動物實驗設計與研究方法

Week 04｜研究問題、研究目的與主要觀察指標

陳敬元 Jing-Yuan Chen, DVM, PhD
jychen@niar.org.tw

國家實驗研究院國家生物模式中心

宜蘭大學生物技術與動物科學系

October 1, 2026

Anchor Papers

目前的 Anchor papers

目前呈現的研究角色 篇數 Paper 中的主要研究情境
目標物種的動物實驗 3 肉雞飼糧與益生菌；日本青鱂與大肚魚的水溫、存活與互動試驗
以動物代理其他目標情境 4 Parkinson’s disease、肥胖、肝損傷與痛風性關節炎小鼠研究
動物來源材料研究 1 免疫蛋雞產製與純化 IgY
觀察性動物研究 1 商業肉豬屠體與肉品質資料

依各篇論文的主要研究問題與推論對象分類。

不同研究情境，可以討論什麼？

研究情境 我們可以討論什麼？
肉雞飼糧、益生菌試驗 處置與對照能否回答研究問題？
量測結果是否支持效果判斷？
小鼠疾病與代謝模式 模式對應哪個目標情境？
結果支持多大的機制或應用結論？
日本青鱂與大肚魚的水溫與互動研究 接近行為與存活結果，
能支持哪些物種互動的解釋？
蛋雞 IgY 研究 免疫、抗體產製與萃取比較，
是否支持研究目的？
肉豬屠體觀察研究 觀察到的關聯能回答什麼？
哪些因果結論仍缺乏支持？

我們可以依研究目的，探討動物使用、研究設計與結論是否相符。

動物實驗與動物模式

判斷面向 要問的問題 主要用途
研究操作 研究者是否主動對動物分派或施加處置？ 判斷是否屬於動物實驗
推論角色 動物本身是研究目標，還是代理另一個疾病、生理或應用情境？ 判斷是否具有動物模式角色
  • 使用動物，不代表一定是「動物模式」
  • 沒有主動介入，也仍可能是重要的動物研究。

確認每篇 paper 在問什麼、取得什麼 outcome，以及結論能走到哪裡 也是非常重要的！

01｜從證據邊界回到研究問題

今天要完成三件事

  1. 分清研究問題、研究目的、假說與觀察指標各自負責什麼
  2. 判斷研究是在探索線索，還是檢驗預先提出的假說
  3. 用自己的 anchor paper 說出有證據支持的閱讀判斷

研究邏輯的延伸

週次 閱讀與判斷任務
Week 1 這篇研究問什麼、做了什麼、得到什麼結果？
Week 2 為什麼需要使用動物？研究設計是否支持其科學與倫理理由？
Week 3 Model 與研究條件能支持多大的結論？
Week 4 研究問題、研究目的、觀察指標與結論是否前後一致？

上一週整理出來的的兩句話

本研究在＿＿條件下，可以支持關於＿＿的結論。

本研究不能直接推論＿＿，因為＿＿。

今天接著討論：

作者原本想要回答什麼？實際取得的結果，足以回答到哪裡？

單一研究在開始前，需要先對齊什麼？

依據 Farrugia P, et al. Can J Surg. 2010;53(4):278–281. PMCID: PMC2912019 整理。

科學問題的循環與累積

  • 研究從既有證據出發
  • 找出尚未釐清之處
  • 形成可回答的問題與
    研究目的
  • 新結果成為下一輪的證據

課堂案例 | 從研究領域到可回答的問題

層次 閱讀時要注意 課堂案例
研究領域
(topic)		 研究關注哪個範圍？ 肉豬跛行與自家疫苗
知識缺口
(knowledge gap)		 缺少哪一項證據？ 商業豬場條件下的疫苗效果仍不確定
科學問題
(scientific problem)		 這個未知會影響什麼？ 無法判斷疫苗是否能降低現場治療需求
研究問題
(research question)		 這項研究想回答什麼？ 接種自家疫苗是否能夠降低因跛行接受治療的比例？
  • 收斂的方向：研究範圍 → 未知 → 科學後果 → 一次研究可取得的證據

Maaland MG, Oropeza-Moe M. Porcine Health Manag. 2026. doi:10.1186/s40813-026-00503-7

換一個案例｜哪一句已經是可回答的研究問題？

情境設定：實驗動物福祉與行為（以囓齒類為例）

  • 哪一個說法才真正具備「可被單一實驗回答」的規格？
說法 判斷
我想研究動物緊迫 只有研究領域，範圍仍太廣
尚未有人使用 RNA-seq 研究這個主題 只指出方法尚未使用
兩種 housing conditions 出現不同結果，但原因仍不清楚 已指出待釐清的科學問題
在群體組成相同時，增加環境刺激是否降低攻擊行為？ 已形成可回答的研究問題
  • 重點不是句子有沒有問號/句號，是在於能否指向研究條件、比較與準備觀察的結果。

02｜研究邏輯的串連

Question → Objective → Primary Outcome → Conclusion

進入真實案例｜小鼠福祉與攻擊行為

實驗動物房常見：

雄性小鼠群養時常有嚴重的攻擊爭鬥與咬傷。

  • 提供環境豐富化 (Enrichment) 究竟會：
    • 滿足遮蔽與築巢本能、降低攻擊？
    • 還是誘發領域資源爭奪、打得更兇？

為了釐清這件事，設計對照試驗：

  • 對照組：標準籠飼 (無豐富化)
  • 豐富化組 (Enriched housing)：
    • 築巢材料組：Kleenex 面紙（築巢與遮蔽）
    • 避難筒組：The Utrecht Shelter（躲避空間）

Van Loo PLP, et al. Appl Anim Behav Sci. 2002. doi:10.1016/S0168-1591(01)00200-3

研究問題→研究目的→主要指標→推論結論

研究問題與研究目的

研究問題→研究目的→主要指標→推論結論

研究問題

想知道什麼？

在群體組成相同時，提供環境豐富化是否降低雄性小鼠的攻擊行為？

→

為了回答

研究目的

研究準備完成什麼？

比較築巢材料組、避難筒組與對照組在換籠及重新合籠後的爭鬥行為。

  • 為了回答＿＿＿＿，本研究將＿＿＿＿。
  • 為了回答「環境豐富化能否降低爭鬥」，本研究將「比較各組在換籠與合籠後的爭鬥行為」。

研究目的不是寫想做什麼實驗 (例如跑行為影像分析)，
而是寫準備如何回答那個問題。

研究任務決定是否需要假說

探索型 (Exploratory) ｜ 案發現場採跡證
找關聯與線索，不需預設方向性假說。

驗證型 (Hypothesis-testing) ｜ 檢察官起訴定罪
嚴格因果驗證，實驗前必須對齊主要指標。

研究任務 小鼠行為範例 事前承諾
描述現象
Descriptive		 攻擊行為如何隨週數變化？ 定義觀察變項與時間軸
探索關係
Exploratory		 哪些生理指標（皮質酮、體重）與打架相關？ 摸索出的關聯只算「候選假說」
檢驗命題
Hypothesis-testing		 增加築巢材料是否降低爭鬥頻率？ 事前鎖定 Primary outcome 與比較組

先確認研究任務，才知道數據是在考驗假說，還是產生線索。

Van Loo PLP, et al. Appl Anim Behav Sci. 2002. Kimmelman J, et al. PLoS Biol. 2014. Percie du Sert N, et al. PLoS Biol. 2020.

Primary outcome 與主要研究問題

研究問題→研究目的→主要指標→推論結論

主要研究問題

增加築巢材料是否降低雄性小鼠的爭鬥行為？

→

直接回答

Primary outcome

例行換籠後，每組在觀察期內發生的爭鬥頻率與持續時間
(Agonistic encounters: frequency & duration)

選定 Primary outcome 的依據：能否直接回答主要研究問題。

在事前指定主要指標的驗證型研究中，通常以該指標的預期效果量與變異作為樣本數估算的主要依據。

Van Loo PLP, et al. Appl Anim Behav Sci. 2002.

Outcome 限制可支持的結論

研究問題→研究目的→主要指標→推論結論

可以支持

  • 築巢材料 (Nesting material)：相較於避難筒組，顯著降低體表咬傷與整體攻擊傷害
  • 避難筒 (Shelter)：在此條件下未達預期，反而伴隨更多攻擊傷害（可能因空間結構阻礙逃生）

不能單獨支持

  • “環境豐富化必然有益於小鼠福祉” (不同道具效果完全相反)
  • 雌性小鼠或其他攻擊性較低的品系 (如 C57BL/6) 也會有相同反應
  • 長期未換籠或其他群體大小下的攻擊變化
  • 結論應停留在實驗量測的條件與指標邊界內；不能把單一的局部數據，外推成廣泛適用的通則。

Van Loo PLP, et al. Appl Anim Behav Sci. 2002. doi:10.1016/S0168-1591(01)00200-3

休息 10 分鐘

休息後：

拉扯研究鏈，進行 Alignment Audit

03｜研究鏈的對齊檢驗

Alignment audit: 抓出推論中的膨脹、過度外推與邏輯斷點

正面示範｜豬場自家疫苗案例的安全對齊

元素 依 paper 重建的內容
Question 自家疫苗是否降低因跛行接受治療的比例？
Objective 比較疫苗組與安慰劑組的跛行治療比例
主要 outcome 各組因跛行接受 tiamulin 治療的豬隻比例
Result 7.8% vs. 6.8%；p = 0.354（未達顯著差異）
可支持的 conclusion 在這項單一豬場試驗條件下，未觀察到治療率下降

安全對齊：主要 outcome 測量跛行治療比例，因此 conclusion 只停在「未觀察到該比例下降」，不外推到其他豬場或全方位抗病力。

Maaland MG, Oropeza-Moe M. Porcine Health Manag. 2026. doi:10.1186/s40813-026-00503-7

反面抓碴｜哪裡沒有對齊？

Scientific problem：疫苗保護能否維持到生產後期？

Objective：比較接種後一週的抗體濃度。

Outcome：接種後一週的血清抗體濃度。

Conclusion：疫苗可提供整個生產期的持續保護。

請找出至少兩個邏輯斷點。

解答｜研究鏈的兩個斷點

斷點一｜時間斷裂

Question 問的是：

保護能否維持到生產後期？

Outcome 卻只測到：

接種後一週

斷點二｜推論膨脹

Outcome 測量：

抗體濃度（surrogate）

Conclusion 卻宣稱：

持續的臨床保護力

時間不能自行延長，只有部份採樣的動物實驗結果
也不適合升級推論成臨床效果。

反面抓碴 (二)｜換成小鼠福祉評估，哪裡沒有對齊？

  • Scientific problem：提供避難設施 (The Utrecht Shelter) 是否能增進雄性小鼠福祉並降低攻擊爭鬥？
  • Objective：評估小鼠在籠內使用避難筒的偏好與進出頻率。
  • Outcome：例行換籠後，小鼠進入避難筒的累積時間（Occupancy time）。
  • Conclusion：證實避難筒能顯著改善小鼠福祉，推薦作為標準飼養配備。

大家覺得問題點在哪裡？

解答 (二)｜小鼠研究鏈的兩個斷點

斷點一 ｜ 表徵推論膨脹

Outcome 測量：
躲在避難筒的累積時間（使用偏好）

Conclusion 卻宣稱：
增進整體福祉、降低攻擊爭鬥

待在筒子裡可能只是無處可逃或強勢鼠霸佔資源，不能把「使用道具」等同於「心理福祉」。

斷點二 ｜ 忽略核心傷害指標

Question 問的是：
能否降低攻擊爭鬥？

Outcome 卻避開了：
爭鬥次數與體表咬傷

真實文獻（Van Loo 2002）指出：避難筒因缺乏逃生出口，反而導致爭鬥與尾巴咬傷加劇！

  • 不能用單一的使用表徵，掩蓋真實的傷害指標
  • 更不能把動物的無奈選擇當成福祉改善。

Alignment Audit｜邏輯對齊檢核清單

問句一｜指標本質
這個指標真的是核心想看的事實，還是只是便宜、好量測的替代品？

問句二｜推論邊界
作者在 Discussion 有沒有偷偷把時間拉長、群體放大，或把「替代指標」升級成全面結論？

四步檢核鏈： 問題 ↔︎ 目的 → 目的 ↔︎ 指標 → 假說 ↔︎ 分析 → 指標 ↔︎ 結論

04｜檢驗 Anchor Paper

三句話檢驗：檢驗 Question ↔︎ Primary Outcome ↔︎ Conclusion

三句話檢驗 Anchor Paper

第一句｜這篇論文宣稱要解決的 Question 是：＿＿＿＿。

第二句｜作者真正在統計與方法中指定的 Primary Outcome 是：＿＿＿＿。

第三句｜我認為他的結論【有／沒有】對齊，因為＿＿＿＿。

請在 paper 中找支持判斷的 methods、主要圖表或 discussion；若作者未明確指定 primary outcome，直接說「未明確指定」。

  • 請大家分享一下

三種常見翻車

  1. 把技術方法當作研究目的
    例如：「我的目的是跑 RNA-seq。」

  2. 找不出哪一個才是作者指定的 Primary Outcome

  3. 被 Discussion 的延伸推論帶走
    忘記回頭確認數據實際量測了什麼。

Week 05 的起點

今天已經確認：

  • 研究準備回答什麼問題
  • 哪個 outcome 提供主要判斷依據
  • 結論應停在哪個範圍

下週接著問：

Intervention 或 condition 實際施加在哪個單位？
Outcome 又從哪一個層級取得？

本週核心參考資料

  • Farrugia P, Petrisor BA, Farrokhyar F, Bhandari M. 2010. Research questions, hypotheses and objectives. Canadian Journal of Surgery 53:278–281. PMCID: PMC2912019.
  • Kimmelman J, Mogil JS, Dirnagl U. 2014. Distinguishing between exploratory and confirmatory preclinical research will improve translation. PLoS Biology 12:e1001863. doi:10.1371/journal.pbio.1001863.
  • Percie du Sert N, et al. 2020. Reporting animal research: Explanation and elaboration for the ARRIVE guidelines 2.0. PLoS Biology 18:e3000411. doi:10.1371/journal.pbio.3000411.
  • Maaland MG, Oropeza-Moe M. 2026. Randomized controlled single-farm field evaluation of an autogenous Mycoplasma hyosynoviae bacterin. Porcine Health Management. doi:10.1186/s40813-026-00503-7.

動物實驗規劃參考資料

  • Smith AJ, et al. 2018. PREPARE: guidelines for planning animal research and testing. Laboratory Animals 52:135–141. doi:10.1177/0023677217724823.
  • Karp NA, Fry D. 2021. What is the optimum design for my animal experiment? BMJ Open Science 5:e100126. doi:10.1136/bmjos-2020-100126.
  • Festing MFW, Altman DG. 2002. Guidelines for the design and statistical analysis of experiments using laboratory animals. ILAR Journal 43:244–258.
  • De Cuyper C, Ampe B, Westin R, van Milgen J, Millet S. 2025. Improving experimental design in animal research: seven key principles. Animal 19:101695. doi:10.1016/j.animal.2025.101695.

Thank you!