動物行為實驗方法學研究的回顧與展望
動物行為學是研究動物各種行為的功能（function) 、機制 ( mechanism) 、發展 ( development) 和進化( evolution) 的一門學科［1］。動物行為學最初的研究對象是正常動物，後來擴展為實驗動物，從而對生命科學尤其是神經科學的發展發揮了重要的支撐作用。動物行為實驗方法學 ( experimentalmethodology based on animal behavior research) 是動
物行為學的重要內容，是融合動物學、醫學、藥學、生物學、電子工程、計算機和信息等多學科的基礎理論、技術和方法，以正常和( 或) 實驗動物為對象，在自然界或實驗室內，以觀察和實驗方式對動物的行為信息進行採集、分析和處理，將其實驗結果類比和推演到人，研究其行為信息的生理和病理意義的新興學科。動物行為實驗由於是動物整體生理和心理狀態綜合、全面和實時效應的反應，被認為是人類疾病表現和發病機制研究，新藥發現、安全和風險監測分析的基本實驗手段，在醫學、藥學、生命科學和軍事醫學等研究領域具有不可替代的地位和作用，越來越受到國際科學界的廣泛重視。但目前為止，國內外未見動物行為實驗方法領域的綜述文章。本文對動物行為實驗方法進行系統簡介，為基於動物行為實驗的科學研究提供參考。
動物行為實驗方法學的發展歷史
動物行為實驗方法的起源要追溯到公元前 384 ～ 公元前 322 年，現代醫學奠基者 Aristotle 在其著作中，論述了用人工觀察的方法描述並記錄了 540應用人工觀察方法，研究不同物種動物的行為發生
發展 機 制。德 國 的 Johunn Pernaller 和 法 國 的 Chorles George Lereg 分別對鳥和大型動物的物學家 H． S． Jennings 出版了第一本與動物行為實驗方法學相關的專著《原生動物的行為》。1927 年， Pavlov 利用狗完成的經典的條件反射實驗，首次對動物學習記憶行為的產生現象進行了系統研究，發表的《大腦兩半球機能講義》專著使得實驗動物行為學研究在國際上引起廣泛重視和關注，各種動物Ting Bogen 和 Lorenz 在自然和半自然條件下，對動物的行為進行了長期的研究，形成了動物行為分析和行為生態研究相結合的實驗動物行為學 。20世紀 30 年代，B． F． Skinner 利用自行研製的斯金納箱研究鴿子的操作性條件反射行為，為後來的操作式條件反射學習記憶行為研究奠定了基礎 。當然，這些人工手段為主的研究方式的缺陷是顯而易見的，如限制了同時進行實驗的動物數量，使得實驗周期延長，不但耗費大量的人力、物力，而且對於一些要求較短實驗周期的動物模型無法進行研究;其次，人工觀察會對動物行為本身產生影響，影響實驗環境; 最後，實驗者通過觀察動物行為及其變化進行記錄，在描述實驗結果時不同的實驗人員可能有不同的記錄，不能確保實驗結果的精確性、客觀性和完整性，並且人肉眼觀察到的信息是有限的。
世紀以來隨著紅外傳感器、阻斷磁場、都卜勒轉換等新興檢測技術的出現，動物行為學實驗方法有了質的跨越，實現了從人工到機械化自動監測的轉變。一些新的行為學實驗方法不斷用於動物行為學研究，可以採集動物外表活動表現 ( 自發活動、吃、喝、站立、驚恐、顫動、癲癇、靜止、睡眠) ，並進行長時監測，同時使得行為學的客觀和定量評價成為可能。我國科學家自上世紀 80 年代開始，研製開發了以紅外感應、壓力傳感等傳統技術為主的動物自發活動、學習記憶、疼痛等行為實驗方法。
張均田等應用紅外感應原理的跳臺和避暗實驗方法，進行了十二種化學藥品對小鼠學習記憶損害的比較研究。不過，這些實驗方法仍需要專家經和大量的勞動，容易導致疲勞和注意力分散，數據標準有內在的可變性和主觀性; 而且主要採集的是動物單一的行為活動，不能提供對複雜行為學、或伴隨發生的生理或生物力學變化的評價。需要重複測試同一批動物，或應用大量的動物才能獲得多信息。
二十世紀隨著計算機的出現，計算機、成像、電子工程和信息等多種新興學科的迅速發展和各種新技術向動物行為實驗領域的交叉滲透融合，一些能同時捕獲多種行為信息的設備不斷問世，動物行為學實驗方法不斷得到改進和完善。如荷蘭EnthoVision、法國 ViewPoint、西班牙 Smart 等動物行為分析系統，可以獲得動物在特定區域的運動路程、運動軌跡、站立次數、時間、速度、進入該區域的頻次等 。自動智能化的動物行為分析系統的研究對象可以涵蓋大小鼠等嚙齒類動物、斑馬魚 、大型哺乳動物等 。動物在群體中的行為更接近動物行為的本質。近年來，動物個體在群體行為的研究方法有所突破，實現了動捕食行為進行了研究。Darwin 1859 年《物種起源》、1871年《人類的由來》的問世，開始了將動物行為實驗結。1906 年，動物的精準識別，長時檢測，並可同時檢測動物的多種行為。德國 TSE 公司建立的一體化智能行為學分析系統 ( 智能籠， IntelliCage) ，應用異頻雷達收發機技術，可以精確識別在一個家籠環境中，在各種生活狀態下的單只動物，從而獲得多隻動物在群體、家籠環境下的行為學數據，包括空間學習任務，焦慮測試，日夜節律，食物辨別和操作式強化等主要行為學模塊。 Pels czi 等將 16 只小鼠同時放在一個智能籠裡，
究東莨菪鹼對群體環境下、不同時間窗的C57BL /6J 小鼠逆反學習能力的影響，減少了實驗人員和陌生
ＲFID( radio-frequency identification) 技術識別、跟蹤動物，建立了群體條件下，長時間研究動物社會行為的檢測系統。採用非侵入式的顏色識別法，Ballesta 等建立了多攝像頭 3D 實時追蹤系統，研究非人靈長類動物的社會行為 。中國科學家以計算機視覺技術為重點，相繼研發出了生理信號計算機自動測試與分析系統、學習記憶、抑鬱和自發活動行為檢測分析系統 。這些自動化、智能化的動物行為分析系統可以同時檢測和分析許多行為學和生理現象，如焦慮、抑鬱、學習、記憶、運動等活動模式，可以對動物行為進行長時監測，從而獲得動物行為晝夜節律等更為豐富的信息，能在同一時間內評價許多行為過程，使得動物行為學實驗具有高通量特性，而且減輕動物實驗中運用動物帶來的倫理問題。藉助生物信息學工具對這些龐大的行為信息數據進行複雜的統計分析和數據挖掘，使得行為信息的捕獲、收集、翻譯和解析變為可視化的數據，並存儲為計算機可識別的數據格式; 提供實時捕捉分析功能，亦可對存儲的視頻記錄進行離線分析; 對檢測的事件可以通過點擊來自動回 / 播放相應事件對應的視頻，便於校驗; 可記錄分析動物實驗過程中的多種實驗參數等等，滿足了許多有行為學實驗需求卻沒有特定計算機技術研究人員的需求，不僅使傳統行為學研究過程自動化和客觀化，而且使行為分析更精確、簡便和可靠。
動物行為實驗方法分類
動物行為實驗方法早期研究主要是為學習記憶行為設計的，後來發展為情緒表達、運動行為、社交行為、疼痛及成癮性等行為實驗方法。目前主要的行為學實驗包括學習記憶行為實驗、抑鬱行為實驗、焦慮行為實驗、恐懼行為實驗、自發活動行為實驗、節律行為實驗、攻擊行為實驗、防禦行為實驗、繁殖行為實驗、社會行為實驗等，社會行為實驗指溝通行為實驗、利已行為實驗、等級行為實驗等。研究最多的主要是學習記憶、情緒和運動行為等。
1 學習記憶行為實驗方法
學習是神經系統接受外界環境變化獲得新行為和經驗的過程，記憶是指對學習獲得的經驗或行為的保持，包括獲得、鞏固、再現及再鞏固四個環節。學習和記憶二者是互相聯繫的神經活動過程，學習過程中必然包含記憶，而記憶總是需要以學習為先決條件。研究者設計了多種學習記憶行為實驗方法用於評價學習記憶。學習 記 憶 行 為 實 驗 方 法 的 開 掘 者 包 括Thorndike、Pavlov 和 B． F． Skinner 等。1937 年 Skinner 首次建立了基於操作的學習記憶行為實驗方法 － 斯金納箱。1930 年，Tolman 和 Honzik 應用
個單元的 T 型迷宮，研究大鼠的潛伏學習( latent learning) 。後來，多單元迷宮演變為目前應用的 T 迷宮。1939 年，Dennis 首次定義了大鼠在 T 迷宮中的自發交替( spontaneous alternation) 行為，認為大鼠能夠 對 探 索 過 的 臂 產 生 內 起 抑 制 ( internalinhibition) ，而進入沒有探索過的臂，從而增加發現食物的機會。1979 年，Barnes 建立了巴恩斯迷宮( Barnes maze) ，動物不需要限食，基於其天生的探索特性，應用噪音、強光和暴露的開放環境作為應激手段，促使動物尋找目標洞。1981 年，Morris建立了水迷宮方法，基於動物厭惡水環境的特性，強迫實驗動物遊泳，學習尋找隱藏在水中的平臺。水迷宮是學習記憶行為學評價的另一個標誌性事件，主要用於海馬依賴的空間參考記憶和工作記憶的研究。1988 年，Ennaceur 等基於動物天生對新奇物體的探索特性，建立了新物體識別 ( novel object recognition test) 評價方法，與其他評價方法比較，該方法不需要學習訓練，無需禁食禁水，不用施加懲罰或獎賞刺激，對動物的應激影響較小，與人類的再認記憶檢測相似類的再認記憶檢測相似。大小鼠的觸屏認知系統也相繼問世，用於認知功能的評價，尤其在神經精神疾病藥物篩選中發揮重要作用 。
非人靈長類動物具有與人類相似的大腦結構，具備高級腦功能，可以被訓練完成特定類型的測試任務，對評價認知能力、情緒反應等具有嚙齒類動物無法替代的作用。觸屏測試認知系統是目前廣為接受的靈長類動物認知行為的評價方法。該方法源於人的神經行為測試的計算機化形式。劍橋
神 經 心 理 測 試 自 動 化 組 合 ［NeurobehavioralCambridge Neuropsychological Test Automated Battery CANTAB) ］是觸屏認知測試系統的經典設備。動物通過觸控螢幕，完成高通量的系列模塊化測試，如強化認知、內外空間的設置變化與視覺辨別、對顯示符號的短暫識別和不識別、空間記憶、選擇序列反應時測試和成對結合學習等 。