奶牛刻板行為的成因及機制研究進展

孫福昱 趙卿堯 趙廣永 顧憲紅*

(1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，北京100193；2.中國農業大學動物科學技術學院，北京100193)

近年來，為增加奶產量和牛場效益，節約土地資源，我國奶牛養殖規模化、集約化程度不斷提高，在有限的空間中飼養的奶牛越來越多，牛舍環境越來越擁擠，限制了奶牛的自然活動，導致奶牛常常表達刻板行為，降低奶牛的健康和福利水平[1]，進而對牛奶產量和品質、牛場經濟效益和持續發展產生負面影響。本文對奶牛刻板行為的相關研究進行歸納總結，綜述了奶牛刻板行為的成因及相關生理機制，為改善奶牛養殖條件、優化奶牛生產管理以減少刻板行為的表達提供依據，并為進一步深入研究刻板行為提供突破口。

1 奶牛自然行為

奶牛的野生祖先可追溯到波蘭，最后1頭野生奶牛于1627年被人類捕獲[2]。在此之后，奶牛被人類完全圈養或部分圈養，其行為也受到人類管理和環境限制的影響。牛的自然行為主要有覓食、飲水、反芻、求偶、護犢、尋母、打斗、仿效、警告、避險、群居等，這些行為都與遺傳和環境變化相關[3]。狹義上自然行為是野生奶牛或其祖先野生狀態下在自然界的先天動作表現，自然行為正常表達能夠改善動物的情感狀態[4]，提升自身福利水平，但完全的自然環境對馴化動物并非是最適合的。奶牛是經過對產奶性能長期培育、專門用于產奶的馴化牛，因此其遺傳基礎、生活環境甚至形體外貌均不可能與野生奶牛或其祖先完全一致[5]。與此同時，現代集約化為主的養殖方式也會引起奶牛自然行為的顯著變化，并產生一些獨有的行為，也許是奶牛適應養殖環境的表現。因此，不可簡單地將圈養奶牛與自然放牧奶牛放在同一標準下進行研究。

2 奶牛刻板行為特征

刻板行為是指一系列長時間的節律性重復動作表現，沒有明顯的功能[6]，在某種程度上可看作是自然行為無法表達或受到應激時出現的替代活動。判定動物是否表達刻板行為有以下4個原則：1)與動物正常表現不同，其行為指向不適當的對象；2)在行為的性質或發生頻率上不同于該動物的特定自然行為范圍；3)沒有功能；4)對自身機體有害[7-8]。部分研究者認為，刻板行為主要是因為動物生活在不適當的圈養環境中[8]，因活動自由被剝奪而發生[9]，它們可能是精神痛苦和自身福利減少的嚴重表象[10]。Blokhuis等[11]認為，刻板行為的產生是在不符合其需要的非自然環境中進行飼養的結果，即奶牛刻板行為既不是自然選擇的產物(野外不存在)，也不是人工繁殖選擇的結果(對于馴化動物而言不是唯一的)。奶牛的刻板行為可能屬于一種生理病態或心理不適表現，表現為卷舌、咬欄桿、晃頭、長時間自我梳理、互相吮吸等(表1)。研究奶牛刻板行為發生情況可及時提醒飼養者奶牛是否健康或其福利水平是否低下[12]，是否需要作出改變。

然而，在某些方面，刻板行為的模式與正常、健康、自由生活的動物行為模式相似[7]，這意味著盡管刻板行為可能是病態表現，但在診斷時不能僅考慮異常行為。刻板行為有3個方面的特點類似于正常的行為模式：第一，刻板行為與動物本身固有的行為相關，體現在行為持續性和抵抗環境變化的能力，例如奶牛梳理行為在正常行為和刻板行為中均有表現，僅持續時間不同[13-14]。第二，刻板行為具有獨立性。一旦刻板行為習得和持續發展，就可能獨立于刺激源，同正常行為一樣，在不同環境下均可表達[15]。第三，刻板行沒有明顯的目標或功能，部分正常的行為也可以在明顯缺乏功能的情況下持續存在。屠焰等[16]認為，部分刻板行為與正常行為的差異只是“量”的差異，而非“質”的差異，在限制的環境中，正常行為無法表達出來，而刻板行為的出現是對自然條件下正常行為的替代表達，只是發生頻次增加。

表1 奶牛刻板行為類別和判定標準

3 刻板行為成因

當動物的正常行為表現受到環境等物理條件的限制或阻礙，無法在圈養環境中滿足舍外行為需求時，可能會表現出刻板行為。通常，研究者以動物發生刻板行為來認定動物所處的環境或飼養管理不夠適宜[17]，動物正遭受精神應激等福利問題[18]；圈養環境越貧瘠(豐富度差)，空間越小，動物的刻板行為就越容易發生。該理論大部分內容都是推測的，缺乏系統的、基礎的研究來探索刻板行為發生的原因[11]。

目前為止，研究發現的刻板行為和各種引發因素之間的關系尚缺乏一致性，這主要與刻板行為發展的多源性、動物感知環境的不同方式以及神經內分泌系統的復雜控制有關。因而發生某類刻板行為往往是多種因素共同作用的結果[7]，例如，非適宜環境牛舍中的斷奶犢牛發生卷舌行為可能由缺乏粗飼料、突然斷奶等多因素引起。具體而言，刻板行為的發生源于以下幾種原因。

3.1 行為意向受阻

動物反復或長期無法實現意欲表達的某種行為(如采食行為或吮吸)時，會產生沮喪感[19]，從而導致動物逃離該環境或產生替代性行為，即表達刻板行為[17,20-21]，如犢牛和青年牛的非營養性吸吮行為。研究指出，這是犢牛在與母牛分離后無法滿足自身的吸吮需求所出現的一種刻板行為，通常在采食后會有較高的發生頻率[22]。Broom等[23]指出，挫折感是動物表達所有刻板行為的共同因素。因而，那些積極主動的動物在圈養環境下反而更容易受挫，它們可能更傾向于發生刻板行為。

3.2 環境應激

環境應激會影響奶牛福利。當奶牛受到應激時，往往會由于內環境穩態變化表現出一定的刻板行為。個體對應激的反應可以通過2個方面來討論：1)動物對應激的敏感度；2)一旦達到臨界閾值，動物如何將應激最小化[24]。應激敏感度和閾值通常被認為是影響刻板行為發生的原因之一。然而，研究發現，在相同飼養條件下表達和不表達刻板行為的動物下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA)活動和心率基礎水平相似[25-26]，這意味著應激敏感度的差異也許不能充分解釋刻板行為。Koolhaas等[27]認為，應激敏感度調節了需求應對反應的閾值，一旦達到這個閾值，就會促使動物進行應對反應。因而我們認為刻板行為反映了機體對應激的一種主動應對反應，但在消極型個體中，還有一種對等而相反的反應，即情緒抑郁。當然，并不是所有的動物個體都會表現出刻板行為或情緒抑郁，因為并不是所有的個體都會感受到相關的應激并達到應激閾值。此外，在表達這2種應對反應之前，應激閾值大的動物個體將需要更大的應激原，但從理論上講，應激足夠大時，所有動物都會表現出這2種反應的一種。

3.3 環境約束和單一

研究發現，刻板行為的發生也與環境貧瘠或限制有關，這種環境也是非適宜環境[28]。由于動物感官缺乏必要刺激[29]、沒有達到行為喚醒范圍[30]、運動受到限制[29]或缺少特定的環境因素[31]，使得行為動機受挫，導致刻板行為發生。在奶牛的相關研究中發現，奶牛在此類非適宜環境下會發生刻板行為，如非自然斷奶[32-33]、單獨飼養[34]、空間擁擠[35]、栓系和限制飼喂[7,36]等。研究人員在許多物種中觀察到，相比在復雜環境，個體在貧瘠環境中刻板行為發生得更明顯[20,37-38]。在貧瘠環境中所形成的刻板行為類似于自閉癥、精神分裂癥、精神發育遲緩和器質性腦損傷等一系列臨床疾病表現[39]；這種刻板行為持久存在，則影響中樞神經系統，并可能不可逆轉[40]。

3.4 營養缺乏和疾病

當奶牛缺乏粗飼料和某些礦物質時可能會發生刻板行為。Le Neindre[41]發現，犢牛對粗飼料有強烈的先天需求，這種需求沒有滿足時會發生口部刻板行為。與提供低品質粗飼料(秸稈顆粒或玉米青貯)時相比，提供優質粗飼料干草時犢牛的卷舌行為較少；同時，研究還發現，當犢牛僅被喂食代乳粉時卷舌行為發生率最高，接受額外的干草飼料后，犢牛卷舌等行為發生率顯著降低。飼糧中礦物元素鈉的缺乏會使牛發生過度梳理行為，行為表現與栓系或單獨圈養等環境約束的牛類似[42]。異食癖是代謝紊亂、味覺異常的一種復雜綜合征，多為動物機體內礦物元素不足，如鈣、鈉、鐵、鈷、硫缺乏等引起[43]，部分異食癖表現屬于刻板行為。

此外，本課題組在牛場調研中發現，當奶牛體內有寄生蟲時也會表現出口部刻板行為。絳蟲、蠕蟲、線蟲等寄生蟲存在于奶牛消化道中，在蟲體及其毒素的作用下，胃腸蠕動和內分泌異常，神經遞質紊亂，出現卷舌和異食癖等行為，同時在臨床上伴隨有貧血、黃疸、腹痛等癥狀。動物刻板行為也可能是腦損傷或精神疾病造成的[40]，還有一些是由安非他明等藥物引起[44]。

3.5 遺傳因素

遺傳因素可能使某些動物個體傾向于發展刻板行為[45-46]。研究發現，Gabrb3純合位點、多巴胺轉運蛋白及多巴胺受體D3基因位點被敲除的大鼠會表現出刻板行為，多巴胺受體D1基因位點變異的大鼠也會出現刻板行為[47]。因而，奶牛的部分刻板行為也可能受到遺傳因素的影響，有待進一步的拓展研究。

3.6 模仿與學習

本課題組在多家大型牛場調研發現，當牛舍中1頭牛發生刻板行為后，臨近的牛可能會表達同樣的行為，如卷舌行為、自我梳理行為等，因此刻板行為可能存在鄰近奶牛間的行為模仿與學習[48]，待進一步試驗論證。

4 刻板行為產生的生理機制

刻板行為是如何發生的？由相關因素觸發后，動物機體通過什么途徑來調節刻板行為的表達？現將刻板行為發生的可能機制總結如下。

4.1 多巴胺和5-羥色胺調控途徑

奶牛是群居動物，群體內個體有著不同的等級地位和性格類型，奶牛性格分為積極型(proactive)和消極型(reactive)2類。在應激條件下，群體中部分積極型個體可發展成刻板型個體，產生刻板行為，部分消極型個體易出現情緒抑郁狀態。積極型個體與刻板型個體具有多種共同的行為和生理特征(表2)。積極型個體的行為模式很大程度上與實際外部刺激無關[49]，并呈高度常規表達[50]。刻板型個體同積極型個體類似，也會針對應激迅速采取應對行為[51]。一旦這種應對策略建立起來，它們將表現出有限的探索行為[51]和較差的反向學習能力[52]，并形成固定的習慣。神經遞質多巴胺能夠增加信號傳遞從結果反應轉變為刺激反應的速度[53-55]，積極型動物體內常表現為多巴胺水平較高[56-57]。研究發現在發生刻板行為的個體中也存在較高水平的多巴胺[58]，因而多巴胺可能是啟動刻板行為的關鍵神經遞質。

有學者認為，基底神經節的神經化學改變是行為發生變化的基礎[59]，動物刻板行為可能是神經對慢性應激的反應[60]。基底神經節通路(basal ganglia circuitry，BGC)可分為直接通路和間接通路，基底神經節通過調節運動的直接通路和間接通路的競爭來調控行為的發生，直接通路啟動行為，間接通路抑制行為，2條通路之間的平衡是維持個體正常行為模式的關鍵，當直接通路被過度激活或間接通路被抑制就會導致刻板行為發生[61]。多巴胺的內源性釋放及其激動劑會通過刺激直接途徑和抑制間接途徑增加基底神經節的敏感性[62]。同時，有研究者認為，積極型動物都有高水平的神經遞質來觸發刻板行為[57,60]，其體內較高水平的多巴胺可能會導致對行為欲望的敏感度和渴求度增加，導致刻板行為發生。因此，積極型動物更容易受挫，它們也很可能更容易出現刻板行為。

與多巴胺相比，5-羥色胺能抑制基底神經節活性[63-64]，降低積極型個體的沖動性，因而5-羥色胺水平與刻板行為發生呈負相關[65]。Lebelt等[66]檢測到發生刻板行為的個體具有較低的5-羥色胺水平，因此部分消極型個體的高水平5-羥色胺可能是阻止發生刻板行為的因素之一。

表2 積極型個體和刻板型個體之間的特征異同

多巴胺和5-羥色胺水平介導不同類型個體行為發生機制如圖1所示。以采食過程為例，通常情況下，最初食欲引起采食行為的正反饋，當達到飽足感時目的達成，負反饋性抑制了進一步的采食行為[68-69]，采食結束。而當采食行為受阻時，圖1-a左側正常采食循環通路無法完成，不會產生負反饋，此時機體進入到由多巴胺等神經遞質驅動的正反饋環路中。升高的多巴胺水平進一步增加了基底神經節對食物原刺激的敏感度，感知增加，采食欲望增強，導致了食欲行為更強的表現，并沿虛線循環不斷增強。在這個過程中，環境障礙和多巴胺水平的不斷上升將部分積極型個體的采食行為轉換至卷舌、不斷蹭癢等與采食無關的刻板行為[70]，同時由于上述刻板行為持續反復，降低了自身的環境感知，進而導致多巴胺水平趨于穩定，脫離了原有的正反饋回路[66]。因此，無論是采食負反饋回路(圖1-a左側)還是刻板行為替代，都會降低機體的應激水平，使多巴胺持續穩定在某一水平。

消極型個體中多巴胺水平較低，對食物的動機較弱，表現出較少的食欲行為(圖1-b)。較高水平的5-羥色胺會抑制這種食欲行為，使動物不會達到觸發刻板行為所需的多巴胺閾值，從而使得機體沒有機會進入正反饋或刻板行為通路，無法減輕應激原的影響。此時機體中多巴胺水平發生紊亂，進而產生無助和抑郁感[71]。與此同時，機體對外界刺激感知度進一步降低，抑制了從感知到動機正反饋回路和接下來采食行為的進行，這條正反饋回路同時也可能被5-羥色胺能系統的超敏反應減弱[72]。

刻板行為和抑郁都能使動物不再興奮，并將多巴胺、5-羥色胺引起是應激反應降至最低。(a)：積極型個體發生刻板行為的途徑。采食受阻后動機欲望將沿虛線不斷循環，直到達到應激閾值、替代性發生刻板行為為止，這里用點劃線表示。(b)：消極型個體采食抑郁的循環途徑。抑郁狀態對采食過程產生負面影響，但對其應激緩解產生積極影響。圖中“+”代表正反饋促進作用,“-”表示負反饋抑制作用。

綜上所述，應激敏感度和閾值相近的動物，其行為反應可能同時發生但表現形式不同。對于相同的環境應激，消極型動物可以通過情緒轉變來應對，即情緒抑郁，而積極型動物則表現出刻板行為以提高非適宜環境的適應性。這種積極型個體和消極型個體應對應激方式的差異對衡量動物福利具有重要意義。除此之外，研究發現積極型動物在受到應激時表現出明顯的應激行為跡象，但通過HPA軸反應測得的應激較小；而消極型動物以被動的方式應對，看起來似乎表現出低應激，但對HPA軸的反應卻很強[73-74]。如果上述的積極型個體與刻板行為之間的關系是正確的，那么我們推斷相同環境下未發生刻板行為的個體可能因非適宜環境而承受更大的應激。對奶牛而言，這可能導致消極型奶牛相比刻板行為或正常奶牛來說，其福利狀況更差，進而表現出繁殖力下降[75]、產奶量降低[76]、肉品質變差[77]、學習能力[78]和免疫功能降低[79]。因此，需探索出識別不同類型個體的方法，并采取不同的調控策略提升其福利。

4.2 微生物-腦腸軸途徑

腸道微生物可能通過腦腸軸影響神經功能來引起動物刻板行為或抑郁發生。機體微生物-腦腸軸由中樞神經系統(central nervous system，CNS)、自主神經系統(autonomic nervous system，ANS)、HPA軸、腸道內神經系統(enteric nervous system，ENS)等組成，通過免疫、內分泌、神經等途徑雙向調節，各部分功能相互協調[80]。腸道細菌在維持免疫和代謝穩態方面發揮重要作用，并且與許多炎癥性疾病和神經精神疾病的發病機制相關[81]。已知腸道菌群可自身分泌或誘導腸道細胞產生神經遞質進入肝腸循環，刺激迷走神經，調節中樞神經系統等，進而通過腦腸軸的變化影響個體的情緒和行為[82-84]。已知腸道菌群可產生γ-氨基丁酸、多巴胺、5-羥色胺、乙酰膽堿等神經遞質[85-86]，菌群紊亂可導致相應的神經遞質紊亂，而上述神經遞質已發現與刻板行為和抑郁癥的發生密切相關。針對人類抑郁癥患者的研究發現，抑郁癥患者與健康人群腸道微生態菌群結構存在顯著差異，患者腸道菌群α多樣性指數顯著增加，腸道菌群門的水平中擬桿菌門、變形菌門、放線菌門比例顯著升高，厚壁菌門細菌比例顯著降低，糞桿菌屬細菌豐度與抑郁程度呈負相關[87]。杜向禹[88]在無菌小鼠上探究了腸道微生物對其行為及神經生化的影響，發現腸道菌群可以調節宿主行為，缺乏正常菌群的小鼠表現出運動能力提高、焦慮及抑郁樣行為增加的行為學特征，而移植抑郁癥模型個體菌群到無菌小鼠體內會使后者產生同樣的抑郁和焦慮樣行為。在奶牛上，蔣濤[89]通過對圍產后期奶牛移植泌乳高峰期奶牛瘤胃液進行瘤胃微生物重塑，發現瘤胃液的移植有效的改善了圍產后期奶牛瘤胃和直腸微生物群落結構，奶牛的干物質采食量和采食頻率與瘤胃中部分細菌操作分類單元(operational taxonomic unit，OTU)的變化呈現線性關系，部分細菌OTU的增多顯著增強了奶牛的食欲和采食行為。奶牛胃腸道中有著大量共生的微生物菌群，其對機體的營養獲取及發育有著不可或缺的作用，因此奶牛尤其是斷奶前犢牛的某些刻板行為或抑郁癥的發生可能與胃腸道菌群紊亂有關。目前鮮有關于奶牛胃腸道微生物-腦腸軸的相關研究，其與刻板行為的關聯影響值得通過多組學等手段來進一步探索。

5 小 結

刻板行為作為奶牛福利研究的重要方面之一，值得行業關注和深入探討。引起奶牛刻板行為的原因和機制復雜，可能是多種因素共同作用的結果。奶牛刻板行為的發生與個體的性格特點的關聯性仍需進一步研究發掘。未來的研究方向可能更應著重于奶牛性格辨識和應激閾值區間，并憑此探索針對性的改善策略，提高農場動物福利水平的同時服務于畜牧業的生產。