使用昆蟲取代實驗鼠進行行為實驗

近年在學界倡導動物減量的氛圍下，科學家們花了不少的功夫來研究減少實驗中使用的囓齒實驗動物數量。在某些情況下，可以透過細胞培養或電腦模型完全取代動物的使用，例如在某些毒理學研究中使用模擬的方式來評估劑量與病症的關係。此外，透過進行更有效率的實驗設計和自動化測量，我們也可以從更少的動物中獲得更多的數據 (例如使用分析軟體 Noldus EthoVision XT)。

然而，對於某些領域的研究，例如大腦和行為疾病，目前沒有無動物實驗的替代方案，我們也很難想像在未來幾年會有替代方案。大腦是一個極其複雜的器官，不僅擁有比我們想像的更多的電連接（大約有 100-2000 億個神經元和 150 兆個突觸） 大腦是一個極其複雜的器官，不僅擁有比我們想像中的更多的生物電路（大約有100-2000 億個神經元和150 兆個突觸），而且還透過荷爾蒙和神經傳導物質進行精細且複雜的交互作用。當複雜的器官與同樣複雜的身體相互作用時，就會產生特定的行為。在這篇文章中，我們將討論使用更容易飼養的果蠅取代常用的囓齒動物和魚類。

囓齒實驗動物模式的替代方案

另一種方法是不再使用大鼠和小鼠等哺乳動物，而是使用可能經歷較少疼痛的動物，例如斑馬魚或昆蟲的幼魚/幼蟲， 在研究某些人類疾病上，這類實驗動物也具備某些優勢。囓齒動物是夜行動物，且它們的大腦迴路是圍繞著處理來自氣味的感官數據而架構的，而魚類和昆蟲，就像我們一樣，都是以視覺為中心的動物。由於共同的演化起源，他們大腦的關鍵方面（例如神經傳導物質系統）與我們比老鼠更為相似。

使用昆蟲實驗動物模式

數十年來，人們一直在小鼠和大鼠身上進行模擬人類疾病的行為測試。利用昆蟲來達到這個目的是一種相對較新的方法。 Wendi Neckameye 和 Andres Nieto 在囓齒類動物常見的四種行為測試中使用果蠅（Drosophila）進行了實驗，並將其應用於他們的研究中 [2]。在此之前，果蠅在遺傳學研究的貢獻就已廣為人知。

Open field 開闊場實驗

開闊場測試可能是囓齒類實驗動物最常進行的測試。將小鼠或大鼠放置在有圍牆的開放區域。如果他們感到壓力山大，那麼他們通常會留在相對安全的牆邊，動物四處走動的距離並探索了多少空間也是非常重要的資訊。對於昆蟲，它們被簡單地放置在培養皿中（大概蓋上蓋子），然後根據軌跡追蹤軟體對昆蟲速度的測量，測量它們的活動並將其分為停止、行走和跳躍。

Light-Dark box preference 明暗箱偏好實驗

囓齒動物在明暗箱偏好實驗的結果指出這樣一個事實：小鼠和大鼠更喜歡黑暗而不是光亮環境，只有當它們不焦慮或沒有壓力時才會嘗試出現在明亮的區域。蒼蠅喜歡光明而不是黑暗，因此可能會出現相反的結果。將蒼蠅放入 5 x 2 x 1.5 公分的盒子中，其中一半被漆成黑色。然後記錄蒼蠅在某一區域停留的時間和穿越的次數。

Alcohol exposure test 酒精暴露實驗

暴露在壓力下會影響動物對酒精的敏感性，壓力越大其對酒精的敏感度及帶來的鎮靜效果就會大幅下降。對於囓齒動物和蒼蠅來說都是如此。在此測試中，酒精暴露導致鎮靜所需的時間與壓力組和對照組相關。

Forced Swim 強迫游泳實驗

囓齒類動物的強迫游泳實驗用於檢測動物的抑鬱相關行為。將大鼠或小鼠放入高垂直壁且裝滿一半水的圓筒中，起初，它們掙扎並試著逃跑，但隨後就會感到無助並放棄掙扎，讓自己漂浮在水中。當精神狀態正常的老鼠再次被放入圓筒中時，它們仍然會掙扎並試著逃脫，而有憂鬱傾向的老鼠會表現出習得性無助並更快放棄掙扎。

對於果蠅，它們被放置在一個小容器中，其中盛有含有些許清潔劑的水（以防止它們在水面上行走）。測量他們第一次停止試圖逃跑的時間（靜止潛伏期）和靜止期的次數。強迫游泳實驗的使用經常是囓齒動物實驗中備受爭議的話題，而在這項測試中用蒼蠅代替囓齒動物可能是解決這一道德困境的方案之一。

多樣化的結果

值得注意的是，他們發現測試結果會取決於果蠅的性別、年齡（成年或未成熟）以及它們所承受的壓力類型。例如，在強迫游泳測試中，成熟的果蠅比未成熟的果蠅掙扎逃脫的時間更長，雄性的不動時間比雌性少，第一次進入靜止的持續時間也較短。但有些種類的實驗則會產生完全相反的性別差異，例如用百草枯（一種毒素）處理的雌性果蠅比對照組移動得少，但接受這種處理的雄性果蠅移動得更多。這意味著對結果的解釋需要有非常多的資訊與數據支持，遠非直截了當。

裸蓋菇素 (Psilocybin) 對憂鬱症的影響

Meghan Hibicke 和 Charles Nichols 最近進行了裸蓋菇素是否會影響果蠅的強制游泳實驗結果 [3]。裸蓋菇素是一種從真菌中提取的化學物質，包括「神奇蘑菇」或自由帽、半披針裸蓋菇。它是一種迷幻劑，幾千年來一直被用於娛樂用途，但最近發現它具有抗憂鬱特性，並在一些國家（例如澳洲）在臨床上使用。

Image from Wikipedia Commons

他們給果蠅對照組（零劑量）、低劑量和高劑量的裸蓋菇素。當他們只觀察活動力（運動）時，他們發現雄性比雌性活動少，但裸蓋菇素會降低雄性的活動並增加雌性的活動。在強迫游泳測試中，裸蓋菇素縮短了首次靜止的時間，並減少了不動的次數（男性和女性都是如此）。他們對一種名為西酞普蘭的抗憂鬱藥物也得到了相同的結果。他們還發現，結果根據果蠅的基因型以及藥物的給藥方式（脈衝或連續）而有所不同。

果蠅實驗中的衝突結果

所獲得結果的複雜性意味著很難為新的測試解釋它們。如果結果取決於性別、年齡和其他因素，那麼動物的精神狀態在實驗結果所能代表多少的意義？該測試似乎也遵循不同的實驗步驟——作者沒有報告使用兩個階段，這對老鼠來說是正常的。此外，與蒼蠅不同，老鼠是游泳健將，可以輕鬆漂浮，因此強迫游泳中老鼠的靜止與果蠅的靜止所代表的生物學意義可能有很大不同 (誰知道老鼠是不是只是在玩水)。不過從某種意義上說，將測試從老鼠轉移到蒼蠅的困難同時也反映了將測試從囓齒動物轉移到人類的困難。

如何解釋果蠅動物模式下的結果

Bale及其同事[1]指出，在動物身上進行人類精神疾病研究的原因並不是因為可以在動物身上建立人類疾病的精確模型。無論如何，這是不可能的，因為像憂鬱症這樣的疾病變化很大，因此沒有一種模型可以捕捉所有機制。此外，憂鬱症只有大約 35% 是可遺傳的，有數百個基因導致這種風險，每個基因的影響都很小，因此不可能在動物模型中捕捉到。

憂鬱症的最大風險因素是患者整個生命週期（甚至之前）所經歷的任何壓力或創傷都有可能成為致病原因，而且變化很大，不能簡單地對實驗動物施加的人為壓力就作為代表。他們寫道，「這個想法並不是假裝我們正在完全模擬人類疾病，甚至是該疾病的特定維度。相反，我們的研究目標可以是更好地理解對疾病與某些行為或是基本生物功能之間的關係，並確保我們的理解可套用在其他物種上」。在這樣的前題下進行研究，有時，昆蟲和囓齒動物的效果一樣好。

參考文獻

1. Tracy L. Bale, Ted Abel, Huda Akil, William A. Carlezon Jr., Bita Moghaddam, Eric J. Nestler , Kerry J. Ressler and Scott M. Thompson. The critical importance of basic animal research for neuropsychiatric disorders. Neuropsychopharmacology (2019) 44:1349–1353; https://doi.org/10.1038/s41386-019-0405-9

2. Wendi S. Neckameyer* and Andres Nieto (2015).  Response to stress in Drosophila is mediated by gender, age and stress paradigm. Stress. 2015 ; 18(2): 254–266. doi:10.3109/10253890.2015.1017465.

3. M. Hibicke & C. D. Nichols (2022). Validation of the forced swim test in Drosophila, and its use to demonstrate psilocybin has long lasting antidepressant like effects in flies. Nature Scientific Reports 12:10019. https://doi.org/10.1038/s41598-022-14165-2