动物行为评估与卷积神经网络相结合研究芥末-酒精味-嗅相互作用

Wasabia japonica，俗称 wasabi，在食品制备方面已获得认可 ^1,2。它在食用时会引发强烈的感官体验，其特征是流泪、打喷嚏或咳嗽，这是众所周知的。芥末的这种独特的辛辣味可归因于化学感应异硫氰酸酯 （ITC） 的同源化合物。它们是挥发性有机硫植物化学物质，可分为 ω-烯基和 ω-甲基硫代烷基异硫氰酸酯³。在这些化合物中，异硫氰酸烯丙酯 （AITC） 是十字花科植物（如辣根和芥末⁴）中发现的最主要的天然 ITC 产物。商业芥末酱通常由辣根制成，这使得 AITC 成为用于这些商业产品质量控制的化学标志物⁵。

将膳食酒精饮料与芥末菜肴搭配可以被认为是文化性格的一个例子⁶.主观上，这种组合可能会补充芥末和烈酒之间的辣味和热量，从而增强整体烹饪体验。动物定性行为评估 （QBA） 是一种全面的全动物方法，它使用数字术语⁷ 检查受试者对短期或长期外部刺激的反应行为变化。该方法包括疼痛测试、运动测试、学习和记忆测试，以及专为啮齿动物模型设计的情绪测试⁸。然而，直到现在，调查味觉与嗅觉的协同感官评估的研究在文献中仍然很少 ^9,10。大多数关于化学感觉的研究仅限于分别检查个人食物和饮料的消费¹¹。因此，缺乏关于味觉-嗅觉相互作用的研究，涉及在食用芥末时闻酒的行为。

由于芥末诱导的刺痛感被认为是伤害感受的一种形式¹²，因此动物行为评估非常适合评估啮齿动物的伤害感受反应 ^8,13,14。Langford 等人开发了一种评估小鼠伤害感受的方法，称为小鼠鬼脸量表 （MGS） 评分^15,16。这种行为研究方法是一种与疼痛相关的评估方法，依赖于对实验小鼠表现出的面部表情的分析。实验设置很简单，包括一个透明笼子和 2 个用于视频录制的摄像头。通过结合先进技术 17,18,19 进行自动数据捕获，可以获得定量和定性的行为测量，从而提高行为监测期间的动物福利 ²⁰。因此，MGS 有可能以不间断和随意的方式应用于研究各种外部刺激对动物的影响。但是，评分过程仅涉及选择少量（少于 10 个）视频帧图像供小组成员评估，并且需要事先进行培训。对大量样本图像进行评分可能是一项劳动密集型工作。为了克服这个耗时的挑战，一些研究采用了机器学习技术来预测 MGS 评分^21,22。然而，重要的是要注意 MGS 是一项持续的衡量标准。因此，多类分类模型更适合评估逻辑和分类问题，例如确定小鼠同时摄入芥末和嗅酒的图像是否与正常小鼠的图像相似。

在这项研究中，提出了一种研究小鼠味觉-嗅觉相互作用的方法。该方法将动物行为研究与卷积神经网络 （CNN） 相结合，以分析小鼠受试者的面部表情。在正常行为条件下，在芥末诱导的伤害感受期间以及在专门设计的笼子中嗅酒时，对两只小鼠进行了三次观察。对小鼠的面部表情进行视频记录，并利用生成的帧图像来优化深度学习 （DL） 模型的架构。然后使用独立的图像数据集对模型进行验证，并部署以对从实验组获取的图像进行分类。为了确定小鼠在食用芥末期间同时闻酒时芥末刺激性抑制的程度，人工智能提供的见解通过与另一种数据分析方法（MGS 评分¹⁶）的交叉验证进一步证实。