實驗動物行為與環境質量研究進展

田立立, 魏曉鋒, 高 誠(上海實驗動物研究中心, 上海 201203)

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實驗動物行為與環境質量研究進展

田立立, 魏曉鋒, 高 誠
(上海實驗動物研究中心, 上海 201203)

[摘要]實驗動物行為是其針對某種刺激的反應或因與其所在的環境相互作用形成的生活方式，包括本能行為和學習行為。這里的環境指動物直接生活的場所，包括實驗動物設施和飼養籠盒。本文主要綜述環境條件對實驗動物的生活和行為造成的影響，并結合實驗動物相關標準，探索動物生存環境的適宜條件和合理水平，為提高動物福利提供依據。

[關鍵詞]實驗動物; 環境; 行為; 動物福利; 環境豐富

實驗動物是為了滿足科學研究需要而專門培育的一類動物, 和生活在開放環境中的動物相比, 實驗動物兼具作為科學研究條件和一個完整生命個體的雙重屬性[1]。在人工控制的基礎上, 實驗動物通常較長時間甚至終生或者數代都生活在一個高度受控的固定環境中, 實驗動物及其生活的環境構成了一個相對簡單和封閉的生態系統，因此環境質量的好壞對其影響很大[2]。實驗動物屬于有生命的研究材料,它們能感受機體的疼痛和精神的痛苦，也具有基本生存需要和不同層次的心理需求，環境的影響通過應激和適應來改變一些具體的實驗動物行為。近年來日趨受到重視的實驗動物福利從人文關懷角度出發, 主張身心安康與快樂, 即生存需求和心理需求的雙重滿足[1,3]。實驗動物行為是比較適宜的福利評價指標，本文從動物福利角度出發，綜述了環境質量對實驗動物行為的影響，希望對實驗動物福利工作的展開和實驗動物標準化的推進有所裨益。

1 實驗動物行為的分類和特點

依據現行標準，傳統的實驗動物多為哺乳動物，常用的是小鼠、大鼠、豚鼠、倉鼠、兔、犬、猴、小型豬等，其中以鼠類為代表的嚙齒目動物占使用總量的80%以上，而小鼠又占整個嚙齒目實驗動物使用量的70%以上。本文主要從這些常見實驗動物著手進行論述。

實驗動物有各種行為，通常這些行為有助于完成某些生理功能或是保持健康生活的必要需求，雖然漫長的實驗動物化過程使其喪失了部分自然界同類的特性，但其行為依然有章可循。按照行為產生的因素，實驗動物行為可分為先天行為和后天行為兩大類。結合具體的功能和行為目的，又可分為如下幾種：攝食行為、排泄行為、呼吸行為、繁殖行為、運動行為、節律行為、占域行為、社群行為以及嚙齒類動物特有的嚙齒行為[4]。此外，在實驗動物的正常行為受到抑制、環境刺激過于強烈持久或者缺乏刺激等情況下，可能會引起某些異常行為，如一直身處禁錮封閉環境會造成實驗動物的刻板行為(無意義重復某種動作)[1]。

攝食行為指機體為個體生存、保障身體各器官的功能和從事各種活動的能量需要所進行的取食行為。相應地，作為一種反射性活動，排泄行為主要指的是代謝產物以糞便和尿排出體外的過程以及該過程的各種表現形式。呼吸運動是正常機體內一種有節律、持續的運動，實驗動物通過調節呼吸行為來適應變化的環境和維持生存。繁殖行為是繁衍培育下一代的行為，是遺傳信息傳遞的過程，從而生物多樣性和生物個性得以保持。繁殖行為和攝食行為都屬于本能，是生命存在的兩大根本需要。運動行為依賴于一定的身體結構，有助于實驗動物的生長、健康、獲取食物和趨利避害。可分為有目的的行為和無目的的隨機活動，如動物的爬行、奔跑、游泳、飛翔以及攻擊防御等。節律行為[5]是指動物的活動或運動適應環境中自然因素的變化而發生有節律性的變動，包括年節律、月節律和潮汐節律、晝夜節律、短周期節律和間歇節律。占域行為是指在實驗動物直接生活的場所中，它們需要一個用于趴臥、站立、轉身、伸展四肢和修飾自己的空間以及躲避攻擊和玩耍的附加空間，并進行有效防衛。嚙齒行為是指動物的啃咬行為。兔以及嚙齒類動物如大鼠、小鼠、豚鼠等上下頜只有一對門齒，門齒無根，能終生生長。它們需要不斷啃咬磨牙來保持門齒的合適長度，以防門齒過長而影響進食甚至損傷口腔。

社群行為[4,6]是同種動物間或異種動物間的集體合作行為，也可稱為社會行為。因為許多動物為群居，個體間都有相互接觸和交流的動機和欲望，這需要社群行為來調節。社群行為有助于動物適應復雜多變的生活環境，從而維持個體和種群的生存繁衍。整個“社會”中的不同個體并非簡單的集合，而是有分工和合作，共同完成某項活動，如蜜蜂和螞蟻是典型的社會性昆蟲。在鳥類和哺乳動物社群中，社群行為更多地體現為攻擊行為，因為優勝者有自己的領地和資源，對周圍環境有更大的掌控權。動物在交流過程中通過動作、聲音、氣味等來傳遞信息。對于人工飼養的實驗動物來講，社群行為受人的影響很大，飼養人員容易操作的地方就是環境因素。比如控制動物的種群密度，減少因密度增加引起的種內斗爭。鼠類等喜安靜的動物應與噪聲大的動物分開飼養。靈長類動物可以通過成對飼養來消除其孤獨感。還可以通過環境豐富來促進社群行為多樣化。

實驗動物行為的特點可歸納為共性和個性兩個方面。從生存和繁衍的層面考慮，本能行為是存在共性的，比如饑餓的時候需要攝食是普遍現象;而具體到不同種屬的動物，尤其是實驗動物，解剖生理結構的不同、心理因素的差異以及環境質量的好壞必然會引起各種應激反應，從而出現行為的多樣性。如溫度過高或過低導致實驗動物抵抗力下降，易于患病。在低濕度條件下，小鼠和大鼠的哺乳雌鼠常發生吃仔現象，仔鼠也常會出現發育不良[1,7]。由于實驗動物都生活在有限空間的籠具中,通常飼喂成品飼料, 大鼠、小鼠、豚鼠不定量、不限時的自由采食，而兔、貓、犬定時定量飼喂，豬攝食無節制且有拱土覓食的習性。豚鼠和兔會通過食糞行為(吞食肛門處的軟便)來補充營養。獼猴不能體內合成維生素C，主食之外，應輔以瓜果蔬菜。又如動物對于氣味十分敏感，更換墊料后會因為氣味的缺失有時會出現噬咬行為。

2 實驗動物環境因素

實驗動物終生生存在嚴格限制的固定空間中，其自身并不能選擇適當的環境生活。環境因子不僅可以影響其生長發育、繁殖性能以及各種生物學特性，而且會影響其接受實驗處理后的反應結果。

2.1 實驗動物環境因素的組成和分類[1,7,8]

廣義的實驗動物環境是指除實驗動物機體遺傳因素以外的一切因素，包括內部環境和外部環境。而通常所指的實驗動物環境是實驗動物和動物實驗設施的內部環境，為實驗動物直接生活的場所，又可分為大環境和微環境。大環境由放置實驗動物籠器具等飼育設備的飼養空間組成，微環境由實驗動物直接棲身的飼養盒或籠的空間組成。實驗動物依靠自身的適應機制應對外界環境的不斷變化以保持內環境相對恒定。影響實驗動物的環境因素很多，廣義上可分為如下幾類：(1)氣候因素：溫度、濕度、氣流和風速等；(2)物理、化學因素：噪聲、光照、換氣、粉塵、藥劑和有害氣體；(3)居住因素: 房屋、攝食、設備、籠具、食具、飲水器和墊料；(4)生物因素：可分為同種生物因素和異種生物因素。同種生物因素指同一種屬動物之間的社會地位、勢力范圍、求偶斗爭、飼養密度等; 異種生物因素主要指微生物、寄生蟲、其他種屬的動物以及人類的飼育管理和實驗操作等。

2.2 實驗動物環境因素的作用

環境對實驗動物的影響往往是多種環境因素復合作用的結果。溫度和相對濕度、氣流速度和換氣等各種因素會影響實驗動物的體溫調節，從而影響其各種行為; 飼養間的惡臭氣體除了與上述幾種因素密切相關外，還與飼養密度、清掃頻度和籠具類型等有關。因此，考慮環境因素對實驗動物的影響，應立足于環境復合因素并進行綜合評判[7]。實驗動物在長期的進化過程中，形成了自身對環境的要求和對環境變化的適應能力。環境的變化作為外源性刺激，會引起實驗動物機體的適應性反應，以維持穩態，保證機體與環境的平衡, 實驗動物的這種適應能力與自然狀態下的動物是不同的。當環境在適宜的范圍內變化時，實驗動物僅靠特異性的適應性反應就可以保持生命活動正常，一旦環境變化加劇，實驗動物就需要動員非特異性反應，通過應激代償機制來適應環境變化，進而維持內穩態和環境之間的平衡，保持生命活動正常進行[1,9]。實驗動物所能夠適應的這一環境變化范圍稱為適應范圍，當環境變化超出實驗動物的適應范圍時，機體就無法再維持體內平衡，生命活動進入病理狀態，最后導致死亡。

從動物實驗層面考慮，環境因素也必須加以控制。1959年Russell和Bruch提出，環境通過影響動物的基因型從而決定表現型，而表現型又受周圍環境的影響而出現不同的演出型。所以，環境因素影響最終的實驗結果，而且環境因素的變化還可以導致生物遺傳物質的改變。根據基因型、表現型、演出型和環境間的關系，動物實驗處理的反應可用公式: R=(A+B+C)×D±E表示。其中的D為環境因素，與實驗動物的總反應R呈正相關，起著主要作用。此外，實驗動物賴以生存的籠具、飲水、空氣、墊料等飼育環境因子直接影響實驗動物的健康和福利，以及動物實驗結果的可靠性。因此，為了兼顧動物實驗結果的可靠性和實驗動物的健康與福利，環境因素的控制尤為必要。

2.3 環境因素的管理和控制[7,10-12]

國外一般不制定統一的實驗動物設施環境的國家標準，而是由實驗動物行業組織在遵守法律法規的基礎上制定相應的技術規范，我國在參考了一些國家或地區指南和部分大型實驗動物機構標準的基礎上制定了實驗動物環境標準。根據我國國家質量監督檢驗檢疫總局于2010年12月23日發布的實驗動物環境及設施國家標準 GB14925-2010 規定，主要控制實驗動物的飼育環境，即實驗動物飼養室和動物實驗室內的溫度、相對濕度、氣流速度、空氣中顆粒物與微生物、有害氣體、壓差、噪聲和光照等可產生直接影響的環境因素，并對環境因子具體的技術指標進行了規定。當然，實驗動物的環境控制歸根結底要從實驗動物設施的建造計劃起，延續到后面的日常管理。應根據不同種屬實驗動物的生物學特性和行為習性進行科學規劃設計，建設布局合理、空間足夠、采光通風良好的飼育設施，滿足實驗動物對居住舒適性的要求。GB14925-2010對設施的選址、建筑衛生要求和一般要求、工藝布局、廢物處理以及籠具、墊料、飲水等進行了規定。實驗動物環境控制和管理應以動物和人為中心，整體進行運作，包括設施建筑計劃、設計施工、飼養和實驗器材選擇等，保證建筑維護、飼養管理、衛生管理和事務系統內的經營管理有機協調后充分發揮功能[7]。

在環境管理過程中，實時監測飼養動物的環境狀態是否能穩定維持在適宜的狀態至關重要。同微生物監測和遺傳監測一樣，環境監測是環境管理的關鍵環節，甚至影響其它過程。在環境管理過程中，實驗動物行為控制是不可分割的一部分，因為動物對環境刺激的感知必然會帶來行為學的各種變化。若能通過人為方式有效轉移動物注意力，就可避免應激行為的出現。例如，籠養猴時可以用隔板把猴王和其他猴隔開，使彼此看不到對方;在豬舍的屋頂安裝懸掛的鏈條利于其啃咬，可以緩解豬間斷飼喂時皮質醇分泌增多帶來的應激[1]。另外，合理利用動物早期經歷也是改善其行為的一個有效方法。如在動物實驗開始前，先進行短時低頻的模擬操作，循序漸進，逐漸增加次數和提高強度，平穩過渡到正式操作，緩解實驗操作對實驗動物帶來的應激，從而避免了劇烈的行為學變化。對于猴、犬、兔等高等實驗動物，通過馴遛、撫慰、玩耍等活動，可以有效消除動物的緊張不安，使得實驗操作順利進行。2014年發布的GB/T 27416-2014《實驗動物機構·質量和能力通用要求》第5章對實驗動物設施的規劃設計和建造給出了許多具體規定，第6章的動物飼養部分對動物飼養及環境進行了詳細的描述，如6.2節的環境控制和監測，規定所有功能區域的環境控制指標和參數要符合要求，而且要定期監測和檢查，環境條件應滿足不同動物種類的需求等[13]。

3 實驗動物行為管理和環境豐富

適應變化和趨利避害是動物與生俱來的能力，但是標準化的人工飼養環境使生活其中的實驗動物缺少足夠的刺激和適當的途徑來維持此能力，從而導致實驗動物的各種異常行為和福利問題。因此，有效的行為管理和豐富的環境也是實驗動物行為環境質量的重要組成部分。

3.1 實驗動物行為管理[1,14]

動物的異常行為往往源于焦慮恐懼等異常的情緒，找到誘因是很關鍵的一步，然后施以合理的行為管理技術，以利于最大程度消除誘因和減少動物的各種異常行為。常用的方法有轉移注意力和誘導輔助等。應激馴化是一種循序漸進的行為管理技術，在動物接受較強的刺激之前逐漸給以低頻度的弱刺激來誘導其進入抵抗階段，不斷提高適應性。調教能夠促進人和實驗動物之間的良好互動，有效緩解未知的刺激。例如, 工作人員可以通過調教與犬建立起相互信賴的關系，常規的護理操作包括喂食、撫摸、散步等從而減少后續實驗操作給犬帶來的異常行為。豬和羊等大動物也需要人的互動，經常性的照料獎勵會讓它們配合研究工作的開展。對于獼猴等非人靈長類動物來說，它們動作敏捷，好奇心和模仿能力強，調教和獎賞就顯得尤為重要。GB/T 27416-2014《實驗動物機構·質量和能力通用要求》第6.3節專門論述動物行為管理，如規定應以群居方式飼養動物，盡量提供群居動物肢體間接觸的機會，為實驗動物提供可表達其天性的物品或裝置，讓專業人員觀察和檢查動物的福利及行為狀況等，這都體現了行為管理在動物福利工作中的重要性[13]。

3.2 實驗動物環境豐富

環境豐富即增加刺激并提供選擇滿足動物物種特定需要以改善動物的機體和心理福利的所有環境改善措施，近年來國內外關于環境豐富在實驗動物飼養管理中重要作用的研究和報道很多。Takahashi 等[15]在創傷后應激障礙大鼠模型中發現環境豐富能夠激活大鼠海馬的自噬信號通路，從而有效改善其麻木/躲避行為。Gri an-Ferré等[16]在快速老化模型小鼠的生長早期給予環境豐富處理，小鼠的大腦尤其是海馬體的發育過程中，在分子、細胞和行為學水平都有獲益，比如神經營養因子表達增加。Mileva 等[17]在研究環境豐富影響雌性Wistar-Kyoto大鼠行為的過程中表明，環境因素對興趣缺失有重要影響, 環境豐富能夠改善大鼠的興趣缺失狀況，而孤立環境飼養則相反。Li等[18]研究表明, 環境豐富手段能夠有效阻止酒精誘導的C57BL/6J小鼠條件性位置偏愛的恢復。Soares等[19]一項關于營養不良大鼠的研究表明，環境豐富能夠逆轉早期營養不良導致的糖皮質激素受體表達下調，并對營養不良帶來的腦部損傷發揮神經保護作用。O'Connor等[20]還利用嚙齒類動物喜歡藏匿的本能行為, 設計了一種謎箱(Puzzle Box)，該方法簡單經濟, 可以評估不同的環境豐富措施對嚙齒類動物的認知能力的影響。

環境豐富并沒有固定的模式和標準，其實施過程多種多樣，通常分為社會增益和物質增益，物質增益又包括住筑巢材料和空間、感官和食物等[21-23]。如在小鼠籠盒中放置的紙盒、PVC管道供其鉆越躲避; 為大鼠提供轉輪; 所有嚙齒類動物和家兔都會用到磨牙棒; 非人靈長類除了利用棲木等攀爬玩耍外, 還可能會玩收音機之類的復雜設備等, 均可激發其探索天性, 減少刻板行為[1]。在人工標準化飼養的限制下, 這些玩具的應用為實驗動物表達天性提供了解決渠道。利用聽覺、視覺、嗅覺等環境干預手段也可以有效管理動物的行為。例如，胡櫻等[24]研究表明，音樂、色彩干預可影響小鼠的制動行為; 刁波等[25]研究表明, 輕音樂可以影響大鼠的繁殖行為。此外，飼料的形狀、給料頻次、給料時間的變化都可以用來豐富動物的環境。針對不同動物的采食習性, 設置便于動物表達物種特異采食行為的不同措施也是一種增益手段。環境豐富可以使動物對有害刺激的反應能力增強, 而動物行為的變化直觀揭示了動物通過行為選擇來緩解應激的機制。當然，環境豐富也并非有百利而無一害，要視情況而定。Li等[26]研究顯示, 產后早期給予環境豐富可能會干擾雌性大鼠的母性行為，并導致仔鼠焦慮，該非預期效應可能與環境豐富措施干擾母體的情感行為發展有關。所以，在設定環境豐富措施前應結合不同種類動物的行為特點和需求進行評估，同時也要考慮成本、人員培訓教育、職業健康安全、持續評估等因素[23]。

4 結語和展望

實驗動物環境對實驗動物的生長和行為影響意義深遠。我國近年來在實驗動物設施建設上投入了很多人力、物力和財力，也頒布了實驗動物環境及設施標準，但是如何對實驗動物環境質量進行綜合評估，如何對環境質量變化引起的實驗動物行為學變化進行評估，如何進行有效的實驗動物福利評估, 國內鮮有報道。傅江南[27]提出的實驗動物環境系統定量評價方法借助數學模型對單因子環境因素和子系統環境因素綜合指數進行評價，此方法若能結合大量細致的實際工作，對各種環境因素的重要性作出準確的評價，想必非常有助于整個實驗動物環境系統質量的提高和優化。在此基礎上，結合一些比較成熟的實驗動物行為學評估技術，相信我國的實驗動物福利工作將會有長足的發展和進步。

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Progress in Research of Laboratory Animal Behavior and Environment

TIAN Li-li, WEI Xiao-feng, GAO Cheng
(Shanghai Laboratory Animal Research Center, Shanghai 201203, China)

[Abstract]Laboratory animal behavior colligates the wild and wonderful ways in which animals interact with each other living beings, and with the environment. These behavior is the product of an individual’s innate qualities (“nature”) versus those shaped by personal experience (“nurture”). Environment contains all the resources with which the animals come directly in contact. This article reviews the effects of environment factors on laboratory animal behavior. Based on the related standards, the paper explores the relationship between environment control and laboratory animal holding, which will benefit the animal welfare.

[Key words]Laboratory animal; Environment; Behavior; Animal welfare; Environmental enrichment

[中圖分類號]Q95-33

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-5817(2016)03-0237-05

doi:10.3969/j.issn.1674-5817.2016.03.016

[收稿日期]2015-12-07

[基金項目]科技部支撐計劃項目(2011BAI15B03)，上海市科學技術委員會科研計劃項目(15DZ2292400)

[作者簡介]田立立(1986-), 男, 助理研究員, 從事實驗動物環境檢測和研究工作。E-mail: skyrope@126.com

[通訊作者]高 誠(1961-), 男, 研究員, 從事實驗動物質量控制和實驗動物福利研究。E-mail: gaochengdgb@126.com