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動物訓練不只是花式,更是改善實驗動物福利的好方法

Heiman
・2012/07/04 ・3401字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

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各種現代生物學相關研究無法不使用動物來進行實驗,而隨著我們對動物所知愈來愈多,我們不再如十七世紀名哲學家笛卡兒一般視動物為機器,而是有知覺的生命體,因此,基於側隱和道德,關注動物福利已是動物學界的主流。

B.O. Hughes提出動物福利意即動物與身處環境之和諧,而D.M. Broom對動物福利奠下了科學上的定義:動物嘗試適應身處環境的狀態(有能力控制身心的安定,包括生理、心理、行為等等)。對動物的福利關注早於動物福利被科學定義前的1920年代已經出現,由倫敦大學動物福利協會(1938年更名為動物福利大學聯會(Universities Federation of Animal Welfare, UFAW))提出。該會提出「處理動物問題須以科學為基礎,用上最大同情心,但要將感傷收到最小」。

動物福利最先推行於實驗動物。1947年,該會出版實驗動物手冊(laboratory animal handbook),奠下了實驗動物的福利基準;並於1950年代提出動物實驗的3R原則:替代(Replacement)、減少(Reduction)及改善(Refinement)。這比後來同樣由該會制定的農業動物照護及管理福利基準的出現還要早二十年。儘管如此,實驗動物福利至今仍存在大量需要改善的空間,特別是過去人們多從生理層面去檢視動物福利,只顧消極地預防和處理病痛等問題,而忽略了心理福利需求(而心理問題也會對生理造成壞影響)。因此,過往的實驗動物福利改善多數只從改善居住環境的設計(如擴建和衛生等)著手,較少著眼於改善人類跟實驗動物的互動以減少實驗動物因人類而受的心理壓力。上個月筆者有機會參與澳紐實驗動物協會(Australian and New Zealand Laboratory Animal Association, ANZLAA)主辦的座談會,內容是講述運用行為訓練及條件制約(Conditioning)方法來改善動物設施內的福利,正好提供了改善實驗動物的心理福利的新方法。

動物的心理包括了認知、情緒以及由此而生的行為,而作為有知覺的生命體,動物或被動或主動地不斷從與身處的環境(外來刺激)中學習認知、情緒、行為。要改善動物的心理福利,就要先了解牠們的心理狀況,因此需要了解動物的學習原理和結果;而了解了動物的學習原理和結果後,則可以反其道而行,主動地應用這些原理去幫助動物適應環境。動物有多種學習方法,最不同動物共通、最主要的兩種分別為對情緒(及其延伸行為)作用的古典條件制約(Classical conditioning),以及對行為作用的操作式條件制約(Operant conditioning)。

古典條件制約由俄國科學家巴洛夫(I.P. Pavlov)所發現,著名例子莫過於巴洛夫那隻聽到鈴聲就流口水的狗。以巴洛夫的狗作例子,狗本來不需要學習,看見食物(非制約刺激)就會被引發食慾而流口水(非制約反應),而若狗每次看見食物時都聽到鈴聲,久而久之,鈴聲和食物就會在狗的認知中產生配對聯繫,使得鈴聲成為一個制約刺激,可以單獨地引發狗的食慾使其流口水(流口水成為對鈴聲的制約反應)。這過程讓狗學習了鈴聲對自己的意義和對鈴聲作出相應的情緒及行為反應。在實驗室之中,清潔機造成的噪音或人類強迫性的對待手法等等非制約刺激常常引起實驗動物的恐懼情緒,造成躲避、逃跑、反擊等非制約恐懼行為反應,通過古典條件制約過程,動物更學習對清潔機或人類本身(制約刺激)感到恐懼並做出相應行為(制約反應),這使得實驗動物經常地處於莫大而不必要的心理壓力。動物對人類的恐懼反應更往往引起人類加倍粗暴的對待,例如更迅速用力地抓住動物不讓其逃走或反擊,造成惡性循環,使動物心理壓力更加惡化,並大大提高動物和人類受傷的風險,造成嚴重的福利問題。

然而,當我們理解古典條件制約的學習原理,就可以反其道而行對動物使用反條件制約(Counter-conditioning)——在實驗動物遇上引發恐懼(或有可能引發恐懼)的刺激時,給予牠們喜好的刺激(如牠們喜歡的食物、玩具、撫摸等等),使那些刺激(如清潔機和人類本身)和喜好的刺激配對聯繫起來,令實驗動物不再對其恐懼,甚至更願意主動接近人類。這不但消除動物的恐懼,也使得粗暴的對待手法不再必須,因此可以大大減少動物的心理壓力,甚至讓牠們感到正面的情緒,滿足牠們福利需求。

影片:對注射疫苗的小貓進行反條件制約訓練

第二大學習原理為史金納(B.F. Skinner)發揚光大的操作式條件制約,原理請回顧筆者之前所寫的《狗狗不打不成器?非也,研究指獎勵式訓練較為可取》。要注意的是,因為筆者於該文以訓練動物的角度來介紹操作式條件制約,因此使用了「給予/移除刺激為後果去鼓勵/阻止」這種帶有訓練者主動意圖的描述,然而事實上操作式條件制約作為動物學習調整行為與環境互動的原理,刺激的出現及消除並不需要帶有主動的訓練意圖,以人跟實驗動物的互動為例:傳統對待實驗動物的手法都帶有正處罰(Positive punishment)和負增強(Negative reinforcement)——實驗員把白老鼠抓起,白老鼠掙扎,為免牠逃脫實驗員加強了握力。縱使實驗員無意訓練老鼠乖乖不掙扎,但握力帶來的痛苦卻正處罰了老鼠掙扎的行為,令牠停止掙扎;而見老鼠停止掙扎後,實驗員不自覺的放鬆握力,使得握力帶來的痛苦消失,也負增強了老鼠乖乖不掙扎的行為;不過,假若實驗員加強握力時,老鼠勇敢地反擊咬了實驗員手指使他放開手,得以從粗暴的對待中逃脫,則會負增強老鼠的咬人行為,讓老鼠學習當人加強握力時就要咬人以求逃脫。

在這例子可以看到傳統對待實驗動物的手法所引起的問題:製造人和動物的對抗,不僅對雙方造成不必要的心理壓力,更帶來更高的受傷風險。另外,動物訓練師Bob Bailey有句名言叫「巴洛夫常在你的肩上(Pavlov is always on your shoulder)」,就是說使用操作式條件制約時,古典條件制約仍然存在。因此,以正處罰及負增強這些涉及厭惡刺激的學習原理為主的對待手法往往令實驗動物學會恐懼人類,造成前一段所述的福利問題。

相反,使用正增強(Positive reinforcement)為主的訓練方法可以改善實驗動物福利,例如以小食獎勵主動行為的方式訓練白老鼠自動地走到磅上量體重、進入清潔的籠子,又或者訓練牛隻主動進入圍欄讓人抽血。正增強訓練如何改善動物福利?第一,壓力的成因在於動物無法控制牠所身處的環境,因此當容許動物主動選擇並以獎勵方式正增強想要的行為時,動物感知到原來自己可以控制環境,就能大大減少壓力。研究證實,使用正增強訓練主動接受麻醉注射的實驗用黑猩猩,比起被迫以麻醉槍麻醉的同伴,其血液檢驗結果顯示較低的壓力生理指標。第二,使用正增強訓練可間接達成部分反條件制約效果。比如近年就有研究指出使用正增強訓練的馬喜好親近人類,而使用負增強訓練的馬則恐懼人類。在實際應用上,正增強訓練動物主動量體重、接受注射等等,於先進的動物園及水族館等等設施已取得空前成功,成為動物檢查護理的一部分。此外,不少靈長目動物實驗室也開始了正增強訓練的應用。再加上操作式條件制約可應用到多種不同動物(包括哺乳類、鳥類、爬蟲類及魚類等等),正增強訓練是改善實驗動物福利的好方法。

影片:正增強訓練狨猴量體重

雖然行為訓練及條件制約可大大改善實驗動物福利,但也有需要注意的事項。首先,實驗動物的飼養是以完成研究為主要目的,因此該座談會的一位講者Dr. John chofield提醒實驗動物照護員,對實驗動物進行行為訓練及條件制約前,必須先與研究員好好溝通。照護員須尋求並遵守研究員的指引,避免訓練對動物造成了實驗外變數(Non-experimental variables)——令動物除了實驗要檢視的不同處造成的影響外,多出了實驗沒有預期的同處所造成的影響——使得研究結果大亂而將整個研究(甚至研究員的研究生涯)毀掉。另外,目前使用行為訓練及條件制約改善實驗動物福利也有其阻力,比如實驗動物管理員常質疑訓練動物(並訓練實驗人員訓練動物)需求更多時間及資源而不願嘗試,然而,若能訓練實驗動物主動合作,一時的額外付出很可能帶外長期的時間及資源節省,因此這個改善實驗動物福利的新方法是大有潛力並值得考慮的。

 

參考資料:

Broom, D. M. 2011. A History of Animal Welfare Science. Acta Biotheoretica, 59, 121-137.

Common Marmoset Care: Handling and Training (http://www.marmosetcare.com/care-in-captivity/handling-and-training.html)

Highlights from UFAW’s History (http://www.ufaw.org.uk/highlights.php)

Incorporating Behavioural Training and Conditioning into Animal Facility Routines (Symposium organised by ANZLAA on Wednesday 20th June, 2012)

Perlman, J. E., Bloomsmith, M. A., Whittaker, M. A., McMillan, J. L., Minier, D. E. & McCowan, B. 2011. Implementing Positive Reinforcement Animal Training Programs at Primate Laboratories. Applied Animal Behaviour Science.

Sankey, C., Richard-Yris, M.-A., Henry, S., Fureix, C., Nassur, F. & Hausberger, M. 2010. Reinforcement as a Mediator of the Perception of Humans by Horses (Equus Caballus). Animal Cognition, 13, 753-764.

同場加映兩個有關古典條件制約及操作式條件制約的小笑話:

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Heiman
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動物科學碩士,主修動物行為及動物福利,喜歡動物行為訓練,亦對動物演化及自然生態互動充滿興趣。學士時代主修動物學及生態學。

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

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參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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狗狗小「鼻」立大功?訓練犬隻來檢測 COVID-19 的可行性
森地內拉_96
・2022/07/09 ・3853字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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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]

狗狗一直以來都是人類最好的朋友。 圖/ Pixabay

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]

使用嗅覺來判斷疾病,已有近百年的歷史。 圖/ envato
  • 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]

裝填樣本的裝置。圖/ 參考文獻 7
  • 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]

環境轉移效應也會影響犬隻檢測疾病的準確度。 圖/ envato
  • 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

教狗狗檢測疾病,執行上可能比想像困難。 圖/ envato

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

1. Angle, C., Waggoner, L. P., Ferrando, A., Haney, P., & Passler, T. (2016). Canine Detection of the Volatilome: A Review of Implications for Pathogen and Disease Detection. Frontiers in Veterinary Science, 3. https://doi.org/10.3389/fvets.2016.00047

2. Balsam, P., & Tomie, A. (1984). Context and Learning (1st ed.). Psychology Press.

3. Catala, A., Grandgeorge, M., Schaff, J. L., Cousillas, H., Hausberger, M., & Cattet, J. (2019). Dogs demonstrate the existence of an epileptic seizure odour in humans. Scientific Reports, 9(1). https://doi.org/10.1038/s41598-019-40721-4

4. Chambers, J., Quinlan, M. B., Evans, A., & Quinlan, R. J. (2020). Dog-Human Coevolution: Cross-Cultural Analysis of Multiple Hypotheses. Journal of Ethnobiology, 40(4). https://doi.org/10.2993/0278-0771-40.4.414

5. D’Aniello, B., Pinelli, C., Varcamonti, M., Rendine, M., Lombardi, P., & Scandurra, A. (2021). COVID Sniffer Dogs: Technical and Ethical Concerns. Frontiers in Veterinary Science, 8. https://doi.org/10.3389/fvets.2021.669712

6. Deng, J., Jin, Y., Liu, Y., Sun, J., Hao, L., Bai, J., Huang, T., Lin, D., Jin, Y., & Tian, K. (2020). Serological survey of SARS‐CoV‐2 for experimental, domestic, companion and wild animals excludes intermediate hosts of 35 different species of animals. Transboundary and Emerging Diseases, 67(4), 1745–1749. https://doi.org/10.1111/tbed.13577

7. Essler, J. L., Kane, S. A., Nolan, P., Akaho, E. H., Berna, A. Z., DeAngelo, A., Berk, R. A., Kaynaroglu, P., Plymouth, V. L., Frank, I. D., Weiss, S. R., Odom John, A. R., & Otto, C. M. (2021). Discrimination of SARS-CoV-2 infected patient samples by detection dogs: A proof of concept study. PLOS ONE, 16(4), e0250158. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0250158

8. Gazit, I., Goldblatt, A., & Terkel, J. (2004). The role of context specificity in learning: the effects of training context on explosives detection in dogs. Animal Cognition, 8(3), 143–150. https://doi.org/10.1007/s10071-004-0236-9

9. Grandjean, D., Sarkis, R., Lecoq-Julien, C., Benard, A., Roger, V., Levesque, E., Bernes-Luciani, E., Maestracci, B., Morvan, P., Gully, E., Berceau-Falancourt, D., Haufstater, P., Herin, G., Cabrera, J., Muzzin, Q., Gallet, C., Bacqué, H., Broc, J. M., Thomas, L., . . . Desquilbet, L. (2020). Can the detection dog alert on COVID-19 positive persons by sniffing axillary sweat samples? A proof-of-concept study. PLOS ONE, 15(12), e0243122. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243122

10. Hardin, D. S., Anderson, W., & Cattet, J. (2015). Dogs Can Be Successfully Trained to Alert to Hypoglycemia Samples from Patients with Type 1 Diabetes. Diabetes Therapy, 6(4), 509–517. https://doi.org/10.1007/s13300-015-0135-x

11. Jendrny, P., Schulz, C., Twele, F., Meller, S., von Köckritz-Blickwede, M., Osterhaus, A. D. M. E., Ebbers, J., Pilchová, V., Pink, I., Welte, T., Manns, M. P., 12. Fathi, A., Ernst, C., Addo, M. M., Schalke, E., & Volk, H. A. (2020). Scent dog identification of samples from COVID-19 patients – a pilot study. BMC Infectious Diseases, 20(1). https://doi.org/10.1186/s12879-020-05281-3

13. Jezierski, T., Walczak, M., Ligor, T., Rudnicka, J., & Buszewski, B. (2015). Study of the art: canine olfaction used for cancer detection on the basis of breath odour. Perspectives and limitations. Journal of Breath Research, 9(2), 027001. https://doi.org/10.1088/1752-7155/9/2/027001

14. Liddell, K. (1976). Smell as a diagnostic marker. Postgraduate Medical Journal, 52(605), 136–138. https://doi.org/10.1136/pgmj.52.605.136

15. Maughan, M. N., Best, E. M., Gadberry, J. D., Sharpes, C. E., Evans, K. L., Chue, C. C., Nolan, P. L., & Buckley, P. E. (2022). The Use and Potential of Biomedical Detection Dogs During a Disease Outbreak. Frontiers in Medicine, 9. https://doi.org/10.3389/fmed.2022.848090

16. Molenaar, R. J., Vreman, S., Hakze-van Der Honing, R. W., Zwart, R., de Rond, J., Weesendorp, E., Smit, L. A. M., Koopmans, M., Bouwstra, R., Stegeman, A., & van der Poel, W. H. M. (2020). Clinical and Pathological Findings in SARS-CoV-2 Disease Outbreaks in Farmed Mink (Neovison vison). Veterinary Pathology, 57(5), 653–657. https://doi.org/10.1177/0300985820943535

17. Olsson, M. J., Lundström, J. N., Kimball, B. A., Gordon, A. R., Karshikoff, B., Hosseini, N., Sorjonen, K., Olgart Höglund, C., Solares, C., Soop, A., Axelsson, J., & Lekander, M. (2014). The Scent of Disease. Psychological Science, 25(3), 817–823. https://doi.org/10.1177/0956797613515681

18. Photopoulos, J. (2022). The dogs learning to sniff out disease. Nature, 606(7915), S10–S11. https://doi.org/10.1038/d41586-022-01629-8

20. Reeve, C., Cummings, E., McLaughlin, E., Smith, S., & Gadbois, S. (2020). An Idiographic Investigation of Diabetic Alert Dogs’ Ability to Learn From a Small Sample of Breath Samples From People With Type 1 Diabetes. Canadian Journal of Diabetes, 44(1), 37–43.e1. https://doi.org/10.1016/j.jcjd.2019.04.020

21. Sucar, E. (2021, February 4). An ‘electronic nose’ to sniff out COVID-19. Penn Today. Retrieved July 1, 2022, from https://penntoday.upenn.edu/news/electronic-nose-sniff-out-covid-19

22. Walczak, M., Jezierski, T., Górecka-Bruzda, A., Sobczyńska, M., & Ensminger, J. (2012). Impact of individual training parameters and manner of taking breath odor samples on the reliability of canines as cancer screeners. Journal of Veterinary Behavior, 7(5), 283–294. https://doi.org/10.1016/j.jveb.2012.01.001

23. Walker, D. B., Walker, J. C., Cavnar, P. J., Taylor, J. L., Pickel, D. H., Hall, S. B., & Suarez, J. C. (2006). Naturalistic quantification of canine olfactory sensitivity. Applied Animal Behaviour Science, 97(2–4), 241–254. https://doi.org/10.1016/j.applanim.2005.07.009

24. Wong, G., Bi, Y. H., Wang, Q. H., Chen, X. W., Zhang, Z. G., & Yao, Y. G. (2020). Zoonotic origins of human coronavirus 2019 (HCoV-19 / SARS-CoV-2): why is this work important? Zoological Research, 41(3), 213–219. https://doi.org/10.24272/j.issn.2095-8137.2020.031

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森地內拉_96
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總覺得自己是理組中的文科生,一枚資工念一半就轉去生科的傻白甜。 關注於生態、演化生物學、生物多樣性及動物行為等議題,想要把自己的想法與接受到的新知傳達給大家,所以就開始嘗試寫科普......

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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?
胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

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。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

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]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 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?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

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)

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。