从模拟到数字使用人工智能的解剖学研究

不久前，曾经有一段时间，像凯西霍利迪这样的科学家需要手术刀、剪刀甚至自己的双手来进行解剖学研究。但现在，随着最近技术的进步，霍利迪和他在密苏里大学的同事们正在使用人工智能(AI)来查看动物或人的内部——细至单个肌肉纤维——而无需进行切割。

病理学和解剖学副教授霍利迪说，他在MU医学院的实验室是目前世界上少数几个使用这种高科技方法的实验室之一。

人工智能可以教计算机程序识别图像中的肌肉纤维，例如CAT扫描。Holliday说，然后，研究人员可以使用这些数据开发详细的肌肉3-D计算机模型，以更好地了解它们如何在体内协同工作以进行运动控制。

霍利迪和他的一些现任和前任学生最近在他们开始研究鳄鱼的咬合力时就这样做了。

“鳄鱼头的独特之处在于它们是扁平的，大多数进化到咬得很厉害的动物，比如鬣狗、狮子、霸王龙，甚至人类都有非常高的头骨，因为所有这些下巴肌肉都是垂直的，”霍利迪说。“它们是这样设计的，所以它们在吃东西时会产生很大的垂直咬合力。但是鳄鱼的肌肉更倾向于水平。”

肌肉结构的3D模型可以帮助团队确定鳄鱼头部肌肉的方向，以帮助增加它们的咬合力。帮助领导这项工作的是Holliday的一位前学生KalebSellers，他现在是芝加哥大学的博士后研究员。

“长期以来，人们一直在研究哺乳动物的下颌肌肉，假设相对简单的肌肉解剖描述可以告诉你很多关于颅骨功能的信息，”塞勒斯说。“这项研究显示了爬行动物群的下颌肌肉解剖结构有多复杂。”

几年前，霍利迪的实验室首次开始试验3-D成像。他们的一些早期发现发表在2019年的一项综合生物生物学研究中，该研究显示了欧洲椋鸟骨骼肌3-D模型的发展。

从历史上看，霍利迪说解剖学研究——以及他在成长过程中所做的大部分事情——都涉及用手术刀或剪刀解剖动物，或者他所谓的“模拟”方法。当他在1990年代后期加入“SuetheT.rex”项目时，他第一次了解到使用数字成像研究解剖学的好处。迄今为止，它仍然是迄今为止发现的最大、保存最完好的霸王龙标本之一。

霍利迪回忆起霸王龙的巨型头骨被运送到加利福尼亚州波音公司的圣苏珊娜现场实验室，在该航空航天公司的一台大型CAT扫描仪中成像的那一刻，该扫描仪通常用于扫描商用飞机上的喷气发动机。

“当时，它是世界上唯一一台大到足以容纳霸王龙头骨的CAT扫描仪，并且还具有推动X射线穿过岩石所需的能力，”霍利迪说。“从大学毕业时，我曾考虑成为一名放射技师，但通过Sue项目，我了解了他们如何通过CAT扫描这个东西，这真的引起了我的兴趣。”

如今，霍利迪说，他在MU的许多现任和前任学生正在学习通过使用他和他的同事正在创造的“尖端”成像和建模方法来理解解剖学。其中一位学生是EmilyLessner，她是最近的MU校友，通过在Holliday的实验室工作，她对“早已死亡的动物”产生了热情。

“数字化过程不仅对我们的实验室和研究有用，”Lessner说。“它使我们的工作可以与其他研究人员分享，以帮助加速科学进步，我们还可以将它们作为教育和保护工具与公众分享。具体来说，我研究这些动物的软组织和骨骼相关物的工作不仅创造了数百未来的问题要回答，但也揭示了许多未知数。这样，​​我不仅获得了成像技能来帮助我未来的工作，而且我现在拥有的不仅仅是职业价值的途径可以探索。

Holliday表示，他们还计划通过研究人类手如何从进化祖先进化而来，进一步推进他们的3-D解剖模型。该项目仍处于早期阶段，最近获得了Leakey基金会的资助。加入Holliday的将是他在MU的两位同事，病理学和解剖科学策展人特聘教授CarolWard和生物科学副教授KevinMiddleton。

虽然霍利迪实验室完成的大约90%的研究涉及研究现代世界中存在的事物，但他说他们收集的数据也可以为化石记录提供信息，比如关于霸王龙如何移动和运作的更多知识。

“通过对实际肌肉解剖学的更好了解，我们可以真正弄清楚霸王龙如何真正进行精细运动控制，以及更细微的行为，例如咬力和进食行为，”霍利迪说。

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