结合动物行为评估与卷积神经网络研究芥末-酒精味觉-嗅觉相互作用

我们想探究闻酒精饮料是否能够缓解芥末的刺激感。为此，我们开发了一种结合动物行为学研究与深度学习的方法，以探索味觉与嗅觉之间的相互作用。通过使用专门设计的行为数据采集笼具以及一个可靠的深度学习模型，我们发现，在描绘芥末与酒精共同处理的图像中，有29%被分类为“芥末阴性、液体阳性”，表明酒精可能抵消芥末的作用效果。

我们的研究引发了一个问题：为什么酒精能够抑制芥末引起的不适感？阐明这种相互作用背后的生理机制将是未来研究的重点。首先，通过堆叠砖块至54毫米的高度，构建两个不透明的侧壁。

将丙烯酸板嵌入基于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的笼体中。准备一个由五块90毫米×50毫米、厚度为2毫米的透明丙烯酸板构成的饲料室。接着，准备一块透明丙烯酸板作为饲料引入板，并将其放置在饲料室内。

使用九至十周龄小鼠模型完成行为学实验后，拆卸所有丙烯酸和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯板。用超纯水至少冲洗这些板三次，然后用纸巾将其干燥。

接着，用75%乙醇喷洒，然后用镜头纸擦拭清洁。最后，让其在空气中干燥至少15分钟。现在，称量小鼠体重，并在每次行为学实验重复前记录其体重。

为了制备芥末和花生酱的混合物，称取1克市售芥末和4.5克花生酱，放入密封塑料袋中混合均匀。称重后，在饲料引入板上分别提供两份各0.5克的花生酱糊，或等量的芥末与花生酱混合物。

将准备好的饲料引入板放入饲料室中，然后在下方的凹槽中加入 30 毫升液体（纯水或酒液），以促进同时吸入。将两部智能手机分别放置在两端的手机支架上，使用手机摄像头开始录制。

将两只经过训练的小鼠同窝仔鼠从顶部小心放入指定的动物行为学研究平台，并立即用顶板固定笼子。首先，在特制笼子中记录小鼠在嗅闻酒精时由芥末诱导产生伤害性感受的行为。使用提供的名为 Step1_ExtractingAndSavingVideoFrameImages 的 Jupyter Notebook。

ipynb，从采集的视频片段中导出一系列视频帧图像，以生成用于模型训练的数据集。仅选择至少有一只小鼠在摄食所提供膏状物的图像。为进行数据增强，请执行名为 Step2_DataAugmentation 的 Jupyter Notebook 中提供的脚本。

使用 ipynb 水平翻转生成的图像。保留每个第二次重复的图像数据，用于外部独立 CNN 模型的验证。使用每次第一次和第三次重复的图像数据进行内部模型的训练与测试。

为了预处理卷积神经网络（CNN）建模中使用的图像数据，请运行名为 Step3_CNNmodeling_TrainTest.ipynb 的 Jupyter Notebook 中的脚本，包括图像缩放、黑色背景转换以及图像信号归一化。将训练数据以八比二的比例随机划分为内部训练集和测试集。

然后，初始化卷积神经网络（CNN）架构。根据需要分析的场景数量设计CNN的输出层数量，并采用最优的超参数组合来构建CNN架构。

接下来，打开提供的 Jupyter Notebook 文件 Step4_CNNmodel_ExternalValOriginal.ipynb 和 Step5_CNNmodel_ExternalValFlipped.ipynb。使用动物行为学实验第二次重复的独立图像对获得的模型进行验证。

使用 Jupyter Notebook 中的 Step6_CNNmodel_Application.ipynb 将已获得并验证的模型应用于分类实验组生成的视频帧图像。与仅给予花生酱的小鼠相比，给予芥末和花生酱混合物的小鼠其 MGS 评分显著升高。对照组与暴露于酒精蒸气的小鼠之间的 MGS 评分无显著差异。

与未接触酒精蒸汽的小鼠相比，提供芥末和花生酱的小鼠在接触酒精蒸汽后其MGS评分显著降低。