Migrena jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych zaburzeń mózgu na świecie, dotykającym ponad miliard ludzi1. Przedkliniczne mysie modele migreny pojawiły się jako informacyjny sposób badania mechanizmów migreny, ponieważ badania te mogą być łatwiej kontrolowane niż badania na ludziach, umożliwiając w ten sposób badanie przyczynowe zachowań związanych z migreną2. Takie modele wykazały silną i powtarzalną odpowiedź fenotypową na związki wywołujące migrenę, takie jak peptyd związany z genem kalcytoniny (CGRP). Utrzymuje się potrzeba solidnych pomiarów zachowań związanych z migreną w modelach gryzoni, zwłaszcza tych, które można połączyć z metrykami mechanistycznymi, takimi jak obrazowanie i podejścia elektrofizjologiczne.
Migrenowe stany mózgu charakteryzują się fenotypowo obecnością awersji do światła, allodynii łap, hiperalgezji twarzy na szkodliwe bodźce i grymasu twarzy3. Takie zachowania są mierzone całkowitym czasem spędzonym w świetle (awersja do światła) oraz progami wrażliwości na dotyk łap lub twarzy (allodynia łap i hiperalgezja twarzy) i są ograniczone do pojedynczego odczytu w dużych okresach czasu (minuty lub dłużej). Zachowania podobne do migreny mogą być wywoływane u zwierząt poprzez dawkowanie związków wywołujących migrenę, takich jak CGRP, naśladując objawy doświadczane przez pacjentów z migreną3 (tj. wykazując trafność twarzy). Takie związki wywołują również objawy migreny, gdy są podawane ludziom, co dowodzi trafności konstruktu tych modeli4. Badania, w których fenotypy behawioralne były osłabione farmakologicznie, doprowadziły do odkryć związanych z leczeniem migreny i dostarczają dalszego uzasadnienia tych modeli (tj. wykazując trafność predykcyjną)5,6.
Na przykład, wykazano, że monoklonalne przeciwciało anty-CGRP (ALD405) zmniejsza zachowania awersyjne wobec światła5 i grymas twarzy u myszy 6 leczonych CGRP, a inne badania wykazały, że leki antagonistyczne CGRP zmniejszają zachowania podobne do migreny wywołane podtlenkiem azotu u zwierząt7,8. Ostatnie badania kliniczne wykazały sukces w leczeniu migreny poprzez blokowanie CGRP9,10, co prowadzi do powstania wielu zatwierdzonych przez FDA leków ukierunkowanych na CGRP lub jego receptor. Przedkliniczna ocena fenotypów związanych z migreną doprowadziła do przełomu w wynikach klinicznych i dlatego jest niezbędna do zrozumienia niektórych z bardziej złożonych aspektów migreny, które są trudne do bezpośredniego zbadania u ludzi.
Pomimo licznych zalet, eksperymenty wykorzystujące te odczyty behawioralne migreny u gryzoni są często ograniczone w ich możliwościach próbkowania punktów czasowych i mogą być subiektywne i podatne na ludzkie błędy eksperymentalne. Wiele testów behawioralnych ma ograniczoną zdolność do uchwycenia aktywności w bardziej precyzyjnych rozdzielczościach czasowych, co często utrudnia uchwycenie bardziej dynamicznych elementów, które występują w skali czasowej poniżej sekundy, takich jak poziom aktywności mózgu. Okazało się, że trudno jest określić ilościowo bardziej spontaniczne, naturalnie występujące elementy zachowania w czasie przy znaczącej rozdzielczości czasowej dla badania mechanizmów neurofizjologicznych. Stworzenie sposobu na identyfikację aktywności podobnej do migreny w szybszych skalach czasowych pozwoliłoby na zewnętrzną walidację stanów mózgu podobnych do migreny. To z kolei może być zsynchronizowane z aktywnością mózgu, aby stworzyć bardziej solidne profile aktywności mózgu migreny.
Jeden z takich fenotypów związanych z migreną, grymas na twarzy, jest używany w różnych kontekstach jako pomiar bólu u zwierząt, który może być mierzony natychmiast i śledzony w czasie11. Grymas twarzy jest często używany jako wskaźnik spontanicznego bólu w oparciu o ideę, że ludzie (zwłaszcza ludzie niewerbalni) i inne gatunki ssaków wykazują naturalne zmiany w wyrazie twarzy podczas odczuwania bólu11. W badaniach mierzących grymas twarzy jako wskaźnik bólu u myszy w ciągu ostatniej dekady wykorzystano skale, takie jak Skala Grymasu Myszy (MGS), aby ujednolicić charakterystykę bólu u gryzoni12. Zmienne wyrazu twarzy MGS obejmują zaostrzenie oczodołu (zez), wybrzuszenie nosa, wybrzuszenie policzka, ułożenie uszu i zmianę wąsów. Mimo że wykazano, że MGS niezawodnie charakteryzuje ból u zwierząt13, jest notorycznie subiektywny i opiera się na dokładnej punktacji, która może się różnić w zależności od eksperymentatora. Ponadto MGS jest ograniczony, ponieważ wykorzystuje nieciągłą skalę i brakuje mu rozdzielczości czasowej potrzebnej do śledzenia naturalnie występujących zachowań w czasie.
Jednym ze sposobów walki z tym jest obiektywne określenie ilościowe spójnych cech twarzy. Zez jest najbardziej konsekwentnie śledzoną cechą twarzy6. Zez odpowiada za większość całkowitej zmienności danych, gdy uwzględnia się wszystkie zmienne MGS (zez, wybrzuszenie nosa, wybrzuszenie policzka, pozycja ucha i zmiana wąsów)6. Ponieważ mruz oka ma największy wpływ na ogólny wynik uzyskany za pomocą MGS i niezawodnie śledzi odpowiedź na CGRP6,14, jest to najbardziej niezawodny sposób śledzenia spontanicznego bólu w modelach myszy migrenowych. To sprawia, że mrużenie oczu jest wymiernym zachowaniem niehomeostatycznym wywołanym przez CGRP. Kilka laboratoriów wykorzystało cechy mimiki twarzy, w tym zeza, do przedstawienia potencjalnego spontanicznego bólu związanego z migreną6,15.
Pozostało kilka wyzwań związanych z przeprowadzaniem automatycznych skanów w sposób, który można połączyć z mechanistycznymi badaniami migreny. Na przykład trudno było niezawodnie śledzić zeza bez polegania na ustalonej pozycji, która musi być kalibrowana w ten sam sposób podczas wszystkich sesji. Kolejnym wyzwaniem jest możliwość przeprowadzania tego typu analiz w skali ciągłej, a nie w skali dyskretnej, jak w MGS. Aby złagodzić te wyzwania, naszym celem było zintegrowanie uczenia maszynowego w postaci DeepLabCut (DLC) z naszym procesem analizy danych. DLC to model uczenia maszynowego do szacowania pozycji, opracowany przez Mathisa i współpracowników, który został zastosowany do szerokiego zakresu zachowań16. Korzystając z ich oprogramowania do szacowania pozycji, byliśmy w stanie wytrenować modele, które potrafiły dokładnie przewidywać punkty na oku myszy z dokładnością zbliżoną do ludzkiej. Rozwiązuje to problemy z powtarzającym się ręcznym ocenianiem, jednocześnie drastycznie zwiększając rozdzielczość czasową. Co więcej, tworząc te modele, stworzyliśmy powtarzalne metody do oceniania, mrużenia oczu i szacowania aktywności mózgu podobnej do migreny w większych grupach eksperymentalnych. W tym miejscu przedstawiamy rozwój i walidację tej metody śledzenia zachowań zeza w sposób, który można zablokować w czasie z innymi pomiarami mechanistycznymi, takimi jak neurofizjologia. Nadrzędnym celem jest katalizowanie badań mechanistycznych wymagających ograniczonych czasowo zachowań zeza w modelach gryzoni
.