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动物行为实验方法学研究的回顾与展望（第一篇）

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2024-09-14 12:26

动物行为实验方法学研究的回顾与展望

动物行为学是研究动物各种行为的功能（function) 、机制 ( mechanism) 、发展 ( development) 和进化( evolution) 的一门学科［1］。动物行为学最初的研究对象是正常动物，后来扩展为实验动物，从而对生命科学尤其是神经科学的发展发挥了重要的支撑作用。动物行为实验方法学 ( experimentalmethodology based on animal behavior research) 是动

物行为学的重要内容，是融合动物学、医学、药学、生物学、电子工程、计算机和信息等多学科的基础理论、技术和方法，以正常和( 或) 实验动物为对象，在自然界或实验室内，以观察和实验方式对动物的行为信息进行采集、分析和处理，将其实验结果类比和推演到人，研究其行为信息的生理和病理意义的新兴学科。动物行为实验由于是动物整体生理和心理状态综合、全面和实时效应的反应，被认为是人类疾病表现和发病机制研究，新药发现、安全和风险监测分析的基本实验手段，在医学、药学、生命科学和军事医学等研究领域具有不可替代的地位和作用，越来越受到国际科学界的广泛重视。但目前为止，国内外未见动物行为实验方法领域的综述文章。本文对动物行为实验方法进行系统简介，为基于动物行为实验的科学研究提供参考。

动物行为实验方法学的发展历史

动物行为实验方法的起源要追溯到公元前 384 ～公元前 322 年，现代医学奠基者 Aristotle 在其著作中，论述了用人工观察的方法描述并记录了 540应用人工观察方法，研究不同物种动物的行为发生

发展机制。德国的 Johunn Pernaller 和法国的 Chorles George Lereg 分别对鸟和大型动物的物学家 H． S． Jennings 出版了第一本与动物行为实验方法学相关的专著《原生动物的行为》。1927 年， Pavlov 利用狗完成的经典的条件反射实验，首次对动物学习记忆行为的产生现象进行了系统研究，发表的《大脑两半球机能讲义》专著使得实验动物行为学研究在国际上引起广泛重视和关注，各种动物Ting Bogen 和 Lorenz 在自然和半自然条件下，对动物的行为进行了长期的研究，形成了动物行为分析和行为生态研究相结合的实验动物行为学。20世纪 30 年代，B． F． Skinner 利用自行研制的斯金纳箱研究鸽子的操作性条件反射行为，为后来的操作式条件反射学习记忆行为研究奠定了基础。当然，这些人工手段为主的研究方式的缺陷是显而易见的，如限制了同时进行实验的动物数量，使得实验周期延长，不但耗费大量的人力、物力，而且对于一些要求较短实验周期的动物模型无法进行研究;其次，人工观察会对动物行为本身产生影响，影响实验环境; 最后，实验者通过观察动物行为及其变化进行记录，在描述实验结果时不同的实验人员可能有不同的记录，不能确保实验结果的精确性、客观性和完整性，并且人肉眼观察到的信息是有限的。

世纪以来随着红外传感器、阻断磁场、多普勒转换等新兴检测技术的出现，动物行为学实验方法有了质的跨越，实现了从人工到机械化自动监测的转变。一些新的行为学实验方法不断用于动物行为学研究，可以采集动物外表活动表现 ( 自发活动、吃、喝、站立、惊恐、颤动、癫痫、静止、睡眠) ，并进行长时监测，同时使得行为学的客观和定量评价成为可能。我国科学家自上世纪 80 年代开始，研制开发了以红外感应、压力传感等传统技术为主的动物自发活动、学习记忆、疼痛等行为实验方法。

张均田等应用红外感应原理的跳台和避暗实验方法，进行了十二种化学药品对小鼠学习记忆损害的比较研究。不过，这些实验方法仍需要专家经和大量的劳动，容易导致疲劳和注意力分散，数据标准有内在的可变性和主观性; 而且主要采集的是动物单一的行为活动，不能提供对复杂行为学、或伴随发生的生理或生物力学变化的评价。需要重复测试同一批动物，或应用大量的动物才能获得多信息。

二十世纪随着计算机的出现，计算机、成像、电子工程和信息等多种新兴学科的迅速发展和各种新技术向动物行为实验领域的交叉渗透融合，一些能同时捕获多种行为信息的设备不断问世，动物行为学实验方法不断得到改进和完善。如荷兰EnthoVision、法国 ViewPoint、西班牙 Smart 等动物行为分析系统，可以获得动物在特定区域的运动路程、运动轨迹、站立次数、时间、速度、进入该区域的频次等。自动智能化的动物行为分析系统的研究对象可以涵盖大小鼠等啮齿类动物、斑马鱼、大型哺乳动物等。动物在群体中的行为更接近动物行为的本质。近年来，动物个体在群体行为的研究方法有所突破，实现了动捕食行为进行了研究。Darwin 1859 年《物种起源》、1871年《人类的由来》的问世，开始了将动物行为实验结。1906 年，动物的精准识别，长时检测，并可同时检测动物的多种行为。德国 TSE 公司建立的一体化智能行为学分析系统 ( 智能笼， IntelliCage) ，应用异频雷达收发机技术，可以精确识别在一个家笼环境中，在各种生活状态下的单只动物，从而获得多只动物在群体、家笼环境下的行为学数据，包括空间学习任务，焦虑测试，日夜节律，食物辨别和操作式强化等主要行为学模块。 Pels czi 等将 16 只小鼠同时放在一个智能笼里，

究东莨菪碱对群体环境下、不同时间窗的C57BL /6J 小鼠逆反学习能力的影响，减少了实验人员和陌生

ＲFID( radio-frequency identification) 技术识别、跟踪动物，建立了群体条件下，长时间研究动物社会行为的检测系统。采用非侵入式的颜色识别法，Ballesta 等建立了多摄像头 3D 实时追踪系统，研究非人灵长类动物的社会行为。中国科学家以计算机视觉技术为重点，相继研发出了生理信号计算机自动测试与分析系统、学习记忆、抑郁和自发活动行为检测分析系统。这些自动化、智能化的动物行为分析系统可以同时检测和分析许多行为学和生理现象，如焦虑、抑郁、学习、记忆、运动等活动模式，可以对动物行为进行长时监测，从而获得动物行为昼夜节律等更为丰富的信息，能在同一时间内评价许多行为过程，使得动物行为学实验具有高通量特性，而且减轻动物实验中运用动物带来的伦理问题。借助生物信息学工具对这些庞大的行为信息数据进行复杂的统计分析和数据挖掘，使得行为信息的捕获、收集、翻译和解析变为可视化的数据，并存储为计算机可识别的数据格式; 提供实时捕捉分析功能，亦可对存储的视频记录进行离线分析; 对检测的事件可以通过点击来自动回 / 播放相应事件对应的视频，便于校验; 可记录分析动物实验过程中的多种实验参数等等，满足了许多有行为学实验需求却没有特定计算机技术研究人员的需求，不仅使传统行为学研究过程自动化和客观化，而且使行为分析更精确、简便和可靠。

动物行为实验方法分类

动物行为实验方法早期研究主要是为学习记忆行为设计的，后来发展为情绪表达、运动行为、社交行为、疼痛及成瘾性等行为实验方法。目前主要的行为学实验包括学习记忆行为实验、抑郁行为实验、焦虑行为实验、恐惧行为实验、自发活动行为实验、节律行为实验、攻击行为实验、防御行为实验、繁殖行为实验、社会行为实验等，社会行为实验指沟通行为实验、利已行为实验、等级行为实验等。研究最多的主要是学习记忆、情绪和运动行为等。

1 学习记忆行为实验方法

学习是神经系统接受外界环境变化获得新行为和经验的过程，记忆是指对学习获得的经验或行为的保持，包括获得、巩固、再现及再巩固四个环节。学习和记忆二者是互相联系的神经活动过程，学习过程中必然包含记忆，而记忆总是需要以学习为先决条件。研究者设计了多种学习记忆行为实验方法用于评价学习记忆。学习记忆行为实验方法的开掘者包括Thorndike、Pavlov 和 B． F． Skinner 等。1937 年 Skinner 首次建立了基于操作的学习记忆行为实验方法－斯金纳箱。1930 年，Tolman 和 Honzik 应用

个单元的 T 型迷宫，研究大鼠的潜伏学习( latent learning) 。后来，多单元迷宫演变为目前应用的 T 迷宫。1939 年，Dennis 首次定义了大鼠在 T 迷宫中的自发交替( spontaneous alternation) 行为，认为大鼠能够对探索过的臂产生内起抑制 ( internalinhibition) ，而进入没有探索过的臂，从而增加发现食物的机会。1979 年，Barnes 建立了巴恩斯迷宫( Barnes maze) ，动物不需要限食，基于其天生的探索特性，应用噪音、强光和暴露的开放环境作为应激手段，促使动物寻找目标洞。1981 年，Morris建立了水迷宫方法，基于动物厌恶水环境的特性，强迫实验动物游泳，学习寻找隐藏在水中的平台。水迷宫是学习记忆行为学评价的另一个标志性事件，主要用于海马依赖的空间参考记忆和工作记忆的研究。1988 年，Ennaceur 等基于动物天生对新奇物体的探索特性，建立了新物体识别 ( novel object recognition test) 评价方法，与其他评价方法比较，该方法不需要学习训练，无需禁食禁水，不用施加惩罚或奖赏刺激，对动物的应激影响较小，与人类的再认记忆检测相似类的再认记忆检测相似。大小鼠的触屏认知系统也相继问世，用于认知功能的评价，尤其在神经精神疾病药物筛选中发挥重要作用。

非人灵长类动物具有与人类相似的大脑结构，具备高级脑功能，可以被训练完成特定类型的测试任务，对评价认知能力、情绪反应等具有啮齿类动物无法替代的作用。触屏测试认知系统是目前广为接受的灵长类动物认知行为的评价方法。该方法源于人的神经行为测试的计算机化形式。剑桥

神经心理测试自动化组合［NeurobehavioralCambridge Neuropsychological Test Automated Battery CANTAB) ］是触屏认知测试系统的经典设备。动物通过触摸屏，完成高通量的系列模块化测试，如强化认知、内外空间的设置变化与视觉辨别、对显示符号的短暂识别和不识别、空间记忆、选择序列反应时测试和成对结合学习等。