動物訓練不只是花式，更是改善實驗動物福利的好方法

可以傳染的「興奮感」：費洛蒙

費洛蒙是一種非常大的分子，會從動物體內散發出來並影響其他動物身體的行為。

這種物質當初是在 1959 年由德國生物化學家阿道夫．布特南特（Adolf Butenandt）發現， 這位科學家在二十年前就因為首次合成出性激素而獲得諾貝爾化學獎，說他是化學界的搖滾巨星都還不足以形容他的貢獻。

他的研究發現，費洛蒙的功能和激素一樣，但是只對附近的相同物種個體有效。

舉例來說，如果動物 A 在動物 B 附近釋放出性費洛蒙，動物 B 的身體會吸收這些分子，整體行為也會受到影響。這其實代表動物 A 具有像丘比特的能力，只不過用的不是箭，而是分子。

基於以上的原因，費洛蒙有時會被稱為「環境激素」（eco-hormone），因為這類分子的運作方式就像是體外的激素。

和激素相同的是，費洛蒙有各式各樣的結構。有些分子非常小，有些則相當大，不過全都是揮發性分子，這表示分子在特定條件下會輕易蒸發。揮發性物種通常很好辨識，因為會帶有強烈的氣味（像是汽油或去光水）。

研究人員決定把這種分子命名為費洛蒙（pheromone），是因為字面上的意思是「轉移興奮感」，而這正是費洛蒙的功能。

動物間的費洛蒙功用

強大的費洛蒙分子可以傳送幾種不同主題的訊號給附近的同類，例如食物、安全狀況或者性。舉例來說，螞蟻會在巢穴和食物之間的路徑散發費洛蒙，來通知彼此食物來源在哪裡。

狗在散步時對消防栓撒尿是為了標示自己的領域，這時釋放的就是領域費洛蒙。就連雄鼠也會散發出性相關的費洛蒙來吸引雌鼠，同時也會導致附近的雄鼠變得更有攻擊性。

那麼人類呢？

人也會散發出任何一種類型的性費洛蒙嗎？

出乎意料的，人類不會散發任何一種形式的性費洛蒙。不過我們自以為有費洛蒙的原因在這裡：1986年，溫尼弗雷德．卡特勒（Winnifred Cutler）發表的研究宣稱，她成功分離出第一種人類性費洛蒙。

在這項研究計畫中，她蒐集、冷凍並解凍來自幾位不同對象的性費洛蒙。一年之後，她將這些分子塗在許多女性受試者的上唇，接著便宣稱她觀察到和大自然的動物類似的結果。

事實上，卡特勒的研究完全是一派胡言。她根本沒有分離出人類性費洛蒙；而只是把奇怪的氣味塗在隨機受試對象的上唇，其中包括——請做好心理準備——腋下的汗水。

與其說是分離出純費洛蒙，不如說她蒐集的是人流汗時排出的電解質，而且還抹在別人的臉上。

直到今天，卡特勒的噁心科學研究還流傳在網路上的各個角落，這表示如果有人在 Google 上搜尋「人類性費洛蒙」，就會和得到一堆錯誤資訊。有些研究人員堅信我們總有一天會發現性費洛蒙，不過在這本書出版的當下，科學界尚未找到任何人類性費洛蒙。

一直以來有不少相關研究在執行和重複進行，也盡可能針對各種變數進行調整，而所有的研究團隊都得出相同的結論：二十一世紀的人類大概沒有性費洛蒙。

但人類有史以來就是這樣嗎？如果大多數的其他哺乳類都有性費洛蒙，包括兔子和山羊，為什麼我們沒有？

答案其實意外簡單：人類學會了溝通。

我們可以用語言（和蠟燭……還有性感內衣……）告訴伴侶我們有興趣滾床單，而雪貂則必須往理想交配對象的方向散發性分子。

——本文摘自《完美歐姆蛋的化學》，2022 年 12 月，日出出版出版，未經同意請勿轉載。

狗（Canis lupus familiaris）是人類馴化最悠久、最廣泛的動物，牠們幾乎存在於全世界每個人類社區中，並在不同時代與文化裡扮演著不同的角色，其中包括狩獵、放牧、運輸、守衛、警報、追踪、商品、精神媒介及民俗醫療等等不勝枚舉的功能 ^[4]。

根據目前研究，已成功訓練犬隻來檢測人類的各種代謝狀況及疾病，其中包括低血糖和高血糖 ^{[10, 20]}、癲癇發作 ^[3] 、癌症 ^[13] 以及細菌和病毒感染 ^[1]。

而在 COVID-19 大流行時代當然也不會缺少牠們的位置，因此陸陸續續就有相關的研究團隊開始著手訓練犬隻來檢測 COVID-19 ^{[7, 9, 11]}，且總體都表現出不錯的準確率，以 Essler 等人的研究為例 ^[7]，其靈敏度（真陽性率）為 71% ；特異度（真陰性率）為 98% 。

本篇文章將從狗狗的嗅覺原理，談到訓練方式與臨床上的可能性與限制。

狗靠什麼原理來聞出疾病？

• 疾病聞得出來嗎？

早在公元前 1 世紀的古印度醫學典籍《Sushruta Samhita》中就有提及到，確實是有一些疾病是可以改變人類的氣味的，而這些疾病從滲出液中會釋放出特定的揮發性有機化合物 （volatile organic compounds，VOCs），並可用作於診斷參考 ^[5]。大概 19 世紀開始，西方文化也開始通過嗅覺線索來診斷一些疾病，例如天花及壞血病 ^[14]。

• 狗聞到的是什麼？

雖然人類的嗅覺沒比想像中差，一定程度上人類確實是可以通過汗液識別出含有細菌衍生內毒素（bacteria-derived endotoxins）的個體 ^[17] ，但這相比於狗，那可就是小巫見大巫了。因為狗的氣味檢測能力大概至少是普通人的一千至一萬倍 ^[23] ，牠們除了可以識別具有更細緻氣味變化的人類病原體外，甚至是可以聞出人類在不同情緒狀態下的差異 ^[5] 。

這使我們難以得知牠們的「鼻」中世界，即使是使用上複雜的氣相層析質譜法 （Gas chromatography–mass spectrometry）也無法檢測到不同疾病間 VOCs 的差異，因為它甚至會因個體差異而有所不同，所以狗對氣味的反應可能不是單一一種氣味，而更可能是一種獨特的氣味組合模式 ^[18]。

如何有效訓練狗狗檢測疾病？

• 訓練的方式

基本上訓練流程都與教狗來偵查炸彈及毒品大同小異，首先團隊會將患有特定疾病的人和沒有患有特定疾病的人身上採集生物樣本，例如汗液和尿液。然後會讓狗用嗅聞裝有樣品的容器，如果有做出正確反應了話，狗將會被賦予獎勵（食物），如果沒有了的話則非 ^[18]。

• 樣本的採集

檢測犬的訓練盡量要使用來自不同個體的許多樣本，因為如果樣本不足了話，狗學會的將是區分個體的氣味，而不是疾病的氣味。所以狗的工作就是尋找這些樣本的共通點，並記住它，即使這些氣味存在個體差異 ^[18] 。

此外我們還必須注意樣本中的其他變數，例如如果我們所有陽性樣本都是從醫院採集過來的，而所有陰性樣本又剛好是從社區採集過來的，那狗可能只會分辨誰去過醫院，而不是誰得了病。

總而言之樣本的多樣性越高，狗的類化（generalization）範圍也就會越廣，準確度也就越高 ^[18] 。

臨床上的可行性與障礙

• 環境轉移效應（context shift effect）

因為大部分實驗還是處於實驗室裡的模型，更多實際操作的臨床數據是缺乏的，例如當動物在環境中的刺激下學會執行行為被轉移到新的環境中時，可能會有表現能力下降的情況，而這種現象被稱為環境轉移效應（context shift effect）^[2]。

並且這種效應曾在經過高度訓練以檢測爆炸物的狗身上發現過^[8]，以一項針對肺癌患者的檢測犬研究為例，通過從醫院轉移到另一個地點，犬隻的表現會有顯著的降低，其假陽性的發生率也會增加^[22]。

• 人畜共患風險

除了訓練技術及成本方面的問題外，這技術還涉及 SARS-CoV-2 的人畜共患病傳播相關的公共衛生及動物福利問題，根據目前研究，還是無法確定狗在檢測 SARS-CoV-2 變體以及多種病毒感染者上的有效性^[5]。

有鑑於 SARS-CoV-2 起源於蝙蝠一說，仍然是形成人類大流行的最可能原因^[24]，並且目前已發現幾種野生及圈養動物物種被感染，其中包括貓、狗及水鼬（minks） ^{[6, 16]} 。

D’Aniello 等人認為 ^[5] ，在沒有足夠的報告來確定狗能不能成為宿主物種，或甚至是與人類交叉感染之前，故意將狗暴露於 SARS-CoV-2 之前都是是草率的。在面對這議題時我們必須更加謹慎，限制大流行最重要的策略之一，就是預防潛在病毒宿主的任何溢出感染（spillover infection）。

教機器人辨識 COVID-19 ，可能比教狗狗更實際

如果配合正確的部屬策略了話，那相比於一次性的檢測試劑，訓練犬隻來檢測 COVID-19 確實還是一種高機動性、自主性及非侵入性的篩檢方法，並可一次篩檢一定範圍內的大量人員或樣本 ^[15] 。

可惜的是，儘管訓練有素的個體具有臨床應用價值，但學界仍未詳細了解不同品系及個體的狗的反應差異以及將這些訓練廣泛推廣的可能性 ^[5] 。

如獸醫師Otto在《nature》的採訪 ^[18] 中表示：「狗將在早期診斷中發揮作用，但我們還沒有找到最好的方法去實踐，這需要從科學和動物福利的角度繼續探索，但最大的問題是資金」。

如果要考慮到訓練成本（包含檢測犬的育種、培育和安置等等）、人畜共患風險及動物福利了話，與其「教狗辨識 COVID-19 」，不如「讓機器學會辨識 COVID-19 」。

一份令人振奮的據報導指出 ^[21] ，由物理學家 Johnson 和 Abella 醫生等人領導的團隊已經獲得了美國國家衛生院 （NIH）為期兩年 200 萬美元的資助，該項目將結合納米感測器陣列與機器學習的技術，以支持開發一種可以檢測到 COVID-19 患者 VOCs 的手持設備，並宣稱其初步測試靈敏度可超過 90% ，預計會在 2023 年初向食品藥物管理局提出申請。

參考資料

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輾轉反側，徹夜難眠的時候，您幾點起床？就算醒了，工作效率是否異常低落？
在此，請您非但別只想到自己，還要拿出一點同理心：因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲，也深受困擾。

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊，有一篇標題冗長的論文，叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉^[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson，認為歌唱的時辰與類型，對於喜鵲的社交生活相當重要，並以此做為研究主題^[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前，有些人就已經沒什麼社交生活，更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV，人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

於是，牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先，研究團隊架設陷阱，用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後，再關進裝有監視器的房間裡。接著，為了測量腦電波圖（electroencephalogram, EEG）與肌肉電位圖（electromyogram, EMG），科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉，植入電極貼片（electrodes），方便之後記錄睡眠狀態^[1]。

然後，喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器，左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡，盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前，不加以掩飾；第二次猶抱琵琶半遮面；第三次開始蓋子完全擋住凹槽，令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期，全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」（associative learning），蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子，發現下面藏有食物。這樣重複 15 次，讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難^[1]。

結訓後，研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」（chilled, unmoving mealworms），為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動，科學家也期望牠們展現「反轉學習」（reversal learning）的能力。將蓋子的顏色調換，要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點^[1]，例如：

1. 喜鵲做出第一次選擇時，是否有延遲的行為。緩慢的反應，代表注意力不集中，或動機下降。
2. 喜鵲得經過幾回，才能達到連續 12 次嘗試中，有 10 次正確的及格分數。
3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們，便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段，喜鵲們被劃為三組，分別體驗下列三種睡眠模式之一：無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪，以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招，包括：迫近或拍打鳥舍、發出噪音，或是輕撫充滿睡意的喜鵲^[1]。如同可憐的臺灣中學生，明明前晚都沒睡飽，隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲，怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料，沒睡飽的喜鵲容易犯錯，而且要花較長的時間，才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機，傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示，失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度（alertness）、注意力、警戒等級（vigilance）等，都會受到負面影響^[1]。

除了喜鵲考試的成績，科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺，也不要唱歌。最後就算唱了，單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出，頻寬變得狹窄，內容相較貧乏，顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通，大同小異。當一個人睡眠不足，說話的速度會緩慢下來，咬字不如平常清晰，語句重覆的機率提高，甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息^[1]。

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域，分辨敵友，並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落，也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果，與喜鵲有那麼多的相似處，下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前，我們是不是應該先睡飽，再來思考怎麼社交呢？

備註：此實驗結束後，參與受試的澳洲喜鵲，均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料：

1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)