本次介绍的论文聚焦利用机器学习解析精子运动异质性，以计算机辅助精子分析（CASA）系统数据为核心，提出 通过监督 / 无监督学习挖掘运动亚群，创新轨迹可视化方式提升识别精度。论文突破传统分析维度，保留完整运动信息，但局限于二维运动，且没有关联到后续的受精与妊娠，为生殖生物学研究提供新路径的同时，也指明了后续优化方向。
Aragón-Martínez, Andrés. Unraveling sperm kinematic heterogeneity with machine learning. Asian Journal of Andrology ():10.4103/aja202544, August 12, 2025. | DOI: 10.4103/aja202544
CASA 系统运动参数（VSL）计算流程示意图
一、研究背景：核心矛盾与价值
计算机辅助精子分析（CASA）系统是解析精子运动的核心工具，可生成二维（x,y）运动原始坐标（用于构建轨迹）及 8-12 项浓缩运动参数，为识别精子运动异质性提供基础。但传统研究存在瓶颈：单变量统计无法处理多维度数据，易掩盖异质性；早期商业 CASA 系统部分不支持原始坐标存储，导致运动信息丢失。
一方面，传统单变量统计方法（如仅计算单个参数的均值、离散度）无法处理 CASA 的多维度数据，易忽略参数间关联性，甚至掩盖精子固有的运动异质性（同一精液中精子运动模式的差异）；另一方面，早期商业 CASA 系统存在局限，部分不支持原始坐标的存储与导出，导致研究人员无法后续重建轨迹，仅能依赖浓缩参数分析，造成运动信息丢失。
精子运动异质性对辅助生殖技术（人类医学与家畜育种）至关重要——不同运动亚群的精子对环境物质（如碳酸氢盐、毒素）的响应及与卵子结合的能力存在差异，准确解析异质性是优化精液剂量生产、提升生殖效率的关键。
精子轨迹类型与数据增强表示法示意图
二、技术与方法：核心路径
为获取可靠的精子运动数据，研究以 CASA 系统为核心搭建数据采集体系：依托计算机视觉技术完成精子检测、连续帧中（x,y）坐标追踪，结合 “像素 – 微米” 校准与观测时间，自动计算速度、线性度、拍频等运动参数并生成轨迹。针对商业 CASA 系统成本高、原始坐标封闭的问题，研究团队基于 ImageJ 平台开发开源工具（如 CASA 软件、OpenCASA），支持坐标与参数同步存储，且适配鱼类、马、猪、人类等多物种精子分析，为后续研究提供低成本、完整的数据支撑。
在数据处理阶段，首先采用传统统计方法探索：通过主成分分析（PCA）对浓缩运动参数降维，再用层次聚类算法（凝聚式或分裂式）划分运动亚群，最后结合描述性与推断性统计分析 pH、激素等处理对亚群的影响，但该方法因依赖浓缩参数，无法重建轨迹，存在信息丢失问题。
为突破这一局限，研究引入机器学习技术优化分析流程：监督学习方面，以人工标注的精子运动类型（如超激活型、活动型）为训练数据，采用支持向量机（SVM）算法，基于 CASA 浓缩参数实现运动模式自动分类，已在多物种中验证有效性，仅存在人工标注耗时的不足；无监督学习则无需标注，通过 Python 工作流将 CASA 原始坐标重建为轨迹图像，输入聚类算法即可自动挖掘潜在运动亚群。同时，研究还通过图像变换（随机翻转、旋转等）进行数据增强以提升模型鲁棒性，并创新采用核密度估计（KDE）图、热图替代传统线图表示轨迹，更充分利用空间信息，尤其提升了超激活精子的识别精度。
轨迹图像聚类的 “数据 – 模型” 全流程示意图
三、研究结果：关键发现
商业 CASA 系统局限明显，部分不开放原始坐标，导致仅靠浓缩参数无法识别全部运动亚群；部分仅提供参数区间值而非单个精子数据，进一步降低亚群识别准确性。而开源 CASA 工具有效解决这些问题，既支持原始坐标存储，又适配多物种分析，为机器学习提供完整数据支撑，突破了数据瓶颈。
机器学习应用效能突出：无监督学习能稳定挖掘运动亚群，还可捕捉环境干预（如 5 – 羟色胺 2A 受体抑制、色氨酸添加）对轨迹的影响；监督学习（SVM）对人类精子运动模式分类准确率高，结合 KDE 图等增强轨迹表示法后，超激活精子识别灵敏度显著提升，弥补了传统阈值法的不足。
双变量分析显示，精子暴露于氯化汞等毒素或碳酸氢盐等调节剂时，会出现高 VAP – 高 LIN 的特殊亚群，证实运动异质性与环境响应相关。研究还推测，异质性可能源于精子发生与附睾成熟阶段分子分布不均，且直接影响辅助生殖效率，为后续机制研究指明方向。
传统轨迹表示与数据增强表示（KDE 图）对比示意图
四、研究创新：核心突破
研究在技术方法上实现多维度创新：首先拓展分析维度，突破传统依赖浓缩参数的局限，首次将精子轨迹图像作为机器学习输入，完整保留轨迹形态、空间分布等信息，让结果更贴近精子运动真实状态，避免参数浓缩导致的信息丢失。
其次创新轨迹可视化方式，传统线图难以清晰呈现空间规律，而 KDE 图、热图等增强表示法能充分利用二维（x,y）空间信息，解决线图信息模糊问题，尤其在超激活精子识别中表现突出，可精准捕捉这类特殊亚群。
此外，实现开源工具与 AI 深度融合：通过开源 CASA 工具打破商业软件数据垄断，降低数据获取成本；结合 Python 构建 “数据获取 – 轨迹重建 – AI 分析” 一体化流程，提升研究可重复性，降低多物种精子异质性研究门槛。
五、研究局限与未来展望
研究仍存在局限：数据获取上，部分商业 CASA 不开放原始坐标，制约多中心数据共享；机器学习上，模型依赖高质量数据，现有标注数据集规模有限，无监督学习结果需更多生物学验证；运动分析仅覆盖二维，3D 检测技术（如精子鞭毛 3D 成像）成本高、可及性低，难以普及。
未来方向明确：优化开源 CASA 工具，推动数据标准化与跨平台共享；扩大标注数据集，提升模型跨物种泛化能力；探索轨迹增强表示法的临床应用，开发 “优质精子自动筛选” 系统；推进 3D 技术低成本化，整合入现有体系，实现精子运动全方位解析，为生殖研究与生育力评估提供精准支撑。