GrimACE：用于小鼠疼痛与幸福感的自动化多模态笼侧评估

为何关注小鼠舒适度至关重要

许多医学突破依赖小鼠实验，从新型抗癌药物到脑部治疗。但术后判断小鼠是否疼痛却出人意料地困难。如果研究者忽视警示信号，动物可能遭受痛苦，且科学结果本身也会被扭曲——因为疼痛会以改变行为和生理的方式模糊实验结果。本研究引入了一种名为 GrimACE 的新工具，它使用摄像头和人工智能在小盒子中观察单只小鼠，自动标记疼痛与恢复的迹象，旨在同时提升动物福利与研究质量。

一种更温和的观察小鼠方法

传统的术后检查依赖人工打开笼子观察姿势、梳理情况和活动，这类简短检查带有主观性，且容易忽视细微不适，尤其是猎物性动物在有人靠近时往往掩饰虚弱。GrimACE 用一个安静的、暗光的观察箱替代了这种短暂检查，该观察箱嵌入铝制框架内。小鼠被放置在带有红外照明和两台摄像机的小型丙烯酸活动区域内，一台摄像机面向面部，另一台从上方拍摄全身。这样的环境对动物而言更安全，同时能保证每只小鼠以完全相同的方式被记录，生成适合计算机分析的清晰视频。

通过小鼠面部读取疼痛信号

过去十年里，科学家发现小鼠在疼痛时面部会发生可靠变化，类似于人类的痛苦表情。所谓的小鼠痛苦面部评分量表对五个面部特征进行评分，如眼睛变窄、耳朵和须须的变化。然而，对静态图像进行人工评分既慢又需要大量训练，且评分者之间存在差异。GrimACE 将这一过程自动化：一个神经网络扫描每个视频帧并选取清晰且姿势合适的图像；另一个网络定位并裁剪面部；第三个更高级的网络对每个面部特征进行评分。作者在数百张专家评分的图像上训练这些算法，并证明自动评分与专家评分高度一致，整体一致性接近两个经过高度训练的人之间的水平。

跟踪每一步与侧面效果

GrimACE 不仅能读取表情，还能追踪全身运动。利用现代姿态估计方法，系统从上方跟踪小鼠的关键点，使研究者能够测量运动距离并将行为拆分为探索、休息、立起或梳理等模式。在两项实验中，小鼠接受了常见的脑部手术并植入微小装置。一组仅给予抗炎药美洛昔康，另一组则额外给予阿片类药物丁丙诺啡。在常规笼内检查中，所有小鼠看起来都很正常。然而 GrimACE 揭示术后大约四小时面部疼痛评分明显上升，并在两天内逐渐回落到基线水平。运动分析显示，接受丁丙诺啡的小鼠在术后不久活动明显增加，并略有更多体重下降，这与阿片类药物已知的过度活跃和副作用相符。

检验观察箱本身是否带来问题

为评估反复置入 GrimACE 观察箱本身是否会给动物带来压力或干扰读数，研究者设立了对照组：这些小鼠按相同时间表进入观察箱，但未接受任何手术或药物处理。在这些对照动物中，面部疼痛评分在数日内保持非常低且稳定，尽管随着小鼠对环境逐渐熟悉，总体活动量有所下降。详细的模式分析表明，在手术组中与疼痛或药物处理相关的行为簇在这些未处理的小鼠中并未发生变化。这表明该系统可重复用于追踪恢复，而无需长时间的预先训练或担心混淆测量结果。

这对动物护理与科学意味着什么

简单来说，GrimACE 是一台基于摄像的自动化“小鼠护士”：它在精密脑部手术后静静观察动物，捕捉人们可能忽视的微小面部表情与运动变化，并以标准化、无偏的方式执行。研究证实，常用的美洛昔康在颅骨切开术中总体上足以缓解疼痛，而添加丁丙诺啡并未显著提升镇痛效果，反而引发躁动和体重下降。更广泛地讲，该系统为实验室提供了一条实用途径，以更紧密地监测动物舒适度、优化药物方案并更早发现问题。通过使疼痛与福祉更易量化，GrimACE 有助于将人道对待与更可靠、可复现的研究结果结合起来。

引用: Sturman, O., Schmutz, M., Lorimer, T. et al. GrimACE: automated, multimodal cage-side assessment of pain and well-being in mice. Lab Anim 55, 137–146 (2026). https://doi.org/10.1038/s41684-026-01695-9

关键词: 小鼠疼痛评估, 动物福利, 自动化行为监测, 术后镇痛, 神经科学中的计算机视觉