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李运明教授：神经科学研究中动物行为学实验需考虑的四个问题

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2024-09-29 18:09

李运明教授、西部战区总医院

动物行为学（Ethology）主要侧重于科学和客观地研究自然条件下的动物行为，研究对象包括动物的沟通行为、情绪表达、社交行为、学习行为、繁殖行为等，是现代神经科学研究（Neuroscience）的重要技术之一[1, 2]。人类是唯一能够口头表达自我认知的动物。研究者只有通过观测其他动物的行为，才能了解它们的感觉和认知过程。早在1871年，达尔文就研究比较了人类与动物的行为。经过神经科学、生理学、心理学等科学家对动物行为学100多年的研究，已开发出大量的动物行为学实验模型[3-6]；同时，新的针对特种动物行为和神经疾病的行为学实验也层出不穷[7, 8]。神经科学研究中动物行为学实验设计需考虑诸多因素，本文主要探讨实验模型动物（model organism）选择、动物行为模式（behavioral paradigm）选择、降低实验动物个体变异（individual variability）及行为学实验效度（validity），四个问题。

1 实验模型动物选择

2 动物行为模式选择

选择实施和创新开发一项动物行为模式实验都需考虑诸多因素。首先，动物行为模式必须具备便于定量化测量的指标。如某研究者希望比较两组啮齿类动物饮酒行为的差异，可供定量化测量的指标有液体总消耗量、液体消耗速率、动物饮用次数等。神经科学行为学实验常探讨时间因素对动物行为的影响，在实验数据采集、统计分析及结果呈现时应将测量时间作为重要因素加以考虑，一般采用重复测量数据分析方法探讨时间与干预间交互作用[3, 6]。再次，研究者必须考虑非预期原因引起的动物异常行为，尤其是经过基因敲除、蛋白表达修饰、神经功能核团干预后的实验动物。如经注射某实验药物后的动物比注射生理盐水动物完成水迷宫实验时间延长，且差异具有统计学意义。但此种药物效应可能并非因改变了动物空间定位和记忆能力引起，也可能是改变了动物活动能力，间接地造成水迷宫时间延长。因此，在选定动物行为模式后，研究者应针对动物行为差异的其他可能解释，补充完善动物对应的行为模式实验。另外，行为学实验应监测动物生理指标（体重、心率等），维持动物健康状态，避免因疾病造成动物行为异常。

3 降低动物个体变异

选定实验模型动物、确定动物行为模式，开展动物行为学实验，存在很多因素会增加实验动物行为模式的变异性，从而很难得到科学可信的研究结果。首先，实验动物的遗传学背景对行为影响最大[2]。以小鼠为例，生物医学实验常用的小鼠存在超过10个以上的品系（strain）。如C57/BL6小鼠比FVB小鼠更具有攻击性。研究者采用C57/BL6小鼠得到的社会行为实验结果，可能采用FVB小鼠开展相同实验结果并不一致。品系间行为差异，在蠕虫、果蝇、大鼠、灵长类动物普遍存在。因此，开展动物行为学实验应选择同一品系的实验动物，最好选择同代的动物。比较转基因动物和野生型动物之间行为学差异，应选择同一品系同代同窝实验动物[10]。其次，动物饮食、昼夜节律、季节变动、温度湿度等环境因素同样影响动物行为[1]。如研究者比较发现周一与周四动物行为存在差异，可能是每周一安排动物换笼引起。因此，研究者应早期预见并尽可能减少可能影响动物行为的环境因素，完成足够样本量的动物行为实验以便得到可靠的数据。

4 行为学实验效度

生物医学研究的目的之一是通过动物模型更好地了解人类。是否可以通过其他物种的行为来研究人类？能否将其他动物行为学实验结果推广至人类？能否利用啮齿类动物制作人类阿尔茨海默氏病、抑郁症等精神疾病模型？以上问题均涉及到动物行为学实验效度问题。效度是测量行为学实验提供人类行为相关信息的能力。常用的评价动物行为学实验效度有表面效度（face validity）、结构效度（construct validity）和预测效度（predictive validity）[1, 2]。①表面效度指模型动物的行为方式与人类相同。如自闭症模型小鼠比野生型小鼠在社会行为上花费的时间少，与自闭症患者较难开展社会交流活动类似。②结构效度指模型动物因与人类相同的遗传、生理或病理机制，导致某些特定行为。如经基因工程处理的阿尔茨海默氏病小鼠模型与人类具有相同的遗传变异，其学习、记忆等行为与患者类似[9]。③预测效度指对人类疾病的治疗方法（如药物）对动物疾病模型效果相同。如，人类抗抑郁药物同样可以降低啮齿类动物抑郁模型。某些动物行为学模型可能仅有一种效度，具有多种形式效度的模型，对神经医学研究价值更高。不同于生物统计学领域的效度概念，行为学领域效度一般不能定量化测量，而是由神经科学等学科研究者依据专业知识给出的定性判断[1, 2]。

目前，动物行为学实验已广泛应用于国内神经科学研究，本文系统检索综述了行为学实验设计中实验模型动物选择、动物行为模式选择、降低实验动物个体变异及行为学实验效度相关文献，期望以上四方面问题能够为将来神经科学研究者提供借鉴和参考。

参考文献

[1] Carter M, Shieh J. Guide to Research Techniques in Neuroscience[M]. Burlington, MA, USA:Academic Press,2009:39-72.

[2] 孙涛, 曾贵荣, 杨韬, 等. 神经行为学评价方法研究进展[J]. 中国医师杂志, 2014,16(10):1427-1429.

[3] Cope EC, Morris DR, Scrimgeour AG, et al. Use of zinc as a treatment for traumatic brain injury in the rat: effects on cognitive and behavioral outcomes[J]. Neurorehabil Neural Repair, 2012,26(7):907-913.

[5] Navarro JC, Pillai S, Cherian L, et al. Histopathological and behavioral effects of immediate and delayed hemorrhagic shock after mild traumatic brain injury in rats[J]. J Neurotrauma, 2012,29(2):322-334.

[7] 查运红, 梅元武, 黄敬. 老年期痴呆大鼠模型的制备及其神经行为学研究[J]. 中华物理医学与康复杂志, 2005,27(11):641-644.

[8] 周佳丽, 祝慧凤, 万东, 等. 脑卒中大鼠神经功能修复的行为学评估方法[J]. 中国全科医学, 2014,17(18):2147-2150.

[10] 阮奕文, 王传恩, 童建尔, 等. NGF/GDNF基因修饰神经干细胞移植对AD模型鼠行为学的疗效[J]. 解剖学报, 2002,33(2):122-125.

李运明副主任技师，流行病与卫生统计学博士，临床医学博士后，西部战区总医院卫勤部医疗管理科助理员兼副主任技师（专业技术七级）、疾病预防控制科负责人；兼任西南交通大学数学学院统计系生物统计专业和医学院临床医学专业、西南医科大学公共卫生学院公共卫生专业，兼职副教授、硕士生导师。

长期为生物医学科研人员提供临床科研设计咨询和数据统计分析服务。主要研究方向为生物医学层次结构数据分析、健康测量数据挖掘、创伤救治质量评价模型、基因表达谱数据分析等理论与方法研究，具有丰富的流行病学调查经验和扎实的统计建模理论基础。

主持军地各类科研课题7项；参与国家自然科学基金10项；参编专著（教材）5部；发表SCI论文60余篇（第一、共同第一和通讯作者18篇），第一作者EI论文5篇，中文论文200余篇（第一及通讯作者55篇）；获军队科学技术进步二等奖2项(排名第2、第9)；享受军队优秀专业技术人才二类岗位津贴；荣立三等功1次；指导硕士研究生3名，毕业生1名。2016年开始，独立承担西南交通大学硕士生《高级医学统计学》理论教学。现任国家教育部学位中心、四川省科技厅、重庆市科技局项目评审专家，中国研究型医院学会环境医学分会理事、四川省医学会临床流行病学专业委员会委员、全军灾难医学专业委员会青年委员会委员，《创伤外科杂志》《中华灾害救援医学》《西南军医》编委、《护理管理杂志》统计审稿专家。Pediatrics International等审稿专家。

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