科技助力醫藥研發更人道！國衛院攜清大開發AI電眼 提升動物實驗精緻化
【健康醫療網／記者黃嫊雰報導】動物實驗是生物醫學研究的重要一環，但過去實驗動物的行為觀察多靠研究人員以人工記錄，可能因人力和時間限制而影響觀察結果的客觀性。國衛院陳為堅副院長表示，國際間持續推動實驗動物的研究倫理規範，除了盡量減少動物使用、尋找替代方式，也強調將動物實驗「精緻化」，提升研究數據品質，同時維護動物福祉。國衛院近期攜手國立清華大學開發「AI影像辨識技術」，目前可連續24小時辨識實驗鼠飲水、理毛、進食等至少8種行為，亦可將動物行為量化成具體數據，顯示AI技術在協助研究人員觀測實驗動物的應用潛力。
動物實驗是生醫研究重要環節 傳統人工觀察常受限
一項新興治療技術進入人體試驗和正式投入臨床應用前，實驗動物模型常用於評估其潛在療效和安全性。陳為堅副院長表示，動物無法以語言表達身體狀態，研究人員需透過客觀的方式，觀察動物的行為及生理變化、再進行判斷，不過這樣的方式仍存在限制。他舉例，老鼠是常見的實驗動物，但它們屬於夜行性動物，活動最旺盛的時期與人類作息不同，有些行為也不一定持續出現，若只依靠人工觀察就有可能錯過重要的變化。
「替代＋精緻化」助減量落實 優化實驗設計兼顧動物福祉
國際間普遍以3R原則作為實驗動物研究的倫理基礎，包括減量（Reduction）、替代（Replacement）及精緻化（Refinement）。陳為堅副院長說明，近期的研究若有其他替代方式，如體外細胞研究等，就會盡可能不採用動物實驗；若仍有必要使用實驗動物，則必須思考如何落實「精緻化」，讓動物實驗同時符合人道關懷與科學需求。
國衛院生醫工程與奈米醫學研究所陳仁焜副研究員進一步指出，「減量」較容易以使用動物數量呈現，但「精緻化」在過去較難被量化，因此容易被忽略，但其實從3R原則來看，替代必須加上精緻化，才有機會達到減量，「如果把研究品質做好、第一次就做對，自然就不需要再重覆同樣的研究步驟，進而有機會減少實驗動物的使用。」
▲國際間普遍以3R原則作為實驗動物研究的倫理基礎（圖／國衛院提供）
研究以影像技術搭配AI 可辨識8種動物行為
在上述研究中，研究團隊將一般攝影機搭配紅外線及熱顯像鏡頭，在黑暗中也可偵測實驗動物的行為，再透過無線網路將影像傳送至電腦進行分析，同時建立行為判別模型並導入深度學習與AI鑑別技術，研究成果已發表於國際知名學術期刊《iScience》。
目前觀察系統可連續24小時辨識至少8種實驗動物基本行為，包括飲水、理毛、進食、搜尋、休息／睡覺、啃咬、抓癢及直立站立等8種行為，協助研究人員長時間掌握動物的狀態，其中4種行為判定精準度達90%以上，8種行為整體精準度則達80%以上。
▲目前觀察系統可連續24小時辨識至少8種實驗動物基本行為。（圖／國衛院提供）
AI系統助量化動物行為 專家：有助動物實驗精緻化
研究團隊也利用AI觀察老鼠在不同光照條件下的活動變化，發現夜間關燈後，老鼠活動明顯增加；若日間和夜間均持續開燈，則觀察到大多數的時間，老鼠都躲藏於較陰暗的位置，顯示實驗環境的光線可能影響動物的行為。陳仁焜副研究員表示，透過長時間的資料記錄，也有助於研究人員找出異常行為出現的時間點。
陳仁焜副研究員說明，研究團隊進一步準備純水與糖水，再透過AI記錄老鼠嘴巴接觸飲水裝置的時間，研究結果顯示老鼠接觸糖水的時間高達3000秒，比純水高出10倍。將老鼠的行為轉換成量化的數值，讓研究人員不只是「看得到」，還能進一步「量得到」，正是AI輔助動物實驗精緻化的體現。
AI影像辨識對疾病研究潛在效益 國衛院持續推相關發展
陳仁焜副研究員強調，飼養實驗動物是嚴謹的工作，不管平日或假日，甚至是颱風天，都需要有研究人員親自到現場觀察動物的行為；且人類在進行觀察時，有可能不慎干擾動物，導致所取得的觀察結果不夠準確，而這類AI影像辨識技術的研發，有助於為實驗動物照護與研究管理提供新的科技工具，預期對於癌症治療、疼痛控制等研究具有潛在效益。
國衛院亦於新聞稿中表示，未來將持續推動跨機構研究與人才培育，擴大AI技術於生醫研究領域的應用，包含作為研發技術工具、提升動物實驗的精緻化、人道關懷及研究資料的可靠性，以此拓展生醫研究的發展方向。
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