实验动物行为与环境质量研究进展

田立立, 魏晓锋, 高 诚(上海实验动物研究中心, 上海 201203)



实验动物行为与环境质量研究进展

田立立, 魏晓锋, 高 诚
(上海实验动物研究中心, 上海 201203)

[摘要]实验动物行为是其针对某种刺激的反应或因与其所在的环境相互作用形成的生活方式，包括本能行为和学习行为。这里的环境指动物直接生活的场所，包括实验动物设施和饲养笼盒。本文主要综述环境条件对实验动物的生活和行为造成的影响，并结合实验动物相关标准，探索动物生存环境的适宜条件和合理水平，为提高动物福利提供依据。

[关键词]实验动物; 环境; 行为; 动物福利; 环境丰富

实验动物是为了满足科学研究需要而专门培育的一类动物, 和生活在开放环境中的动物相比, 实验动物兼具作为科学研究条件和一个完整生命个体的双重属性[1]。在人工控制的基础上, 实验动物通常较长时间甚至终生或者数代都生活在一个高度受控的固定环境中, 实验动物及其生活的环境构成了一个相对简单和封闭的生态系统，因此环境质量的好坏对其影响很大[2]。实验动物属于有生命的研究材料,它们能感受机体的疼痛和精神的痛苦，也具有基本生存需要和不同层次的心理需求，环境的影响通过应激和适应来改变一些具体的实验动物行为。近年来日趋受到重视的实验动物福利从人文关怀角度出发, 主张身心安康与快乐, 即生存需求和心理需求的双重满足[1,3]。实验动物行为是比较适宜的福利评价指标，本文从动物福利角度出发，综述了环境质量对实验动物行为的影响，希望对实验动物福利工作的展开和实验动物标准化的推进有所裨益。

1 实验动物行为的分类和特点

依据现行标准，传统的实验动物多为哺乳动物，常用的是小鼠、大鼠、豚鼠、仓鼠、兔、犬、猴、小型猪等，其中以鼠类为代表的啮齿目动物占使用总量的80%以上，而小鼠又占整个啮齿目实验动物使用量的70%以上。本文主要从这些常见实验动物着手进行论述。

实验动物有各种行为，通常这些行为有助于完成某些生理功能或是保持健康生活的必要需求，虽然漫长的实验动物化过程使其丧失了部分自然界同类的特性，但其行为依然有章可循。按照行为产生的因素，实验动物行为可分为先天行为和后天行为两大类。结合具体的功能和行为目的，又可分为如下几种：摄食行为、排泄行为、呼吸行为、繁殖行为、运动行为、节律行为、占域行为、社群行为以及啮齿类动物特有的啮齿行为[4]。此外，在实验动物的正常行为受到抑制、环境刺激过于强烈持久或者缺乏刺激等情况下，可能会引起某些异常行为，如一直身处禁锢封闭环境会造成实验动物的刻板行为(无意义重复某种动作)[1]。

摄食行为指机体为个体生存、保障身体各器官的功能和从事各种活动的能量需要所进行的取食行为。相应地，作为一种反射性活动，排泄行为主要指的是代谢产物以粪便和尿排出体外的过程以及该过程的各种表现形式。呼吸运动是正常机体内一种有节律、持续的运动，实验动物通过调节呼吸行为来适应变化的环境和维持生存。繁殖行为是繁衍培育下一代的行为，是遗传信息传递的过程，从而生物多样性和生物个性得以保持。繁殖行为和摄食行为都属于本能，是生命存在的两大根本需要。运动行为依赖于一定的身体结构，有助于实验动物的生长、健康、获取食物和趋利避害。可分为有目的的行为和无目的的随机活动，如动物的爬行、奔跑、游泳、飞翔以及攻击防御等。节律行为[5]是指动物的活动或运动适应环境中自然因素的变化而发生有节律性的变动，包括年节律、月节律和潮汐节律、昼夜节律、短周期节律和间歇节律。占域行为是指在实验动物直接生活的场所中，它们需要一个用于趴卧、站立、转身、伸展四肢和修饰自己的空间以及躲避攻击和玩耍的附加空间，并进行有效防卫。啮齿行为是指动物的啃咬行为。兔以及啮齿类动物如大鼠、小鼠、豚鼠等上下颌只有一对门齿，门齿无根，能终生生长。它们需要不断啃咬磨牙来保持门齿的合适长度，以防门齿过长而影响进食甚至损伤口腔。

社群行为[4,6]是同种动物间或异种动物间的集体合作行为，也可称为社会行为。因为许多动物为群居，个体间都有相互接触和交流的动机和欲望，这需要社群行为来调节。社群行为有助于动物适应复杂多变的生活环境，从而维持个体和种群的生存繁衍。整个“社会”中的不同个体并非简单的集合，而是有分工和合作，共同完成某项活动，如蜜蜂和蚂蚁是典型的社会性昆虫。在鸟类和哺乳动物社群中，社群行为更多地体现为攻击行为，因为优胜者有自己的领地和资源，对周围环境有更大的掌控权。动物在交流过程中通过动作、声音、气味等来传递信息。对于人工饲养的实验动物来讲，社群行为受人的影响很大，饲养人员容易操作的地方就是环境因素。比如控制动物的种群密度，减少因密度增加引起的种内斗争。鼠类等喜安静的动物应与噪声大的动物分开饲养。灵长类动物可以通过成对饲养来消除其孤独感。还可以通过环境丰富来促进社群行为多样化。

实验动物行为的特点可归纳为共性和个性两个方面。从生存和繁衍的层面考虑，本能行为是存在共性的，比如饥饿的时候需要摄食是普遍现象;而具体到不同种属的动物，尤其是实验动物，解剖生理结构的不同、心理因素的差异以及环境质量的好坏必然会引起各种应激反应，从而出现行为的多样性。如温度过高或过低导致实验动物抵抗力下降，易于患病。在低湿度条件下，小鼠和大鼠的哺乳雌鼠常发生吃仔现象，仔鼠也常会出现发育不良[1,7]。由于实验动物都生活在有限空间的笼具中,通常饲喂成品饲料, 大鼠、小鼠、豚鼠不定量、不限时的自由采食，而兔、猫、犬定时定量饲喂，猪摄食无节制且有拱土觅食的习性。豚鼠和兔会通过食粪行为(吞食肛门处的软便)来补充营养。猕猴不能体内合成维生素C，主食之外，应辅以瓜果蔬菜。又如动物对于气味十分敏感，更换垫料后会因为气味的缺失有时会出现噬咬行为。

2 实验动物环境因素

实验动物终生生存在严格限制的固定空间中，其自身并不能选择适当的环境生活。环境因子不仅可以影响其生长发育、繁殖性能以及各种生物学特性，而且会影响其接受实验处理后的反应结果。

2.1 实验动物环境因素的组成和分类[1,7,8]

广义的实验动物环境是指除实验动物机体遗传因素以外的一切因素，包括内部环境和外部环境。而通常所指的实验动物环境是实验动物和动物实验设施的内部环境，为实验动物直接生活的场所，又可分为大环境和微环境。大环境由放置实验动物笼器具等饲育设备的饲养空间组成，微环境由实验动物直接栖身的饲养盒或笼的空间组成。实验动物依靠自身的适应机制应对外界环境的不断变化以保持内环境相对恒定。影响实验动物的环境因素很多，广义上可分为如下几类：(1)气候因素：温度、湿度、气流和风速等；(2)物理、化学因素：噪声、光照、换气、粉尘、药剂和有害气体；(3)居住因素: 房屋、摄食、设备、笼具、食具、饮水器和垫料；(4)生物因素：可分为同种生物因素和异种生物因素。同种生物因素指同一种属动物之间的社会地位、势力范围、求偶斗争、饲养密度等; 异种生物因素主要指微生物、寄生虫、其他种属的动物以及人类的饲育管理和实验操作等。

2.2 实验动物环境因素的作用

环境对实验动物的影响往往是多种环境因素复合作用的结果。温度和相对湿度、气流速度和换气等各种因素会影响实验动物的体温调节，从而影响其各种行为; 饲养间的恶臭气体除了与上述几种因素密切相关外，还与饲养密度、清扫频度和笼具类型等有关。因此，考虑环境因素对实验动物的影响，应立足于环境复合因素并进行综合评判[7]。实验动物在长期的进化过程中，形成了自身对环境的要求和对环境变化的适应能力。环境的变化作为外源性刺激，会引起实验动物机体的适应性反应，以维持稳态，保证机体与环境的平衡, 实验动物的这种适应能力与自然状态下的动物是不同的。当环境在适宜的范围内变化时，实验动物仅靠特异性的适应性反应就可以保持生命活动正常，一旦环境变化加剧，实验动物就需要动员非特异性反应，通过应激代偿机制来适应环境变化，进而维持内稳态和环境之间的平衡，保持生命活动正常进行[1,9]。实验动物所能够适应的这一环境变化范围称为适应范围，当环境变化超出实验动物的适应范围时，机体就无法再维持体内平衡，生命活动进入病理状态，最后导致死亡。

从动物实验层面考虑，环境因素也必须加以控制。1959年Russell和Bruch提出，环境通过影响动物的基因型从而决定表现型，而表现型又受周围环境的影响而出现不同的演出型。所以，环境因素影响最终的实验结果，而且环境因素的变化还可以导致生物遗传物质的改变。根据基因型、表现型、演出型和环境间的关系，动物实验处理的反应可用公式: R=(A+B+C)×D±E表示。其中的D为环境因素，与实验动物的总反应R呈正相关，起着主要作用。此外，实验动物赖以生存的笼具、饮水、空气、垫料等饲育环境因子直接影响实验动物的健康和福利，以及动物实验结果的可靠性。因此，为了兼顾动物实验结果的可靠性和实验动物的健康与福利，环境因素的控制尤为必要。

2.3 环境因素的管理和控制[7,10-12]

国外一般不制定统一的实验动物设施环境的国家标准，而是由实验动物行业组织在遵守法律法规的基础上制定相应的技术规范，我国在参考了一些国家或地区指南和部分大型实验动物机构标准的基础上制定了实验动物环境标准。根据我国国家质量监督检验检疫总局于2010年12月23日发布的实验动物环境及设施国家标准 GB14925-2010 规定，主要控制实验动物的饲育环境，即实验动物饲养室和动物实验室内的温度、相对湿度、气流速度、空气中颗粒物与微生物、有害气体、压差、噪声和光照等可产生直接影响的环境因素，并对环境因子具体的技术指标进行了规定。当然，实验动物的环境控制归根结底要从实验动物设施的建造计划起，延续到后面的日常管理。应根据不同种属实验动物的生物学特性和行为习性进行科学规划设计，建设布局合理、空间足够、采光通风良好的饲育设施，满足实验动物对居住舒适性的要求。GB14925-2010对设施的选址、建筑卫生要求和一般要求、工艺布局、废物处理以及笼具、垫料、饮水等进行了规定。实验动物环境控制和管理应以动物和人为中心，整体进行运作，包括设施建筑计划、设计施工、饲养和实验器材选择等，保证建筑维护、饲养管理、卫生管理和事务系统内的经营管理有机协调后充分发挥功能[7]。

在环境管理过程中，实时监测饲养动物的环境状态是否能稳定维持在适宜的状态至关重要。同微生物监测和遗传监测一样，环境监测是环境管理的关键环节，甚至影响其它过程。在环境管理过程中，实验动物行为控制是不可分割的一部分，因为动物对环境刺激的感知必然会带来行为学的各种变化。若能通过人为方式有效转移动物注意力，就可避免应激行为的出现。例如，笼养猴时可以用隔板把猴王和其他猴隔开，使彼此看不到对方;在猪舍的屋顶安装悬挂的链条利于其啃咬，可以缓解猪间断饲喂时皮质醇分泌增多带来的应激[1]。另外，合理利用动物早期经历也是改善其行为的一个有效方法。如在动物实验开始前，先进行短时低频的模拟操作，循序渐进，逐渐增加次数和提高强度，平稳过渡到正式操作，缓解实验操作对实验动物带来的应激，从而避免了剧烈的行为学变化。对于猴、犬、兔等高等实验动物，通过驯遛、抚慰、玩耍等活动，可以有效消除动物的紧张不安，使得实验操作顺利进行。2014年发布的GB/T 27416-2014《实验动物机构·质量和能力通用要求》第5章对实验动物设施的规划设计和建造给出了许多具体规定，第6章的动物饲养部分对动物饲养及环境进行了详细的描述，如6.2节的环境控制和监测，规定所有功能区域的环境控制指标和参数要符合要求，而且要定期监测和检查，环境条件应满足不同动物种类的需求等[13]。

3 实验动物行为管理和环境丰富

适应变化和趋利避害是动物与生俱来的能力，但是标准化的人工饲养环境使生活其中的实验动物缺少足够的刺激和适当的途径来维持此能力，从而导致实验动物的各种异常行为和福利问题。因此，有效的行为管理和丰富的环境也是实验动物行为环境质量的重要组成部分。

3.1 实验动物行为管理[1,14]

动物的异常行为往往源于焦虑恐惧等异常的情绪，找到诱因是很关键的一步，然后施以合理的行为管理技术，以利于最大程度消除诱因和减少动物的各种异常行为。常用的方法有转移注意力和诱导辅助等。应激驯化是一种循序渐进的行为管理技术，在动物接受较强的刺激之前逐渐给以低频度的弱刺激来诱导其进入抵抗阶段，不断提高适应性。调教能够促进人和实验动物之间的良好互动，有效缓解未知的刺激。例如, 工作人员可以通过调教与犬建立起相互信赖的关系，常规的护理操作包括喂食、抚摸、散步等从而减少后续实验操作给犬带来的异常行为。猪和羊等大动物也需要人的互动，经常性的照料奖励会让它们配合研究工作的开展。对于猕猴等非人灵长类动物来说，它们动作敏捷，好奇心和模仿能力强，调教和奖赏就显得尤为重要。GB/T 27416-2014《实验动物机构·质量和能力通用要求》第6.3节专门论述动物行为管理，如规定应以群居方式饲养动物，尽量提供群居动物肢体间接触的机会，为实验动物提供可表达其天性的物品或装置，让专业人员观察和检查动物的福利及行为状况等，这都体现了行为管理在动物福利工作中的重要性[13]。

3.2 实验动物环境丰富

环境丰富即增加刺激并提供选择满足动物物种特定需要以改善动物的机体和心理福利的所有环境改善措施，近年来国内外关于环境丰富在实验动物饲养管理中重要作用的研究和报道很多。Takahashi 等[15]在创伤后应激障碍大鼠模型中发现环境丰富能够激活大鼠海马的自噬信号通路，从而有效改善其麻木/躲避行为。Gri an-Ferré等[16]在快速老化模型小鼠的生长早期给予环境丰富处理，小鼠的大脑尤其是海马体的发育过程中，在分子、细胞和行为学水平都有获益，比如神经营养因子表达增加。Mileva 等[17]在研究环境丰富影响雌性Wistar-Kyoto大鼠行为的过程中表明，环境因素对兴趣缺失有重要影响, 环境丰富能够改善大鼠的兴趣缺失状况，而孤立环境饲养则相反。Li等[18]研究表明, 环境丰富手段能够有效阻止酒精诱导的C57BL/6J小鼠条件性位置偏爱的恢复。Soares等[19]一项关于营养不良大鼠的研究表明，环境丰富能够逆转早期营养不良导致的糖皮质激素受体表达下调，并对营养不良带来的脑部损伤发挥神经保护作用。O'Connor等[20]还利用啮齿类动物喜欢藏匿的本能行为, 设计了一种谜箱(Puzzle Box)，该方法简单经济, 可以评估不同的环境丰富措施对啮齿类动物的认知能力的影响。

环境丰富并没有固定的模式和标准，其实施过程多种多样，通常分为社会增益和物质增益，物质增益又包括住筑巢材料和空间、感官和食物等[21-23]。如在小鼠笼盒中放置的纸盒、PVC管道供其钻越躲避; 为大鼠提供转轮; 所有啮齿类动物和家兔都会用到磨牙棒; 非人灵长类除了利用栖木等攀爬玩耍外, 还可能会玩收音机之类的复杂设备等, 均可激发其探索天性, 减少刻板行为[1]。在人工标准化饲养的限制下, 这些玩具的应用为实验动物表达天性提供了解决渠道。利用听觉、视觉、嗅觉等环境干预手段也可以有效管理动物的行为。例如，胡樱等[24]研究表明，音乐、色彩干预可影响小鼠的制动行为; 刁波等[25]研究表明, 轻音乐可以影响大鼠的繁殖行为。此外，饲料的形状、给料频次、给料时间的变化都可以用来丰富动物的环境。针对不同动物的采食习性, 设置便于动物表达物种特异采食行为的不同措施也是一种增益手段。环境丰富可以使动物对有害刺激的反应能力增强, 而动物行为的变化直观揭示了动物通过行为选择来缓解应激的机制。当然，环境丰富也并非有百利而无一害，要视情况而定。Li等[26]研究显示, 产后早期给予环境丰富可能会干扰雌性大鼠的母性行为，并导致仔鼠焦虑，该非预期效应可能与环境丰富措施干扰母体的情感行为发展有关。所以，在设定环境丰富措施前应结合不同种类动物的行为特点和需求进行评估，同时也要考虑成本、人员培训教育、职业健康安全、持续评估等因素[23]。

4 结语和展望

实验动物环境对实验动物的生长和行为影响意义深远。我国近年来在实验动物设施建设上投入了很多人力、物力和财力，也颁布了实验动物环境及设施标准，但是如何对实验动物环境质量进行综合评估，如何对环境质量变化引起的实验动物行为学变化进行评估，如何进行有效的实验动物福利评估, 国内鲜有报道。傅江南[27]提出的实验动物环境系统定量评价方法借助数学模型对单因子环境因素和子系统环境因素综合指数进行评价，此方法若能结合大量细致的实际工作，对各种环境因素的重要性作出准确的评价，想必非常有助于整个实验动物环境系统质量的提高和优化。在此基础上，结合一些比较成熟的实验动物行为学评估技术，相信我国的实验动物福利工作将会有长足的发展和进步。

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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

[中图分类号]Q95-33

[文献标识码]A

[文章编号]1674-5817(2016)03-0237-05

doi:10.3969/j.issn.1674-5817.2016.03.016

[收稿日期]2015-12-07

[基金项目]科技部支撑计划项目(2011BAI15B03)，上海市科学技术委员会科研计划项目(15DZ2292400)

[作者简介]田立立(1986-), 男, 助理研究员, 从事实验动物环境检测和研究工作。E-mail: skyrope@126.com

[通讯作者]高 诚(1961-), 男, 研究员, 从事实验动物质量控制和实验动物福利研究。E-mail: gaochengdgb@126.com