Artificial Intelligence – Assisted Neurobehavioural Assessment of Aquatic Pollutants: Valproic Acid as a Case Study in Zebrafish

Abstract

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Evaluación neuroconductual de contaminantes acuáticos asistida por inteligencia artificial: el ácido valproico como estudio de caso en pez cebra Autores: Ionut Alexandru Chelaru - “Alexandru Ioan Cuza” University of Iasi; “Vasile Alecsandri” University of Bacau (RO) Ramona Alexandra Ciausu - “Alexandru Ioan Cuza” University of Iasi (RO) Mircea Nicusor Nicoara - “Alexandru Ioan Cuza” University of Iasi (RO) Alin Stelian Ciobica - “Alexandru Ioan Cuza” University of Iasi; "Ioan Haulica" Institute, Apollonia University, Iasi; “Olga Necrasov” Center, Biomedical Research Group, Romanian Academy, Iasi; Academy of Romanian Scientists, Bucharest; University of Medicine and Pharmacy, “Grigore T. Popa”, Iași (RO) Camelia Ureche - “Vasile Alecsandri” University of Bacau (RO) Gabriel Andrei Andronic - “Vasile Alecsandri” University of Bacau (RO) Dorel Ureche - “Vasile Alecsandri” University of Bacau (RO) Resumen La creciente presencia de productos farmacéuticos en los ecosistemas acuáticos ha generado importantes preocupaciones debido a sus efectos perjudiciales tanto sobre la salud ambiental como sobre la salud humana. El presente estudio analiza la creciente preocupación por los productos farmacéuticos en los entornos acuáticos, centrándose en el ácido valproico (VPA), un fármaco antiepiléptico identificado como contaminante neuroactivo. Su persistencia en las aguas residuales y su eliminación limitada mediante tratamientos convencionales, junto con sus conocidas propiedades neuroactivas, motivaron la investigación de sus efectos neuroconductuales en el pez cebra (Danio rerio), un organismo modelo para la neurotoxicología ambiental. Las técnicas convencionales de evaluación conductual suelen verse afectadas por la subjetividad y una resolución insuficiente, especialmente cuando se analizan los efectos sutiles de exposiciones a dosis bajas o inducidos por mezclas, característicos de los entornos naturales. El estudio destaca la importancia de los parámetros conductuales como indicadores de alteraciones cerebrales y el papel de la inteligencia artificial (IA) en la mejora del análisis del comportamiento. Mediante la integración del seguimiento automatizado por vídeo con un flujo de trabajo exploratorio asistido por IA y análisis multivariantes, este estudio ilustra la viabilidad de los enfoques computacionales para detectar alteraciones neuroconductuales. Tras 96 horas de exposición, el VPA se asoció con alteraciones del comportamiento locomotor y espacial en peces cebra adultos, evaluadas mediante un subconjunto optimizado de baja varianza (n = 5 por grupo) dentro de un marco de prueba de concepto. Estos hallazgos ponen de relieve el potencial neuroactivo del VPA y respaldan el uso de modelos conductuales de pez cebra mejorados con IA para la neurotoxicología ambiental exploratoria.

The increasing presence of pharmaceuticals in aquatic ecosystems has raised significant concerns due to their detrimental effects on both environmental and human health. The present study discusses the rising concern about pharmaceuticals in aquatic environments, focusing on valproic acid (VPA), an antiepileptic drug identified as a neuroactive contaminant. Its persistence in wastewater and limited removal by conventional treatments, along with its known neuroactive properties, prompted the investigation of its neurobehavioural effects in zebrafish (Danio rerio), a model organism for environmental neurotoxicology. Conventional behavioural scoring techniques frequently suffer from subjectivity and inadequate resolution, especially when evaluating the nuanced effects of low-dose exposure or mixture-induced, characteristic in the natural environments. The study highlights the importance of behavioural endpoints as indicators of brain disorders and the role of artificial intelligence (AI) in improving behavioral analysis. By integrating automated video tracking with an AI-assisted exploratory workflow and multivariate analytics, this study illustrates the feasibility of computational approaches for detecting neurobehavioural alterations. After 96 h of exposure, VPA was associated with altered locomotor and spatial behavior in adult zebrafish, evaluated using an optimised low-variance subset (n = 5 per group) within a proof-of-concept framework. These findings highlight the neuroactive potential of VPA and support the use of AI-enhanced zebrafish behavioural models for exploratory environmental neurotoxicology.