基于计算模型的普通棉顶狨实验室种群福利化管理研究

《Lab Animal》：A computational model to support the welfare-based management of a laboratory colony of common marmosets

在实验室普通棉顶狨（Callithrix jacchus）种群管理中，为解决动物福利与种群健康、遗传多样性等多因素平衡难题，研究人员构建计算模型。结果显示该模型能有效预测种群动态，为管理决策提供依据，对实现 3Rs 目标意义重大。

　　在实验室动物管理的领域中，普通棉顶狨作为重要的实验动物，被广泛应用于各类生物医学研究项目。然而，管理其种群并非易事，面临着诸多复杂且棘手的问题。一方面，要保障动物福利，遵循 “3Rs” 原则（即减少 Reduction、优化 Refinement、替代 Replacement ），让动物在实验过程中尽可能减少痛苦，生活环境得到优化，并在合适的情况下用其他替代物取代动物实验 。另一方面，需要维持种群的健康和遗传多样性，以确保实验结果的可靠性和有效性。
在制定繁殖策略时，就陷入了两难境地。若实施无限制繁殖，虽然对母猴的生活体验有一定益处，能丰富其生活环境，但却可能导致种群数量超出动物房的承载能力，使动物的生存空间变得拥挤，影响其生活质量，还会增加管理成本。而且，过度繁殖可能引发近亲繁殖，导致遗传多样性降低，进而影响种群的长期健康。从长远来看，这会使得实验动物的质量下降，无法满足生物医学研究对动物模型的严格要求。相反，若长期限制繁殖，虽然能控制种群数量，但会使未来繁殖者的选择范围缩小，同样会造成遗传多样性减少，近亲繁殖增加，平均亲缘关系值上升，对种群健康和动物用于体内研究的适用性产生负面影响。此外，动物房有限的容纳能力、推荐的棉顶狨饲养策略的复杂性以及内部生物医学实验不断变化的需求，都让种群管理的难度进一步加大。
为了解决这些复杂问题，来自英国国防科学技术实验室（Dstl）的研究人员 Joseph J. Gillard 开展了一项极具意义的研究。他们构建了一个随机模拟计算模型，该模型基于种群的人口结构，充分考虑了繁殖控制、计划使用和迁移等因素。研究最终得出结论，这个模型能够成功地生成可靠的两年期预测，为实验室普通棉顶狨种群管理提供了有力的决策支持。这一研究成果发表在《Lab Animal》杂志上，对推动实验室动物管理领域的发展具有重要意义。
研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，通过从殖民地记录系统中提取历史数据，获取如窝产仔数分布、每月转移事件数量、每月存活的后代和成年个体数量以及每月死亡的后代和成年个体数量等信息，为模型参数化提供数据基础。其次，运用数学模型构建方法，将种群划分为后代、繁殖者和非繁殖成年个体三个不同的隔室，详细描述动物在不同隔室间的转移过程，并建立相应的数学表达式来模拟种群动态变化。最后，利用蒙特卡罗模拟方法，多次运行模型，生成大量随机轨迹，从而得到种群在预测期内各种可能结果的分布情况，并通过统计量对结果进行分析和总结。
研究结果主要从以下几个方面呈现：

• 模型对历史数据的再现：研究人员通过模拟模型 200,000 次，对比模型输出与从殖民地记录系统中提取的真实数据，计算均方根误差（r.m.s.e.）来评估模型性能。结果显示，模型能够很好地再现观察到的数据，总体上 83% 的观察数据点在 95% 可信区间内，所有数据点都在模型预测范围内，这表明模型模拟的种群动态是可预测的。
• 模型生成可信的两年期预测：以历史数据为基础，计算转移率并运行模拟，对 2012 - 2020 年的预测期进行 200,000 次模拟，生成成年动物数量的两年期预测。结果表明，模型预测范围涵盖了除三个异常值外的所有观察数据点，且个别模拟结果能紧密反映真实数据，证明模型在两年期内的预测是可靠的。
• 考虑使用不确定性的影响：研究人员通过假设不同项目的进展概率和延迟时间，将实验动物使用的不确定性纳入模型预测。结果发现，当部分项目未按计划进行时，动物使用量减少，预测期末的库存水平会升高。同时，研究还探讨了通过迁移部分棉顶狨来缓解库存过高风险的策略，以及该策略可能带来的种群数量缩减风险。
• 评估高影响操作风险下的繁殖策略：在假设所有研究项目因类似新冠疫情的情况无限期暂停的场景下，研究人员利用模型探索不同繁殖策略对种群数量的影响。结果显示，限制繁殖率为 50% 的策略在维持成年动物和后代数量在可接受范围内表现最佳。
  研究结论和讨论部分强调了该模型的重要意义。此模型是基于殖民地的基础结构，模拟生命事件并考虑干预措施的首创模型。它为分析使用、迁移、繁殖控制、住房容量和种群管理决策相关风险之间的相互作用提供了有效手段。从实现 “3Rs” 目标的角度来看，模型通过提供定量方法帮助减少过度繁殖和优化库存密度，支持了 “减少” 原则；通过为殖民地管理者提供预测，影响未来住房安排决策，提高动物福利，支持了 “优化” 原则。此外，该模型的方法具有可重复性、可审计性和透明度，增强了对外部监管机构和利益相关者的问责制。尽管模型存在一些潜在局限性，如模型结构与实际殖民地不匹配、数据不足导致参数化困难以及历史数据方差会导致预测不确定性增加等，但总体而言，它为实验室普通棉顶狨种群管理提供了创新的思路和有效的工具，对推动实验室动物管理领域的发展具有重要的理论和实践价值。