关于动物脑电图研究方法的论文

有的 和人类差不多的

当然有,看了这个你就知道了人身上都有磁场，但人思考的时候，磁场会发生改变，形成一种生物电流通过磁场，而形成的东西，我就把它定位为“脑电波”，通过能量守恒，我们思考的约用力，形成的电波也就越强，于是也就能解释为什么大量的脑力劳动会导致比体力劳动更大的饥饿感。生物电现象是生命活动的基本特征之一，各种生物均有电活动的表现，大如鲸鱼，小到细菌，都有或强或弱的生物电。其实，英文细胞（cell）一词也有电池的含义,无数的细胞就相当于一节节微型的小电池，是生物电的源泉。 人体也同样广泛地存在着生物电现象，因为人体的各个组织器官都是由细胞组成的。对脑来说，脑细胞就是脑内一个个“微小的发电站”。 我们的脑无时无刻不在产生脑电波。早在1857年，英国的一位青年生理科学工作者卡通（）在兔脑和猴脑上记录到了脑电活动，并发表了“脑灰质电现象的研究”论文，但当时并没有引起重视。十五年后，贝克（）再一次发表脑电波的论文，才掀起研究脑电现象的热潮，直至1924年德国的精神病学家贝格尔（）才真正地记录到了人脑的脑电波，从此诞生了人的脑电图。 这是一些自发的有节律的神经电活动，其频率变动范围在每秒1－30次之间，可划分为四个波段，即δ（1－3Hz）、θ（4－7Hz）、α（8－13Hz）、β（14－30Hz）。 δ波，频率为每秒1－3次，当人在婴儿期或智力发育不成熟、成年人在极度疲劳和昏睡状态下，可出现这种波段。 θ波，频率为每秒4－7次，成年人在意愿受到挫折和抑郁时以及精神病患者这种波极为显著。但此波为少年（10－17岁）的脑电图中的主要成分。 α波，频率为每秒8－13次，平均数为10次左右，它是正常人脑电波的基本节律，如果没有外加的刺激，其频率是相当恒定的。人在清醒、安静并闭眼时该节律最为明显，睁开眼睛或接受其它刺激时，α波即刻消失。 β波，频率为每秒14－30次，当精神紧张和情绪激动或亢奋时出现此波，当人从睡梦中惊醒时，原来的慢波节律可立即被该节律所替代。 在人心情愉悦或静思冥想时，一直兴奋的β波、δ波或θ波此刻弱了下来，α波相对来说得到了强化，因为这种波形最接近右脑的脑电生物节律，于是人的灵感状态就出现了。 脑电波的节律来源于丘脑，科学家曾将动物大脑皮层与丘脑的联系切断，脑电波的节律消失，而丘脑的电节律活动仍然保持着。如果用8－13Hz的电脉冲刺激丘脑，在大脑皮层可出现类似α节律的脑电波。因此，正常脑电波的维持需要大脑与丘脑都要完好无损。 另外，大家都知道“电生磁，磁生电”的道理，也就是说，电场与磁场总是相伴而生的。既然人脑有生物电或电场的变化，那么肯定有磁场的存在。果然，科学家Cohen于1968年首次测到了脑磁场。由于人脑磁场比较微弱，加上地球磁场及其它磁场的干扰，必须有良好的磁屏蔽室和高灵敏度的测定仪才能测到。1971年，国外有人在磁屏蔽室内首次记录到了脑磁图。脑磁测量是一种无损伤的探测方法，可以确定不同的生理活动或心理状态下脑内产生兴奋性部位，无疑是检测脑疾病的有效方法之一。 脑电波或脑电图是一种比较敏感的客观指标，不仅可以用于脑科学的基础理论研究，而且更重要的意义在于它的临床实践的应用，与人类的生命健康息息相关。

大家好，这里是茗创科技。由于对运动伪迹敏感、电磁干扰敏感、成像过程幽闭等原因，现有的脑功能研究技术，如脑电图（EEG），事件相关电位（ERP），功能核磁共振成像（fMRI）不适用于儿童（尤其婴幼儿）等研究对象，亦不适用于自然情境等高生态效度场景的研究和应用。近红外脑功能成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）被认为是一种能满足以上要求的脑功能成像技术，为脑科学基础研究和临床应用提供了全新的观测手段。 想了解近红外脑功能成像 (fNIRS)的小伙伴们看过来。 fNIRS是一种利用近红外光无创测量含氧血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(HHb)浓度的新技术。 近红外脑功能成像原理 功能性近红外光谱(fNIRS)是一种新技术，利用近红外光非侵入性测量人脑组织中含氧血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（HHb）的浓度，或它们相对于基线周期的典型变化（ΔHbO2）和（ΔHHb）。fNIRS依赖于神经血管耦合机制，以及近红外光深入生物组织的能力。fNIRS具有无创、安全、便携、对运动伪影敏感性低的特点，已被广泛应用于人体研究（如老年痴呆、婴幼儿及儿童、帕金森病、精神疾病、脑卒中等）。最常见的使用的近红外光谱方法是采用稳态光源和连续波近红外光谱(CW-fNIRS) 。由于CW-fNIRS系统可以无线化和小型化，所以一些应用也已在自由活动的动物身上进行，如山羊、小鼠和绵羊等。 以下整理了关于fNIRS的最新研究内容： 1.   Neurophotonics （ ）：在婴儿期使用漫反射光学断层扫描灵敏度研究头皮与皮质对应的发育变化 漫射光学断层扫描（DOT）使用近红外光谱（NIRS）来测量脑血红蛋白浓度的变化。 NIRS数据的结构解释需要准确描述颅脑关系和DOT对底层皮质结构的敏感性。而关于儿童人群的这些信息是有限的，因为他们的大脑发育很快。 该研究旨在考察婴儿（2周至24个月）、儿童（4岁至12岁）和成人（20至24岁）头皮到皮层距离的年龄相关差异以及头皮位置和皮层感兴趣区域（ROI）的影像。使用空间头皮投影和光子传播模拟方法以及基于MRI的年龄匹配的真实头部模型。 结果发现，婴儿的头皮到皮层的距离存在年龄差异，而在儿童和成人中，这种差异会更大。头皮位置和皮质ROI之间的概率映射存在的年龄差异，包括空间投影和DOT敏感性。我们的发现对NIRS/fNIRS数据的准确解释依赖于对DOT敏感性的估计，而DOT敏感性反映了头部和皮层的发育。应使用适合年龄的真实头部模型为婴儿的独立DOT数据提供结构上的指导。 原文：Investigating developmental changes inscalp-to-cortex correspondence using diffuse optical tomography sensitivity ininfancy. 2.  Journal of Biophotonics （ ）：通过漫相关光谱法和近红外光谱法评估自闭症小鼠模型中灌注和代谢的量化 需要用于自闭症早期诊断的定量生物标志物。脑血流量和氧化代谢参数可以更好的用于特征对比。扩散相关光谱 (DCS) 已被证明是获得动物和人类脑血流对比的可靠方法。因此，在这项研究中，我们采用DCS和fNIRS评估了应用于已建立的自闭症小鼠模型。结果显示，与对照组(分别为( ± ) * 10-8 cm2/s， ± μmol/100 g/min)相比，自闭症组(p=)血流量( ± ) * 10-8 cm2 /s)显著降低(~40%)，氧化代谢(p=) ( ± μmol/100 g/min)显著降低(~70%)。这些结果表明 DCS 和 fNIRS 的组合可以为无创自闭症病理状况的评估提供血液动力学和代谢对比。 原文：Quantificationof Perfusion and Metabolism in an Autism Mouse Model Assessed by DiffuseCorrelation Spectroscopy and Near-Infrared Spectroscopy. 3.  Front Hum Neurosci （ ）：团队协作决策的脑间同步：一项  fNIRS  超扫描研究 在很多情况下，决策行为大多由团队模式（即两个以上的人）组成。然而，缺乏基于大脑模型来认识团队互动如何促进和影响团队协作决策 (TCDM) 行为。为了研究在现实的人际互动情境中，两个人被要求在一个多人囚徒困境游戏中对他们的对手建立TCDM模型，同时使用功能性近红外光谱测量神经活动。 这些实验有两个主要发现。首先，TCDM和ISDM之间存在不同的神经基质，它们受社会环境线索的调节。即，在个体独立决策 (ISDM) 阶段，低激励奖励在左额下回 (IFG) 内产生更高的激活，而背外侧前额叶皮层 (DLPFC) 和中额极区在TCDM阶段被激活。高激励奖励在TCDM阶段在正确的IFG中引起了更高的脑间同步 (IBS) 值。其次，在ISDM期间，男性在DLPFC和中间额极区显示出更高的激活，而女性在TCDM期间在右侧IFG中引起更高的IBS。这些性别效应表明，在个体社会困境情境中，男性和女性可能分别依赖于非社会和社会认知能力做出决定，而在TCDM的社会互动情境中，女性可能同时依赖于社会和非社会认知能力。这项研究为未来TCDM行为的神经科学工作提供了基础和有趣的视角。 原文：Interbrain Synchrony of Team CollaborativeDecision-Making: An fNIRS Hyperscanning Study. 4.   Scientific Reports （ ）：重复经颅磁刺激中抑郁症的漫射光学断层成像 重复经颅磁刺激(rTMS)是一种安全有效的抑郁症治疗方法。然而，由于靶目标未优化，理想刺激参数不明确，以及缺乏关于大脑在刺激期间和刺激后的生理反应的信息，其潜力可能会受阻。虽然神经成像是获取这些关键信息的理想方法，但现有的模式由于分辨率低以及电磁频谱的显著噪声干扰而受到限制。 在这项研究中，我们使用了一种新型的漫射光学断层成像(DOT)设备，以加深我们对rTMS在抑郁症中的神经生理学影响的理解。招募年龄在18至70岁的健康和抑郁症被试。治疗参数标准化，以左侧背外侧前额叶皮层为靶点，磁场强度为100%运动阈值，脉冲频率为10 / s，刺激时间为4 s，休息时间为26 s。同时从对侧背外侧前额叶皮层获得DOT成像。最终分析包括6名健康和7名抑郁症被试的数据。成功采集到血红蛋白变化和体素三维激活模式。与健康被试相比，抑郁症被试对经颅磁刺激有延迟和较弱的反应，激活量减少。在这项研究中，我们证明了DOT安全可靠地捕捉和比较抑郁和健康被试的皮质反应模式与rTMS的能力。文中介绍了这种新兴的光学功能成像模式，作为一种研究靶向性、新的治疗参数和抑郁症rTMS生理效应的新方法。 原文：Neuroimaging of depression with diffuse opticaltomography during repetitive transcranial magnetic stimulation. 5.   Scientific Reports （ ）：有无自闭症谱系障碍的儿童在摇摆同步任务中的运动和皮层激活：一项 fNIRS 研究 自闭症谱系障碍(ASD)儿童在模仿和人际同步(IPS)等社交嵌入动作方面存在困难。然而，其背后相关的运动特征和潜在的神经机制尚不清楚。该研究比较了ASD患儿和非ASD患儿在不同社会信息水平下进行全身、摇摆同步任务时的运动特征和皮层激活模式。 选择30名有ASD和没有ASD的儿童(平均年龄：岁，SE：岁)参与本研究。当儿童观察到一个成人测试者左右摇摆时，记录其独自摇摆（solo）、与测试者面对面时（face）、有或没有指尖接触（touch）条件下的摇摆 (即IPS)，其运动和基于fNIRS的皮层激活情况。 研究结果发现，与正常发育的非ASD儿童相比，ASD儿童表现出同步性降低和更小的摇摆幅度。总的来说，额外的社会视觉(面部)和社会视觉加上社会触觉信息(触摸)可能会增加到达额顶叶区域的信息，导致皮层激活的放大。然而，ASD儿童在IPS期间，显示其额下回和颞上沟的皮层激活减少。当他们在获得更多社会信息时，皮层激活没有显著增加，这说明ASD儿童可能在感知和处理多重社会信息输入(触觉和视觉)方面存在困难。皮层激活与IPS行为和社交表现显著相关。本研究是第一个考察不同程度的社会信息如何影响自闭症患儿和非自闭症患儿的全身IPS和皮质激活模式的研究，并且确定了ASD相关神经生物标志物可作为评估ASD儿童干预效果的客观指标。 原文：Movement kinematics and cortical activation in children with and withoutautism spectrum disorder during sway synchrony tasks: an fNIRS study. 6.   Physiological Measurement （ ）：自闭症静息状态  fNIRS  信号的复杂性改变：一种多尺度熵方法 脑电信号处理中的特征提取和识别对于发展基于脑成像的自闭症谱系障碍（ASD）诊断具有重要意义。在这项研究中，通过多尺度熵（MSE）方法对从双侧颞叶收集的静息态 (RS) 功能近红外光谱（fNIRS）信号的复杂性进行评估。25名ASD儿童和22名正常发育（TD）儿童参与了本次实验研究。MSE的定量分析揭示了ASD儿童RS-fNIRS的复杂性增加。特别是，左侧颞叶在ASD儿童和TD儿童之间存在显著差异，且RS信号和静息态功能连接（RSFC）的复杂性呈负相关。这些结果表明MSE可以作为RS-fNIRS信号表征ASD的一种新方法。 原文：Altered complexity in resting-state fNIRS signal in autism: a multiscaleentropy approach. 7.   Scientific Reports （ ）：与年龄相关的表现退化和皮层活动增加，在时间和项目控制 fNIRS 测量上的比较 在我们这个老龄化社会，神经退行性过程的研究是非常有趣的。不同神经认知条件下的皮层激活是一个有前景的预测因子。在此背景下，本研究以区组设计为基础，采用追踪测试(TMT)和功能性近红外光谱法对250名健康老年人(53-84岁)的执行功能进行了调查。从而研究年龄对TMT期间表现和皮质血氧合的影响。 在神经生理学的层面上，各种各样的研究都认为，在执行高要求的任务时，老年人的皮层比年轻人显示出更高的激活，这通常被解释为一种代偿机制的证据 。 例如，Herrmann和Muller等人的fNIRS研究发现，与年轻人相比，老年人的背外侧前额叶皮层(DLPFC)有更多的双侧激活，且激活模式发生改变。另一个与年龄有关的认知能力下降的假说是神经去分化。该假说表明，随着年龄的增长，神经分化程度降低，同时神经加工的选择性和个体大脑区域的功能特异性降低。基于上述认知衰老模型，本研究旨在通过比较两种不同的方法来更好地理解老年神经激活和表现的相互作用：第一，皮层血液氧合(O2Hb during task completion; time-controlled)；第二，项目控制的血氧合（作为附加指标）(O2Hb/item)。 结果显示，与中年个体相比，老年参与者的处理速度显著下降，然而，在TMT a部分，错误率也更低。在神经生理学水平上，我们观察到，在完成TMT时，老年参与者的皮层血液氧合增加。最后，在(O2Hb/item)的测量上，没有发现老年参与者中每个项目的血流动力学皮层反应明显增加。研究结果证实，随着年龄的增长，认知能力会下降，但皮层活动会增加 。 原文：Age-related deterioration of performance and increase of cortex activitycomparing time- versus item-controlled fNIRS measurement. 8.   Scientific Reports （ ）：监测青光眼患者对视觉刺激的血流动力学反应 本研究采用时域功能近红外光谱技术(TD-fNIRS)评估了青光眼与健康眼被试在接受视觉刺激后，枕叶皮层的血流动力学响应功能(HRF)。TD-fNIRS与连续光波（CW）fNIRS相比，其优点之一是可以获得组织光学特性的绝对值，即吸收系数(μa)和减散射系数(μs’)。参与本研究的被试共有98名，临床分为健康被试、青光眼患者(原发性开角型青光眼)和混合被试(即对两只眼睛进行不同分类)。对73名健康眼和62名青光眼的HRF进行检查。氧合和脱氧血红蛋白浓度的振幅，及其相对于刺激开始的潜伏期，通过用标准HRF拟合它们的时间过程来估计。 研究发现，青光眼的O2Hb和HHb浓度振幅低于对照组。这表明青光眼患者的视觉通路可能存在多层次的神经元变性，包括枕叶皮层区域。总的来说，本研究发现，TD-NIRS的易用性和无创性使该技术成为更好地评估青光眼病理的支持工具。 原文：Monitoring the haemodynamic response to visual stimulation in glaucomapatients. 9.   Scientific Reports （ ）：光子调制使一个困难的认知任务变得不那么费劲 在健康人群中，光神经调制(PNM)对认知和情感功能有积极的作用。此外，PNM对痴呆、创伤性脑损伤、中风和抑郁症患者也有着积极的影响。然而，与改善认知功能(如记忆和执行功能)相关的脑血流动力学变化尚未被探索。最近我们的研究中，对30名老年人在一次分钟的真实或虚假PNM之前和之后进行了认知测试，并采用功能性近红外光谱(fNIRS)检测单剂量PNM后额叶血流动力学的变化，从而评估其额叶功能。结果发现，与刺激前的认知表现相比，只有接受了真实PNM的老年人在刺激后的行动选择、抑制能力和心理灵活性方面有显著改善。且接受真实PNM的人，在视觉记忆任务中有明显的血流动力学反应减少（氧合血红蛋白水平降低）和视觉记忆表现的改善。这些发现表明，PNM可能降低完成需要高记忆负荷的认知任务所需的认知努力。而本次研究的目的是为了进一步检查是否会在年轻的健康成年人中观察到类似的结果。 本实验选取33名健康青年，随机分为对照组和实验组。实验组对前额进行单一的PNM刺激，而对照组进行假性刺激(相同的过程，但没有机器激活)。在刺激前后，所有参与者在0和3个back条件下执行 n -back任务来评估他们的工作记忆功能，并通过fNIRS测量他们在任务期间的血流动力学反应。 研究结果发现，在记忆相关的额叶激活中，有显著的组(实验vs.控制)×时间(PNM前vs. PNM后)交互作用。具体来说，只有实验组的额叶血流动力学水平在这个困难的任务中有显著下降。与记忆相关的额叶激活与Rey Osterrieth复合图形测试的即时和延迟回忆显著相关。因此，PNM可能降低完成高记忆负荷任务所需的认知努力 。 原文：Photoneuromodulation makes a difficult cognitive task less arduous. 10.  Scientific Reports （ ）：模拟驾驶中前额叶脑负荷的相关性 : 一项功能性近红外光谱研究 最佳的心理负荷对驾驶表现起着关键作用。通过脑机接口自动适应驾驶员当前心理负荷的驾驶员辅助系统可能会对交通安全做出巨大贡献。为了设计经济的脑机接口而不影响驾驶员的舒适度，有必要确定大脑中对脑负荷变化最敏感的区域。 在本研究中，我们使用功能性近红外光谱和主观评分来测量两个不同需求的虚拟驾驶环境中的心理负荷。结果发现，要求高的城市环境比要求低的乡村环境有更高的主观工作量评分和更高的双侧额中回激活。进一步的空间分辨率分析显示，在右侧前额叶背外侧皮层有一个激活中心，该区域与空间工作记忆处理密切相关。 因此，在复杂环境中，驾驶员心理负荷的主要组成部分可能来自于道路以及其他道路使用者的大量空间信息需要不断维护、处理和更新。我们认为右额中回可能是一个适合应用强大的小区域脑机接口的区域。 原文：Shedding light on the prefrontal correlates of mental workload in simulateddriving: a functional near-infrared spectroscopy study.

生物医学动物实验研究论文

1实验设计

在开展生物医学研究时，研究者通过正确地运用统计学知识，可直接影响研究的质量。统计学设计的任务在于对研究的部署、实施，直到研究结果的解释进行系统的安排，力争做到以最少的人力、物力获得可靠的结论和信息。其目的在于确定某种处理是否会表现出某种特定的效应。在实验设计时应遵循惟一差异原则，即在进行两组比较时，两者之间仅有因处理因素不同而引起的差异，而其他实验条件相关的非处理因素都应保持等同。然而，处理组与对照组在反应上表现出的差别并不一定意味着是处理的结果。另有两种引起差别的可能性，即偏倚和偶然性。偏倚是指系统性差别，它不是因组间在处理上的不同所引起。生物医学实验中统计学设计和分析的目标就是消除潜在的偏倚，减少偶然性[2]。

实验的偏倚和控制

偏倚是在研究中从设计到实验实施和结果分析的各环节存在一些人为的、有系统倾向的非随机误差，它不是由于抽样造成的，而是某种偏性使得实验结果偏离它的真值。从所选择的生物医学问题到研究方案的制订与实施、实验的完成过程、实验的分析与解释，乃至实验结果的发表，均可能存在各式各样的偏倚[2]。这种偏倚常常表现为系统误差。偏倚的大小取决于研究的方法和具体的实验条件。常见的偏倚主要有选择性偏倚、观察性偏倚和混杂性偏倚。必须认识实验过程的偏倚，从实验设计起直到整个研究过程结束均要加以控制。正确的实验设计可控制选择性的偏倚，事前人为控制和采取相应的措施可避免和减少观察性的偏倚。对于混杂性偏倚，可将重要的混杂因素在设计阶段进行分层随机设计，使混杂因素在组间分布均衡；在统计分析阶段将混杂因素作为分层因素或采用有协变量分析方法，以消除混杂因素的影响。只有有效地控制或消除偏倚，方可减少结果的假阳性或假阴性。

减少偶然性的潜在影响

偶然性因素的作用可以减少，但不能完全排除。因为即使是在精心实施的研究中，接受同样处理的动物，其反应也不可能完全一样。适当的统计分析可使实验人员评估出现假阳性的概率，即根本不存在处理效应的情况下观察到差异的概率。这种概率越小，实验者发现真实效应的可能性就越大。为了更有把握地检测出真实效应，有必要减少偶然性的作用，并通过实验设计确保能在“噪声”之上识别真正的“信号”。

实验设计的要素

要消除生物医学实验中潜在的偏倚，减少偶然性，就应对实验对象、处理因素和实验效应这三个实验设计要素，按照对照、重复、随机化和均衡四项原则进行周到的设计与控制[3]。实验对象实验中处理因素所作用的对象称为实验对象。不同性质的实验研究需要选取不同种类的实验对象，一个完整的实验设计中所需实验对象的总数称为样本含量。生物医学试验中考虑动物实验对象时应关注以下几个方面：①动物种属的选择：选择实验动物的种属与品系时，尤其需要注意其背景反应的水平。为了将反应“信号”水平最大化，常常意味着应避免选择那些背景反应水平极低的动物种属或品系，但如果采用过度反应的动物种属或品系也同样会出现问题。动物物种选择中的其他问题，无论是实际问题（寿命、体型、易得性、对动物学特征的了解情况）或是理论问题（生化、生理或解剖结构与人的相似性），都需要从专业的角度认真加以考虑和权衡。②动物的数量：虽然从统计设计角度考虑可得出某项实验所需的动物数（样本含量），但所得出的数值往往很大。因此，虽然样本含量估计是保证结论可靠性（精度和检验效能）的前提，但基于实验的可操作性及经济原则方面的考虑，应结合统计学的计算结果与以往的生物医学研究经验予以确定。③动物的体重与年龄：为确保实验对象的同质性，实验中所使用的动物体重与年龄应尽可能相近；动物体重的标准差不应超出平均值的10%；啮齿类等小动物年龄相差不应超出1周，大动物年龄相差不应超出1个月。④动物的分层：为了准确检测一种处理因素引起的差别，各处理组在可能影响实验结果的其他非处理因素方面应尽可能具有同质性。当存在动物亚系间的差别时，有两种方法可得到更为准确的结论。一是在结果分析阶段将亚系作为一个“分层变量”处理，包括对两个亚系的结果进行单独分析，然后将结果综合，得出处理效应的总结论；二是将亚系作为实验设计的“区组因素”，这种情况下可使对照组与处理组中每个亚系动物数量相等。除以上所讨论的“亚系”之外，其他的非处理因素，如性别、窝别、体重段等也可作为分层变量进行局部控制，并据此进行分层随机化分组。处理因素设计实验研究时，要明确研究中的处理因素和影响实验效应的非处理因素。研究者希望通过对研究设计进行有计划的安排，从而能科学地考察其效应大小的因素称为处理因素或实验因素；研究者往往忽略对评价实验因素作用大小有一定干扰的重要的非处理因素或非实验因素（如动物的窝别、体重等）；其他未加控制的许多因素的综合作用统称为实验误差。实验结果是处理因素和非处理因素共同作用而产生的实验效应，因此如何控制和排除非处理因素的干扰，正确显示处理的效应，是实验设计的基本任务。实验效应实验效应是处理因素作用于受试对象的反应和结果，是反映实验因素作用强弱的标志，它通过观察指标（统计学常将指标称为变量）来体现。如果指标选择不当，未能准确反映处理因素的作用，获得的研究结果就缺乏科学性，因此选择好观察指标是关系整个研究成败的重要环节。指标的观察应避免带有偏性或偏倚，要结合专业知识，尽可能多地选用客观性强的指标，在仪器和试剂允许的条件下，应尽可能多选用特异性强、灵敏度高、准确可靠的客观指标。对一些半客观（如尿液pH试纸读数值）或主观指标（行为测量、病理观察），一定要事先规定读取数值的严格标准，只有这样才能准确地分析实验结果，从而提高实验结果的可信度。

实验设计的原则

为了防止结果的偏倚，保证实验结果的准确性和最大化的表达，在进行生物医学实验设计时必须遵循统计学设计的对照、重复、随机化和均衡四个基本原则。生物医学实验中对照组的设置必须具备三个条件：①对等原则，即惟一差别原则，除处理因素外，对照组具备与实验组对等的非处理因素。在相互比较的各组间，除了给予的处理因素不同外，其他方面应与实验组具有一致性，如相同的实验单位来源（动物种属、体重等）和相同的实验条件、操作方式和喂养环境等。②同步原则，对照组与实验组设立之后，在整个研究进程中始终处于同一空间和同一时间。③专设原则，任何一个对照组都是为相应的实验组专门设立的。不得借用文献上的记载或以往结果或其他研究资料作为本研究之对照。

生物医学中常用的实验设计类型

如果需要在同一实验中同时评价几种不同的效应，实验者应该安排能区别各自效应差别的实验设计方法。生物医学中常用的实验设计有以下几项。完全随机设计完全随机设计是生物医学动物实验中最为常用的一种实验设计方法，它是一种单因素有k个水平（k≥2）组的实验设计。即实验设计可设置一个对照或多个剂量组的实验方案。本设计保证每个实验动物都有相同机会接受任何一种处理，而不受实验人员主观倾向的影响。本设计应用了重复和随机化两个原则，因此能使实验结果受非处理因素的影响基本一致，真实反映出实验的处理效应。随机区组设计随机化完全区组设计，简称随机区组设计，又称配伍组设计，是配对设计的扩展，它将几个条件相同的受试者划分在同一个区组或配伍组，然后再按随机的原则，将同一配伍组的受试者随机分配到各实验组。该设计方法的优点是每个区组内的k个实验单位有较好的同质性，比完全随机设计更容易察觉处理间的差别。这种方法须特别注意的是要求区组内实验单位数与处理数相同，实验结果中若有缺失值，统计分析将损失部分信息。拉丁方设计拉丁方设计从横行和直列两个方向进行双重局部控制，使得横行和直列两向皆成区组，是比随机区组设计多一个区组因素的设计。在拉丁方设计中，每一行或每一列都成为一个完全区组，而每一处理在每一行或每一列都只出现一次，也就是说，在拉丁方设计中，实验处理数=横行区组数=直列区组数=实验处理的重复数。析因设计析因实验设计又称全因子实验设计，属于多因素、多水平单效应的设计。它不仅可以检验每一因素各水平之间的效应差异，而且可以检验各因素之间的交互作用。交互作用是指一个因素不同水平间的效应差受另一因素的影响，包括协同交互作用和拮抗交互作用。析因实验主要用于分析交互作用，当因素及水平数过多时，所需的实验对象数、处理组数和实验次数大幅度增加，故一般采用较简单的析因实验。含有较多因素和水平的实验一般采用正交实验设计[5]。

2生物医学动物实验的描述统计学

生物医学实验资料的类型

生物医学实验对实验对象（动物）进行干预后测定的观测指标通常有以下类型：①连续性数据：测定结果表现为有数字大小和单位的数据，统计上称定量资料，如生理、生化指标，体重值，器官重量等。②分类数据：测定结果表现为按某属性划分的定性类别，统计上称为定性资料，具体又可以分为二值资料、多值名义资料和多值有序资料。如某反应为出现或不出现，死亡或未死亡，有畸形或无畸形；病理损害的严重程度（无、轻度、中度、重度）等。

统计描述指标

描述性统计学（或归纳统计学）是对样本观察/测量数据频率分布的定量研究，描述性统计的目的在于：①对测量值或观察值进行归纳浓缩，用统计量、统计图或统计表的形式表现；②估计总体分布的参数。资料的整理与探索对于某一测量指标，一般应从文献资料中了解其分布类型。如果没有判断概率分布的理论基础，应重复以大样本测定，绘制样本的频数分布图（理论上样本量要大于100），并经统计学检验拟合其分布。数据的描述统计量①连续性数据的频数分布：通过对样本资料编制频数分布表或做茎叶图，以确定资料分布的类型、频数分布的集中趋势和离散趋势、估计总体参数，也便于发现离群值。②中心位置的描述统计量：描述数据分布的集中趋势，常用指标为算术均数、中位数、众数、几何均数等。③离散程度的描述统计量：描述数据分布的离散趋势，常用指标为标准差和方差、极差和四分位数间距、变异系数和离散系数等。④统计学图表：统计图包括连续性数据分布的直方图、茎叶图，表示数据中心位置和离散程度的点杆图（做图时表示均数和标准差）和盒须图（做图时表示中位数、极差、四分位数间距），描述构成比数据资料的百分条图、饼图，描述经时变化趋势的线图，以及预测和检验分布类型的概率-概率图（P-P图）等[6]。统计表具有简单、明了、易于理解、便于比较的优点。编制统计表时原则上应当重点突出、层次分明、避免层次过多或结构混乱。一般的统计表应为三线表，表中只有横线，无竖线和斜线。统计表的标目应层次清楚，不宜过于复杂。

3生物医学动物实验的假设检验

生物医学动物实验中最常见的情况是给予不同受试物后进行组间比较，通过统计学中的假设检验，说明受试物的作用。假设检验时应注意以下问题。

检验方法的选用依据

资料的类型和变量的数目不同类型的资料（定量、定性）的组间比较应采用不同的统计检验方法。单变量、多变量的`统计检验方法也各不相同。实验设计类型应该根据实验设计的具体类型选择对应的统计检验方法，以便得到处理组效应的真实结论。检验方法的前提条件选用假设检验方法前，应了解所分析的数据资料是否满足相应检验方法的前提条件，如t检验和方差分析等参数检验方法要求数据满足正态性和方差齐性，2检验要求样本含量大于40且理论频数大于5。

正态性检验及拟合优度检验

统计学假设检验须判定样本的频数分布是否符合某一理论分布，如符合要求就可按此理论分布来进行统计学处理。对正态分布可采用正态性检验，其他分布可用拟合优度检验。通常可通过查阅文献，了解实验参数符合何种理论分布。

方差齐性检验

连续性数据未达到参数法统计分析前提的第二种原因即为方差不齐。一般而言，数值愈大，其固有的变异性也愈大。例如，若某组动物的平均反应值为100，其数值范围可能为80~120；而另一组动物的平均反应值为300，其数值范围可能会扩大至240~360。解决方差不齐的措施是进行数据转换。若数据的标准差与平均值成正比，在统计分析前宜将数据转换为对数值之后再进行分析，据此，不仅数据的变异度与平均值大小无关，同时还可确保其更符合正态分布。若数据变异度增加幅度与平均值的关系不太明显，采用平方根转换则更易使数据的变异度与平均值大小无关。某些数据经对数或平方根转换后可能仍存在方差不齐，此时宜采用非参数检验。

单侧检验与双侧检验

检验假设选择单侧检验或双侧检验，应事先根据专业知识做出选择。一般而言，若研究目的仅须了解是否存在组间差异、实验者无法预测组间变化的方向以及实验者希望获得正负两方面的结果时，应采用双侧检验。若事先可预测组间差异的变化方向，实验者仅对某一方面的重要性感兴趣，实验者仅希望了解与对照组差异或正或负一个方向，则应采用单侧检验。此外，剂量设计预试验中应采用双侧检验，正式试验在了解相关信息后可采用单侧检验。

多重比较及多重性问题

生物医学实验经常在处理组和对照组之间做多个变量的比较。即使不存在真正的实验效应，也有可能纯粹由于偶然性而有一个或多个变量在5%检验水平出现显著性差别。除了上述均数多重比较导致Ⅰ类错误概率增加的多重性问题之外，其他的多重性问题还包括多次的中期分析、关注多个结局、亚组间的多重比较。处理多重性问题的原则包括：①预先计划进行多重比较；②限制比较的次数；③多重比较时采用更严格的界值标准；④多重比较具有生物学方面的依据。

观察值或实验对象的独立性

许多统计检验方法要求比较的观察值或实验对象相互独立，如二项分布的率检验、t检验和方差分析等。但是，有的生物医学实验中观察单位并不独立。例如，生殖和发育研究中就存在窝效应：由于遗传因素、宫内的发育环境和药物的代谢环境相似，与异窝胎仔相比，同窝胎仔之间对毒性效应的反应概率趋于系统，即同窝内数据为聚集性数据，这就是一种常见的非独立数据。在统计学分析时，忽略数据的窝内相关性具有潜在的风险；因同窝母鼠所产k个胎仔的观察值存在共性，其所提供的信息不及k个独立的来自不同母鼠所产胎仔所提供的信息；窝内相关性愈大，其信息量愈少。聚集性数据的均数标准误小于独立的数据，因此，若基于观察值独立的统计分析方法，就会增加犯Ⅰ类错误的概率，即假阳性的风险增加，降低实验的有效性。

历史对照数据的应用

某些情况下，尤其是在发生率较低的情况下，单项研究可能提示处理可影响肿瘤发生率，但无法得出明确的结论。可能想到的分析办法之一是将处理组的数据与来自其他研究的对照组动物相比较。虽然历史对照数据具有重要意义，但值得强调的是，众多原因可导致不同研究之间的变异度大于研究之内的变异度。动物来源、饲料及饲养条件，研究期限，研究中的动物死亡率、读片的病理学家等均可能影响最终的肿瘤发生率。故此，忽视这些差异，将处理组的肿瘤发生率与合并的对照组发生率相比较，可能得出严重错误的结果，并进而明显夸大统计显著性水平。Tarone[4]曾对历史对照组的比率数据分析进行过综述。

假设检验的局限性

首先，假设检验中的P值并未提供有关处理诱发效应大小的直接信息。某一受试物可诱发一定量的、反应的增加，但增加的幅度是否具有统计显著性则取决于研究的规模和数据的变异性。在规模较小的研究中，有可能错失较大、重要的效应，尤其是在检测终点测量精度不高的情况下。相反，在规模较大的研究中，较小、非重要的效应则具有统计显著性。例如，D药与C药相比，降血压效应相差近30mmHg，但因为例数仅10例，假设检验未发现显著性差异（P=）；相反，B药与A药相比，降血压效应仅相差，但因为例数达500例，假设检验却发现存在显著性差异（P<）。由此可见，统计学显著性与效应大小无直接相关性。因此，愈来愈多的统计学家主张以处理组与对照组差异值的95%置信区间表述处理的效应。据此，若处理反应的增加值为10个单位（95%置信区间3~17单位），则该区间包含真实差异的几率为95%。若置信区间的下限大于零，则双侧检验的P值小于。其次，假设检验无法消除实验设计或实施不当所带来的影响。虽然前述的分层分析等有助于发现真实的差异，但若实验设计存在偏倚，或实验实施过程中存在偏差或失误，假设检验方法一般也于事无补。因此，在生物医学实验过程中应注重对实验设计或实施过程进行严格的质量控制和质量保证措施，强化GLP规范意识。其三，对统计学分析本身的质量控制和质量保证也是确保研究质量的重要环节。所用统计分析软件包应经过充分的认证，以确保分析结果的准确、可靠性。数据的录入、核对和分析结果的报告与归档，均应制订并严格执行相关的标准操作规程。综上所述，在动物实验研究的多个环节，统计学中的相关理论和方法都能够发挥重要作用。统计学不仅可以保证结果的科学性和可靠性，在很多情况下也可以极大地提高研究效率，节约研究成本。在这里还必须强调，除了实验后期的数据分析以外，在实验方案的制定阶段也需要统计学人员的早期介入，这样有助于避免实验设计出现大的偏差和漏洞，有利于研究目标的顺利实现。