松鼠作为生物探测器的可行性研究综述

孙 宁 刘慧颖 徐 澍 李 彪 彭 萍 胡庭溪 尹 劲 杨志东 潘彩霞 徐 杨 黄 和 赵建文 张大军 水映懿 桂滨鸿 王禹乔 朱启文*

(1.中国刑事警察学院，沈阳，110034；2.辽宁省行为认知重点实验室，沈阳医学院，沈阳，110034；3.重庆市合川区公安局，重庆，404100；4.大连外国语大学，大连，116000)

近年来，化学分析仪器和检测方法发展很快，检测限越来越低，速度越来越快，设备的可移动性越来越好。虽然技术取得了很大的改进，但是生物探测在安保、排爆、缉毒、搜救、污染物探测等方面的作用仍然不可替代。因为生物探测不但能够直接在现场灵敏地探测到气味，而且还会自动跟随气味羽流到达其来源地，这种对气味定位的选择性、敏感性和现场通用性，是目前任何一种仪器都无法媲美的[1]。

1 首选生物探测器——犬的应用现状

生物探测器(Biodetector)，是指利用生物嗅觉系统来识别、定位和检测气味的特殊工具。生物探测器中一直广泛使用的是犬(Canisfamiliaris)，至今犬依然在刑事侦查、危险品搜索方面占有主导地位[2-3]，被公认为挥发性气味现场检测的金标准[4]。但是在实践中，犬仍存在一定的局限性，犬不适合特定的检测情况，如：车厢机舱的行李架、货架、屋顶、高处建筑、集装箱和悬崖等高处空间，高度在1 m以上的地点及物品超出了警犬能搜索到的高度极限；地震废墟、倒塌建筑掩埋物、下水道、空调管道系统和车底等，警犬体型受限无法触及的狭小空间。另外，犬是最早被驯化的物种，犬与人建立了亲密关系。犬会强烈依赖人类的行为[5]。犬在没有人类参与的情况下，对于独立的问题任务，犬的平均成功率仅为5%，犬会过早地放弃任务，可能是由于对人类过于依赖[6]。犬对人的表情[7]、手势[8]、注意力[9]等敏感。当变换主人时会影响犬的检测及行为，导致检测结果不一致[10]，同时犬会分散注意力，准确性可能降低[11]。犬高度社交反应可能反过来会干扰独立的问题解决能力[6]。在高温环境中犬也极易中暑、嗅觉效率降低[12]。鉴于犬作为生物探测器的局限之处和单一性，能否发掘新型生物探测器作为犬的补充动物甚至替代动物，值得深入探究。

2 其他生物探测器的研究现状

国外对潜在的其他动物也做了研究，包括红足侧沟茧蜂(Microplitiscroceipes)、蜜蜂(Apismellifera)、飞蛾、大鼠(Cricetomysgambianus)和小鼠，这些动物也已经在开展气味检测任务训练，各有利弊[13-15]。

昆虫有良好的嗅觉能力。昆虫的触角比最好的人工传感器和嗅探犬更敏感，是动物界中最敏感、最有选择性的化学感应器之一。昆虫可以在几毫秒内感知到每立方米空气中皮克级别的特定挥发性有机化合物，这远低于当前分析设备的检测阈值。尽管理论上昆虫有执行气味检测任务的嗅觉能力，而且体格较小、灵活、携带方便且繁殖便宜，但它们的寿命比啮齿动物(Rodentia)短，身体较弱小，并且需要更精细的奖励控制设置，以及需要严苛的环境条件，比如蜜蜂怕黑、怕低温(<4.5℃)，不能在夜里或寒冷的天气里使用。还有一个缺点就是它们感测特定化学物质的能力取决于物种，如马达加斯加蟑螂(Gromphadorhinaportentosa)触角只对苯丙胺和咖啡因起反应，欧洲葡萄蛾(Lobesiabotrana)可用于检测大麻，西方蜜蜂(Apismellifera)触角可以特异性检测少量的海洛因和可卡因[15]。这反映了昆虫触角中嗅觉神经元表面上特定的气味结合蛋白(OBPs)和相应气味受体结合的特异性。因此，基于昆虫的开发取决于识别对违禁品释放的挥发性物质具有特异性和敏感性的昆虫物种。

近几年，人们对啮齿动物产生了兴趣。啮齿类动物有较好的嗅觉能力，例如，在实验室中的大鼠，经过训练能够搜索毒品气味，并训练其以后肢站立方式示警[16]；坦桑尼亚的非营利组织APOPO，训练非洲巨鼠(Cricetomysgambianus)探测地下地雷[14]和结核病[17-18]以拯救生命。啮齿动物的优势在于身体尺寸和重量较小、训练时间快速、成本低及繁殖率高，并且不依赖于主人。目前开发仍处于实验室或原型阶段，在实际场景中的应用研究尚未开展。

3 作为新型生物探测器——松鼠需要具备的性能要求评估

松鼠(Sciurusvulgaris)，也是啮齿动物，属于哺乳纲(Mammalia)，啮齿目，松鼠科(Sciuridae)，松鼠属，具有特有的生物学特性。迄今为止没有研究证明松鼠生物探测的潜在能力。

松鼠作为生物探测器是否具有开发价值，犬的性能筛选标准为松鼠潜在能力的预测提供了一种有用的参考方法。作为一直广泛使用的生物探测器，犬能够执行探测任务，所需性能通常包括嗅觉敏感性、学习认知能力(如灵活性、持久性、短期记忆能力等)、社会性、可训练性等方面。

3.1 嗅觉敏感性

灵敏的嗅觉是进行气味类搜索作业必备的条件，决定着对气味的感受和辨别能力，也决定能否成功识别违禁品。啮齿动物有良好的嗅觉能力，松鼠也是啮齿动物，目前还没有行为测试可以系统地评估松鼠的气味探测能力，但有研究表明松鼠嗅觉敏锐的解剖学结构基础[19]。松鼠的鼻腔结构比较特殊，松鼠鼻腔中的鼻甲呈复杂分支型或折叠鼻甲，复杂的分支意味着增加了呼吸表面积，而小鼠、大鼠、仓鼠鼻甲是涡旋形的；松鼠鼻腔嗅觉上皮细胞覆盖面积很广，高达50%—63%，而土狼(Canislatrans)为29%—40%，山猫(Lynxrufus)为16%—30%。一般体重大于1 kg的哺乳动物，嗅觉上皮细胞占鼻腔面积的比例不到30%。松鼠鼻腔内有鼻甲骨和上颌鼻甲骨的复杂分支，意味着呼吸表面积的增加和更有效的热量和水分的调节机能，这在其他小型啮齿动物中是没有观察到的。

另外一种证明松鼠嗅觉灵敏的证据，就在于松鼠能够重取贮藏物以及盗取其他松鼠的贮藏物。一直以来，松鼠重取贮藏物是空间记忆机制还是嗅觉机制存有争议，到目前为止，研究者们大都还是认为松鼠与许多啮齿动物一样主要依靠嗅觉来重取其贮藏的食物[20]。

3.2 学习认知能力

在啮齿动物中，松鼠的情商(EQ)最高[21]。情商的增加可能与松鼠的树栖习性有关。松鼠脑重量5.7—7.2 g(体重550—675 g)，大鼠脑重量1.4—1.9 g(体重200—500 g)。与实验大鼠和野生大鼠相比，松鼠的大脑占体重的比例、皮层半球占全脑的比例明显更大。

松鼠衰老对学习认知没有明显影响，在颜色-逆向学习任务中，9岁松鼠达到学习标准的速度与2岁松鼠一样快[22]。中国工作犬的服役年限一般不超过7岁，因为犬衰老会导致学习、记忆和行为灵活性等认知领域的下降[23]。

松鼠可以通过观察特定物种来学习[24]。松鼠在很多情况下都表现出了高度的认知和行为灵活性。松鼠可以毫无困难地完成逆转学习任务，包括空间反转学习任务[25]、颜色反转学习任务[26]；松鼠可以高效、独立地解决变化后的问题[27]，当任务变换后，松鼠可以放弃原有的、学会的解决方案，采用不同的解决方案试错，而且第一次尝试便成功，其成功和高效率的解决问题能力说明了它们的认知和行为灵活性。

松鼠的空间认知能力较高。松鼠在秋天分散囤积贮藏成千上万的坚果后，还能够重新定位自己的贮藏[28]。

松鼠存在强大的抑制控制机制和注意力等学习机制，松鼠抑制控制机制最直接的证据就是松鼠的食物贮藏行为[22]，表现为可以停止挖掘，来等待特定种子再开始贮存。在复杂的生存背景下，抑制性控制和注意力机制对松鼠具有适应性意义。抑制控制机制和注意力等学习机制决定了松鼠的作业持久性，再加上尚未与人类形成互为依赖的关系，也许独立解决问题的能力会更强。

松鼠至少在空间领域具有良好的长期记忆能力：松鼠在间隔数周甚至数月的时间内还能找到成千上万的食物储藏量[29]，尽管存储位置存在特定领域的可能性。在非空间记忆任务上，松鼠在历经22个月后，仍然采用以前相同的有效策略来解决同一问题[30]。

以上对松鼠认知上的一些研究，充分证明松鼠的学习记忆能力、持久性、选择性和灵活性等行为特征。

3.3 行为特点

松鼠体型小巧，是典型的树栖啮齿动物[31]，与更多啮齿动物相比，松鼠更加敏捷且视野更好，这可能与变成树栖动物的过程有关[32]，更善于攀登和跳跃，喜登高，可以搜索高处空间及复杂地形中的气味。松鼠动作灵巧、善钻洞穴，可以搜索地下、缝隙、角落中的气味。因此能够利用其身体形态优势，有效开展高处区域及狭小空间的搜救、缉毒、搜爆及危险因素排查等工作，弥补警犬搜索作业的缺陷。

另外，松鼠还可用于探雷作业。非洲巨鼠探测地下地雷[14，16]，但它是夜行动物，训练和使用受限。使用犬探测地雷及UXO(未爆炸军火)也越来越多，但犬经常面临容易引爆地雷及受到伤害的危险[33]，而且立体空间如悬崖峭壁、树枝等处犬无法触及，存在扫雷的盲区。松鼠体态轻盈且可攀爬悬崖，可轻松自如地在埋雷区域穿梭往来且无法激活地雷。鉴于动物探雷比人工排雷速度更快、更经济，探雷松鼠未来会大有作为。

松鼠前肢活动非常灵巧，日常使用其前爪和眼睛进行物体探索，比小鼠、大鼠更能体现前肢为中心的生活方式，因为松鼠的运动皮层组织有其独特的组织结构，包括体感区(somatosensory area，3a)和后顶叶皮层(posterior parietal cortex，PP)之间的牢固连接，外层视觉皮层的划分，主要运动区域(primary motor area，M1)中触须和前肢表示的微分连接。松鼠的运动皮层组织连通性与灵长类动物(Primates)相似[34]。

与实验大鼠相比，松鼠的视觉系统非常发达。具有类似于人类的视觉生态，具有双色彩色视觉，松鼠视网膜由60%—90%的视锥细胞组成，大鼠视网膜由80%以上的视杆细胞组成[35]；松鼠视网膜锥体对浅绿色和蓝色光波敏感，而大鼠视网膜锥体对绿和紫外(UV)光波敏感[36]；与大鼠的3层外侧膝状核(LGN)相比，松鼠具有5层LGN[37]。松鼠的主要视觉区域具有明显的层状组织，并且V1中神经元的反应特性与其他视觉系统良好的哺乳动物相似，而大鼠缺乏这种层状特异性[38]。松鼠专用于视觉处理的背外侧皮层比例更高[39]。松鼠是高度视觉化的啮齿动物[40]。松鼠的视觉导向也会在气味探测和复杂多变的环境适应上发挥重要作用。

3.4 生活习性

大鼠与小鼠的夜间习性使它们不适用于人类昼夜节律的活动[41]。松鼠的生活方式与小鼠和大鼠生活方式完全不同，松鼠是日行性动物，松鼠与人类昼夜作息规律一致，适合特殊任务的训练与使用。松鼠全年活动，不冬眠，日常活动持续时间不会随季节变化[42]。松鼠繁殖能力较强，每年产仔约2次，每次产4—6只。松鼠妊娠35—40 d，断奶7—10周，性成熟9个月，饮食为草食或杂食。松鼠平均寿命12岁，大鼠寿命1.5—3.5岁，犬寿命12—15岁。显然，在使用寿命和训练成本上，松鼠远优于小鼠和大鼠。松鼠体型小，与警犬所需要昂贵费用相比(如训练、饲养、专门的人力和庞大的生活空间)，松鼠的饲养管理干净卫生，成本较低，且出入便携。

3.5 社会性

社会性，又称“亲和力”“依恋性”等，是指在遗传和选育的基础上，在与人的互动中建立的稳定依从关系、对社会的认知能力以及对环境的适应能力等[43]。松鼠社会性以及相关的研究很少，通常认为，松鼠胆小而敏感[44]。但有研究表明，相比于大鼠生性胆小、难以驯服[45]，松鼠的社会化水平是较高的。松鼠的社会行为类似于高度驯化和近亲繁殖的啮齿动物所表现出来的模式[46]，介于合群的近交系实验鼠(约60%)和非合群系实验鼠(约20%)之间[47]。

国外对犬的社会性研究较为繁多、散乱，但可以作为挖掘松鼠社会性、适应与人及环境关系的参考依据。犬的社会性可在很多方面体现，如：处于熟悉或陌生的环境中的心理状态以及在训练中的服从性等[48-49]。犬的社会性贯穿于一生，是工作犬训练和使用的基础，社会性较好的犬能够克服许多外界干扰因素，例如恐惧、焦虑等，积极地投入到与人的互动中。研究表明，社会性良好的犬更易于培训成为工作犬[43]。所以松鼠的社会性测试及与人的亲和关系的建立是不容忽视的重要环节。由于尚未建立松鼠的社会性测试方法，所以如何借鉴国外犬的测试方法，建立适合松鼠训练的、客观有效的评估方法，是目前亟待解决的问题。

3.6 可训练性

一旦松鼠与人建立了亲和关系，需要进一步训练松鼠完成指定任务。松鼠是否具备可训练性还未见报道。可训练性是指为执行特定搜索要求而必须训练的各种认知、行为和社会特征。可训练性是衡量学习新任务的能力和速度的一种方法，并被广泛认为是探测犬的重要特征。学习新作务时，可训练性好的犬可以在尽可能少的训练中快速地学习更多的气味识别和搜索模式，从而提高培训效率[50]。可训练性比嗅觉的敏感性和准确性更重要，猎犬(bloodhounds)比德国牧羊犬(German shepherds)的气味敏锐度高，但很少用于嗅觉检测服务，因为它的可训练性差[51]。松鼠需要人类引导和训练必备的认知行为，将来还要与人一起执行任务。松鼠具备可训练性至关重要。因此，需要测试松鼠对人的服从能力、学习新任务的训练能力等情况，综合评估松鼠表现的行为特征，进而预测其是否适合培训成为生物探测器。

4 作为新型生物探测器——松鼠未知研究领域的对策分析

以上关于松鼠的综述提供了一个值得进一步探索的基础框架，松鼠的嗅觉敏感性、学习认知能力(如灵活性、持久性、短期记忆能力等)、行为特点、生活习性等具有独特优势，但松鼠的社会性和可训练性，即亲和与驯服的研究极具挑战性，前人未曾研究，且松鼠对人类敏感，人类如何处理与松鼠的关系，才能使松鼠肆无忌惮地展现更多优势与潜能，在指定方向下为人所用。目前，一些非驯化动物与人类社交的研究进展以及犬的驯化、犬与人高水平互动的研究途径，为松鼠的社会性亲和与驯服的深入研究提供了丰富的借鉴经验，坚信松鼠可与人类亲和、具备可训练性。有如下对策可以尝试探索。

4.1 训练方法采用正强化与辅助正强化结合

4.1.1 正强化方法

传统上动物训练被认为是一种手工技能，比如来自个人经验、历史传承等，但目前普遍接受动物训练是可以有效干预的。各种物种，如驯化动物(犬)、野生动物，甚至是昆虫、鱼和海洋哺乳动物都可达到训练有素，训练方法都是得益于正强化训练。促进松鼠亲和、驯服及各种违禁品气味识别训练的过程，可以采取正强化的方法。正强化可以塑造动物的行为，当动物表现出期望的行为时，给与正强化(比如食物奖励)，使动物将奖励与发生的行为联系起来。食物奖励是维系互动关系最重要的因素，即使动物惧怕人类[52]。犬之所以能与人亲近交流互动，动机是什么？目前尚不清楚，可能是在某种程度上，由于犬对奖励有兴趣才导致了犬的亲社会行为[53]。野生动物同样也是可以获得社会互动的，奖励在近亲繁殖的、圈养的啮齿动物中起作用[46]。只要与松鼠高度偏爱的食物有关的行为，它都会快速习得[22]。松鼠对食物的强烈欲望可以成为亲和、驯服，甚至是后期气味检测训练和搜索过程中的持续动机。在训练犬时，食物或游戏奖励占80%。在今后开展的相关实验中可以深入研究松鼠的奖励来源是否只局限于食物。

4.1.2 辅助正强化方法

当前广泛采用的辅助正强化形式是使用手持式金属发声器响片(clicker)，即响片首先与食物配对，然后通过响片的“喀哒”声来标记期望行为的表现，具有正增强作用。更具体地说，响片的“喀哒”声担当了行为与即将到来的奖励之间的“时间桥”。当动物执行期望的行为时，训练者会精确地单击，而不会有任何时间延迟，然后提供食物奖励，这明显加强了奖励行为。

响片训练已在多个物种上成功实施，包括犬、马、猫、鸡和鱼类[54-56]。训练松鼠的亲和、驯服及各种违禁品气味识别，都可以采用响片训练法。采用响片训练松鼠未见报道，但推测这种方法也适用于松鼠，原因为响片只是作为食物奖励的一个补充，但不剥夺食物，食物对松鼠等非驯化动物是不可缺少的奖励；只用响片捕捉期待行为并奖励，不使用任何惩罚，松鼠本性敏感，负强化不适用于松鼠；使用响片的训练周期非常短，一些需要数月才能建立的行为可能只需要10余天即可达成。

4.2 选择较亲和的种类

动物的气质特征受遗传因素和社会环境的共同影响，松鼠的社会接触能力、合作能力及服从能力等会受到遗传因素的影响，可选择较亲和的种类。松鼠种类很多。全球有33属231种，中国有11属34种，在性情、兴奋性、认知能力、亲和性、可训练性等方面都存在差异。近年来松鼠成为一种新兴宠物，可以选择温顺、可合作的宠物种类进行尝试。比如魔王松鼠(Sciurusvulgaris)、赤腹松鼠(Callosciuruserythraeus)，或直接锁定这些种类进行选拔、育种和培训。

4.3 社会化期进行环境丰富化

在松鼠的气质特征养成前，提前进行社会化期锻炼。社会化期是社会行为发育的主要阶段，此时神经系统迅速发育，让松鼠认知多样化的社会环境(包括新颖的物体、不同人、不同环境等)，有助于松鼠自信地面对各种刺激，减少恐惧，有助于增强松鼠的社会性。

4.4 以服从人类指向手势评估和训练松鼠服从

松鼠的可训练性可以通过训练松鼠服从人类指向手势来进一步了解和评估。使用人类指向手势是驯服最突出的表现[57]。一些驯养的动物(例如猫、狗、马、猪、山羊)能够在认知任务中使用人类手势[58]。野生物种，如大象(Loxodontaafricana)、狼(Canislupus)、非洲海狗(Arctocephaluspusillus)、宽吻海豚(Tursiopstruncatus)、寒鸦(Corvusmonedula)，也已显示出对人类手势的反应[57，59]。人工饲养狐狸(Vulpesvulpes)可以接近陌生的人类或新颖的物体，听从人类手势像犬一样熟练[60]。人工饲养雪貂(Mustelafuro)在其社会亲和行为和对人类定向手势的反应能力上，显示出类似于犬的社交认知能力[61]。因此，其他非驯化动物为松鼠的驯服提供了研究可能性。

4.5 针对特殊平台专项开展搜索任务

鉴于松鼠对人和环境敏感的特征，可以将松鼠定向在特殊的环境中开展搜索工作，比如物流寄递集散中心、机场行李运输带、海关集装箱等非高刺激环境。

综上所述，松鼠的相关研究为新型生物探测器的开发提供了一条崭新的思路。松鼠在嗅觉敏感性、学习认知能力(如灵活性、持久性、短期记忆能力等)、行为特点、生活习性等方面优势明显，松鼠在社会性、可训练性等未知领域的研究路径可行，使松鼠具备生物探测器的潜质，亟待开展相关研究证明松鼠的潜在能力，弥补现有生物探测器的局限，因此，有必要深入了解松鼠对气味的嗅觉认知能力、学习认知能力等生物学特性，建立松鼠的社会性测试方法，建立松鼠与人的亲和关系，综合评估松鼠对人的服从能力、学习新任务的训练能力等行为特征，掌握松鼠对人类的亲和性及可驯服性第一手数据，进而发掘和培训松鼠作为新型生物探测器。目前，本研究团队已经开始了相关研究，已总结和建立了一套适应于实验室内的缉毒松鼠的培育与训练体系，同时也为评估松鼠的特定行为特征提供了概念验证，但仍需要进一步对松鼠的生物学特性深入研究和评估，还必须进行大规模多场景实战应用试验，有望率先应用于物流寄递集散中心、机场行李运输带、海关集装箱等封闭环境进行搜毒、搜爆等安全检测，并逐步拓展至复杂开放条件下的安全检测、军事排雷、消防救援等多场景国防安全领域。