及中科院深圳先进技术研究院研究员蔚鹏飞团队，利用人工智能深度学习算法发现狗狗的尾巴的确“会说话”：尾巴偏向右摇，表明它们跟人的关系更熟悉。他们还发现，与人类的指纹和步态相似，每只家犬都表现出独特而稳定的摇尾特征。

“动物行为是大脑功能的展示，其社会行为对于动物个体的生存至关重要。家犬的尾巴摇摆是犬与犬、犬与人之间互动的重要社会行为。”张永清团队博士生任炜说。

合作团队首次发现，在与人互动的三天时间里，家犬尾巴摆动逐渐从自身左侧向右侧偏移，而且每一只家犬的表现都非常稳定，表明其尾巴摇摆的偏侧化是一个代表熟悉程度的敏感指标。

“简言之，与不熟悉的人互动时，狗的尾巴摇摆偏左;而与熟悉的人互动时，尾巴的摇摆偏右。”张永清说。

此次生物学上的发现离不开人工智能深度学习技术的支撑。

十几年前，意大利科学家就对犬类摇尾巴进行过分析，主要是通过录制视频和人工观察，数据的分辨率较低，分析也难以深入。随着计算机视觉技术的进步，利用深度学习算法进行更全面深入的定量化分析成为可能。

“这里的深度学习，是把犬类的图片输入到神经网络模型中，利用部分图片中人工标记出的身体不同部位（如背部、尾巴根、尾巴尖等）对模型进行训练，使模型学会在大量新图片中自动识别这些身体部位的过程。”余山介绍。

合作团队搭建了基于深度学习的三维运动追踪技术平台，系统研究了13只比格犬在与人互动过程中尾巴运动的轨迹。他们共分析了2.1万余次狗摇尾巴的过程，包括尾巴移动的速度、幅度和距离。在此基础上对犬类与人互动时的摇尾特征进行定量化研究，发现了之前未曾察觉到的家犬行为的动态细节。

这些细节揭示了家犬在与人类互动过程中尾巴摇摆行为的复杂特征和组成规律，为研究家犬的社会行为和潜在的神经机制提供了一个特有的实验范式。

张永清表示，人们通常认为左右脑是有分工的，积极和消极的情绪状态与人类前额叶皮层左右两侧的激活有关。“我们推测，向左摇尾巴可能伴随着右脑的激活，而向右摇尾巴可能伴随着左脑前额叶皮层的激活。”他说，“左脑负责处理积极的情绪，表明尾巴右摇是狗狗感到高兴或舒适的迹象;而相反的情况可能意味着狗狗感到害怕或紧张。”

据介绍，这是目前首个利用人工智能方法分析家犬的情感行为的研究。

那么，这项研究的意义何在？张永清表示，生命科学和医学研究都需要动物模型，过去半个世纪，实验鼠模型在国际上发挥了巨大作用，但有很多问题不能回答，比如与情感相关的神经机制或精神疾病的致病机理和治疗手段。为此，全世界都在寻找更有效的模式动物。

“经过3万多年驯化的家犬，最大特点是有灵性，能够与人进行有效的情感交流。喜怒哀乐、嫉妒、忠诚、自律等情绪和能力，家犬都能淋漓尽致地展示出来，因此生命科学、医学，甚至是心理学都可以用家犬作为模式动物。”他说。

“人类情感研究是《科学》杂志公布的国际公认的125个重大问题之一，未来家犬在这方面一定会有独特的贡献。”张永清认为，中国做犬类研究有两个优势：我国家犬基因编辑技术走在世界前列;社会文化比较宽容，允许开展相关研究。这使得我国有望通过家犬模型，在社交和情感的神经环路机制研究方面有所突破和贡献。

在余山看来，未来学科交叉将越来越重要。正如通过深度学习助力发现狗摇尾巴的规律一样，学科交叉使得生物学研究有了强大的新工具，可以探索更深层的机制。“生物学是实验科学，更高精度的分析方法使得对生物学现象的观察从定性走向定量，进而走向机理层面的理解。”他说。

（选自2022年8月3日《中国科学报》，本刊有删改）