摘要
早期嗅觉印记被提出作为一种提高探测犬性能的策略，然而来自实际操作环境的实证证据仍然有限。本研究评估了早期接触目标气味对四个核心探测变量的影响：在严格限制条件下的敏感性、反应距离、工作耐力和探测可靠性。二十只处于工作状态的成年犬作为对照组，四只犬在神经感觉发育的敏感阶段开始接受早期学习训练。所有犬在相同条件下完成了平行测试任务，数据通过Welch’s t检验进行分析，并估算了效应大小。接受早期印记训练的犬在严格限制条件下的探测敏感性更高，并且在更远的距离上就能对目标气味作出反应。与接受传统训练的犬相比，这些犬的工作耐力也更强，能够保持更长时间的有效性能。相比之下，两组犬的误报行为没有差异，表明仅靠早期印记训练并未改变其反应抑制和决策控制能力。总体而言，研究结果表明早期嗅觉印记与探测敏感性、反应距离和工作耐力的提高有关，而探测可靠性保持不变。这些结果提示将早期印记训练纳入探测犬的繁殖和训练计划中可能具有潜在益处，并强调了需要进行更大规模、更受控的研究以进一步探讨其发展性和实际应用意义。
引言
人类与犬之间的关系已经从驯化发展为一种多功能纽带，包括在安全、探测、救援和治疗协助等方面的合作。这种关系的扩展得益于犬类卓越的感官能力，尤其是其嗅觉能力，据估计其嗅觉能力是人类的10,000到100,000倍（Oliveira等人，2012年），这使得犬能够检测到极低浓度的化学化合物。犬可以区分超过一百万种气味，而人类通常只能区分4,000种左右（Allen和Bekoff，1999年）。比较研究表明，未经训练的犬在搜索时往往依赖视觉或动觉策略，而经过训练的探测犬则始终将嗅觉作为主要感知方式（Smith等人，2003年）。因此，训练调节了犬类先天感官能力的功能表达。了解幼犬的早期发展对于优化其探测性能至关重要。早期学习和印记作用最初由Lorenz描述，它们塑造了未来的行为模式（Kalikow，1983年）。尽管印记作用最初在鸟类中被发现，但研究表明它也影响哺乳动物物种，包括犬科动物（Beach和Jaynes，1956年；Dietz等人，2018年；Wright和Russell，1983年）。犬的印记期持续到生命的前四个月（Kretchmer和Fox，1975年），这一时期的经历显著影响其社会、攻击性、繁殖和领地行为（Johnson等人，1985年）。一些作者认为这些“关键期”更应被视为受环境和干预影响的“敏感期”（Bateson，1979年；Parker和Mellor，2011年），这为早期之后的结构化学习提供了可能性。
在生命的前30天内，幼犬出生时是盲的、聋的且几乎没有嗅觉，但它们表现出功能性的触觉、温度和味觉反应，这些反应有助于生存（Navarrete，2004年；Lorenz，1950年）。大约在20-25天大时，听觉功能开始发育，同时颞叶皮层激活，依恋行为也开始出现（Vaz Ferreira，1984年）。社会化过程和嗅觉识别在3至12周之间增强，这与联想学习的最敏感阶段重叠（Lorenz，1950年；Ackerman，1997年）。在7周之前与母亲过早分离与行为障碍和社会功能缺陷有关（Hafez ESE，1968年；Slabbert和Rasa，1993年；Ferrari，2001年）。母犬的照顾、兄弟姐妹间的互动以及对新刺激的接触塑造了成年犬的沟通和等级机制（Sire，1968年；Gazit和Terkel，2003年）。Von Bormann方案旨在利用早期行为可塑性，在印记期间诱导功能性嗅觉学习（Ortiz-Leal等人，2020年）。根据Sire（Sire，1968年）的观点，相互的社会互动使犬将人类视为伙伴，这是导犬合作的关键要素（Sarría-Echegaray等人，2014年）。早期与动机原则相一致的结构化训练加强了这种合作（Sire，1968年；Gazit和Terkel，2003年）。尽管有证据支持早期学习，但很少有实证研究探讨其对嗅觉探测能力的具体影响（Parker和Mellor，2011年；Hall等人，2014年；Hall等人，2016年）。本研究通过评估工作幼犬的早期社会化、嗅觉印记和结构化刺激，填补了这一空白。
从发育角度来看，犬类能够非常早地编码化学感官信息。家犬的实验证据表明，围产期接触气味可以塑造后期的气味偏好，支持了非常早期气味学习的生物学合理性（Wells和Hepper，2006年；Battaglia，2009年）。在哺乳动物模型中，新生儿的嗅觉学习与敏感期机制和早期生命中的特定神经回路有关，这些机制支持了由气味引导的行为的持久变化（Moriceau和Sullivan，2004年；Sullivan和Holman，2010年）。重要的是，当前方案也符合学习理论框架：将目标气味与奖励结果配对构成经典条件反射，而在犬类的受控研究中显示，气味预暴露和气味-奖励配对可以促进后期的气味区分学习和提高探测敏感性（Furton等人，2015年；Polgár等人，2015年）。因此，本研究的主要目的是评估在印记/敏感期窗口期间对目标气味的结构化早期暴露是否能在成年犬的探测性能上带来可测量的优势，相对于传统训练而言。
方法论
本研究采用纵向观察比较设计，评估在敏感发育期间非常早期的嗅觉学习是否与后期操作性爆炸物探测性能的差异相关。分组是非随机的，根据训练历史确定（早期学习暴露组与传统训练组）。分析单位是每只犬。所有描述的程序均符合实际工作犬环境中的常规训练和操作评估实践。未进行任何侵入性操作。
动物和组别
**早期学习组**
早期学习组包括四只具有完整、系统记录的发育史的犬：
- Hope（雌性；比利时马利诺犬）：在7天大时开始新生儿印记训练（人工饲养）。
- Angus（雄性；切萨皮克湾寻回犬×拉布拉多混血）：在大约21天大时开始早期学习。
- Dora（雌性；Angus的同胞犬；相同杂交品种）：在大约21天大时开始早期学习。
- Vaiana（雌性；马利诺犬×切萨皮克型混血）：在大约20天大时开始早期学习。
**对照组**
对照组包括20只使用传统方法训练的成年操作性爆炸物探测犬：
- 评估时的操作年龄范围：1-5岁（完全处于工作状态）。
- 传统训练开始时的典型年龄：9-12个月。
- 任务：爆炸物探测。
- 来源：国家安全部队和专业安保公司的操作犬单位。
（注：对照组中个体级别的品种/性别分布未在可用数据集中以标准化表格形式记录，因此此处未报告。）
**早期学习方案**
早期学习干预包括与强化相结合的结构化嗅觉暴露，根据发育阶段逐步调整，并分为三个阶段实施。本手稿中将此方案称为早期嗅觉印记方案（为与先前文献保持一致，以下简称“Von Bormann方案”）。
**第一阶段——Zephir窝中的早期刺激（约21天开始）**
Zephir窝中的两只幼犬（Angus和Dora）后来提供了完整的性能数据。幼犬通过食物作为主要强化物，被引入嗅觉引导的探索。自由搜索诱导：食物被分散在逐渐扩大的区域内，以鼓励在背景气味（植被、物体、人类、其他犬）存在的情况下进行独立探索。环境复杂性逐渐增加（听觉干扰、同种动物的移动、训练者位置的变化），以减少对单一环境的依赖。
**会话结构**：每天重复进行短时间会话，与正常喂食时间表一致；偶尔进行单独会话以促进独立问题解决并减少模仿/跟随行为。
**过渡到条件性标记**：大约从2个月大开始，培养坐姿标记反应以获得玩具奖励，这种标记行为后来被用于操作性探测中（见图1）。
**第二阶段——Hope的新生儿嗅觉印记（从第7天开始）**
Hope在7天大时成为孤儿/被遗弃，由人工饲养，从而在喂食期间实现可控的重复气味暴露。
- 在喂奶过程中进行气味-强化物配对：喂奶瓶被修改，以便在哺乳期间持续呈现浸有目标爆炸物气味的纸条，从而实现气味暴露与喂食强化的重复配对。
- 福利和处理程序：使用母犬通常提供的热支持、温和处理和刺激（例如，喂奶后的清洁和新生儿护理中的肛门刺激）来维持生理稳定并减少痛苦。
- 早期区分检查：在清醒的非喂食期间，向Hope呈现（i）目标气味条和（ii）未浸有气味的对照条。
- 通过定向/接近行为和增加的嗅探行为来评估不同反应（观察监测；无平行评分设计）。
- 引入多种气味：在喂食期间依次引入额外的爆炸物气味作为重复配对；随着发育进展，后来实施联合暴露（见图2）。
**第三阶段——过渡到搜索和点对点工作（约21天开始）**
断奶开始后（大约第21天），方案从喂食期间的配对转变为主动搜索任务。
- 地面搜索练习：目标气味样本隐藏在含有常见背景气味（食物、清洁产品、其他动物）的环境中不同位置。
- 点对点区分：使用一系列穿孔容器/罐子，其中一个含有目标气味，其他容器不含气味或含有干扰物（例如，香草、香水、空气清新剂、食物）。引导幼犬采样每个位置。正确的指示立即通过玩耍（玩具奖励）得到强化，符合正向强化训练原则（见图3和图4）。
**第三阶段——Vaiana的早期发育条件反射（约20天开始）**
Vaiana（Hope × Angus）从大约20天大开始接受调整后的早期学习方案。
- 减弱强度的配对：每天进行一次结构化的气味配对会话，涉及两种爆炸物气味。
- 进展：按照Hope方案相同的发育逻辑，加入自由搜索和点对点练习。
- 气味刺激和训练材料：使用含有标准化爆炸物痕迹的微痕量笔（1-7 µg/mL）提供爆炸物气味。微迹材料被应用于：新生儿配对用的纸条、早期搜索任务中与喂食相关的物品，以及用于点对点练习的目标容器。材料的处理和储存均遵循制造商的建议和适用的操作安全程序。
1. 在严格封闭条件下的检测灵敏度（紧密度因子）。紧密度因子用于量化当目标气味被置于设计用来最小化气味泄漏的密封容器中时的检测性能。
$$\begin{array}{c}紧密度\;因子\;(\%)\;=\frac{正确\;阳性\;检测\;次数}{总\;有效\;试验\;次数\;}\times100\end{array}$$
2) 反应距离：反应距离定义为狗在接近目标源时首次表现出明显检测反应的距离（厘米）。每只狗的数值是通过记录的会话计算得出的平均值。
3) 工作耐力：工作耐力衡量的是狗在没有脱离任务（训练日志中记录的疲劳/无聊/挫败感迹象）的情况下保持有效操作性能的持续时间（分钟）。每只狗的数值是通过记录的会话计算得出的平均值：
$$\begin{array}{c}工作\;耐力\;(分钟)=\frac{\sum_{i=1^{t_i}}^n}n\end{array}$$
4) 检测可靠性：检测可靠性通过假阳性反应和衍生的检测率来衡量。假阳性被定义为在没有目标样本的情况下出现的完全标记反应。
$$\begin{array}{c}假阳性\;指数\;(FPI)=\frac{假阳性\;反应\;次数}{总\;试验\;次数}\end{array}$$$$检测\;率=1-FPI$$
统计分析：所有分析均在SPSS中进行，以狗作为实验单位。对于每个变量，比较了早期学习组和对照组之间的每只狗的数值。由于组间大小不等且预期方差存在异质性，因此使用了Welch’s t检验。效应大小使用Hedges’ g（适用于小样本）进行估计。假设通过Shapiro–Wilk（正态性）和Levene’s检验（方差同质性）进行评估。统计显著性设定为p < 0.05。
伦理和福利合规性：本研究没有涉及侵入性程序或超出常规训练和操作评估范围的实验操作。所有活动均遵守动物福利原则和标准的工作犬处理实践。根据指令2010/63/EU和西班牙皇家法令53/2013，所描述的活动不构成需要伦理委员会批准的受监管动物实验。
共有24只狗参与了分析：20只经过传统训练的爆炸物检测犬（对照组）和4只在敏感发育期接受早期嗅觉印记的狗（早期学习组）。所有分析均以每只狗为统计单位。支持结果的个体和会话级数据见补充表格（S1–S4）。
在严格封闭条件下的检测灵敏度：两组之间的检测灵敏度存在明显差异。接受早期嗅觉印记的狗显示出显著更高的平均检测率（87.50 ± 2.08%，n = 4），而传统训练的对照组狗为64.70 ± 8.74%，n = 20。重要的是，这种差异在个体间是一致的：所有早期学习的狗的检测率都高于对照组观察到的上限（补充表格S1），表明在限制气味泄漏的条件下，组级的性能得到了显著提升。
反应距离：两组之间的反应距离差异最大。早期学习的狗在平均901.00 ± 89.48厘米（n = 4）的距离对目标气味作出反应，而对照组狗则在明显更短的距离（23.89 ± 3.83厘米，n = 20）作出反应。两组之间的个体值没有重叠（补充表格S2）。这些结果表明，早期嗅觉印记显著扩展了功能检测范围。
工作耐力：早期学习的狗在更长的时间内保持了有效的检测性能，平均耐力时间为226.13 ± 6.54分钟（n = 4），而对照组狗为30.09 ± 0.30分钟（n = 10）。所有早期学习的狗都超过了对照组动物的最大耐力值（补充表格S3），表明持续任务参与度的提升是统一的，而不是由个别性能的差异驱动的。
检测可靠性：与灵敏度、反应距离和耐力观察到的显著差异不同，两组之间的检测可靠性没有差异。早期学习狗的假阳性指数（1.92 ± 0.05，n = 4）和对照组狗的假阳性指数（1.90 ± 0.05，n = 20）相当。相应的检测率分别为0.14（早期学习组）和0.15（对照组）（补充表格S4）。个体值在两组间有重叠，表明早期嗅觉印记没有改变假阳性反应或决策一致性。
结果总结：总体而言，结果表明，早期嗅觉印记与在严格封闭条件下的检测灵敏度、反应距离和工作耐力的持续显著提升有关。这些效应在所有早期学习的狗中都观察到，并且不能归因于个体的孤立表现。相比之下，早期学习狗和传统训练狗之间的检测可靠性保持相当。
讨论：本研究提供了证据，表明在发育最可塑的阶段进行早期嗅觉印记与三个核心操作参数的显著提升有关：严格封闭条件下的灵敏度、反应距离和持续的工作耐力。这些发现与行为和感知发展的敏感期的经典概念一致，正如早期学习和发育可塑性方面的基础研究中所描述的（Wright和Russell 1983，Ortiz-Leal等人2020，Sarría-Echegaray等人2014）。这些发现可以通过互补机制来解释。从经典条件反射的角度来看，早期反复将目标气味与强化联系起来预计会增加这些气味的显著性，并促进后续的区分学习；这与实验工作一致，这些工作表明气味预暴露和气味-奖励配对可以增强犬类气味任务的获取和灵敏度（Hall等人2014，Hall等人2016）。同时，非常早期的暴露发生在发育阶段，这些阶段的可塑性较高，而且已经记录了家犬的围产期嗅觉学习（Battaglia 2009），而哺乳动物系统中的新生儿嗅觉学习与支持持久行为效应的敏感期神经生物学机制有关（Beach 1963；Bertenthal 1987）。尽管这里没有收集神经测量数据，但行为模式与联想学习和发育时机的相互作用相符。早期学习狗观察到的增强紧密度因子性能与研究表明，在早期发育过程中进行结构化的感官暴露有助于更有效的区分阈值并加强长期的感知稳定性一致。在我们的样本中，从非常早期阶段就开始印记的狗在最小气味泄漏条件下显示出更高的准确性，表明它们具有更好的能力来获取、保留和应对微弱的气味线索。这种模式与主要嗅觉系统和辅助化学感觉通路（特别是嗅球）的功能参与相兼容，后者在犬类中发育良好，并有助于处理复杂的气味刺激。考虑到与空气传播气味相关的空气动力学限制，反应距离的改善尤为显著。先前的研究已经记录了在类似现场条件下训练的成年狗的高检测准确性（Polgár等人2015）。本研究中早期学习狗表现出的明显更长的反应距离表明，早期印记可能改变了操作检测阈值，使狗能够更早地参与气味追踪并在开阔区域搜索中提高性能。工作耐力的结果也证实了早期感官刺激有助于成年狗形成更坚韧和稳定的行为特征（Slabbert和Odendaal 1999）。早期学习的狗在更长的时间内保持了操作上的有效性能，表明早期联想程序可能有助于发展支持持续注意力、抗疲劳能力和情绪调节的动机系统，这些能力在涉及重复搜索和多变环境要求的实际操作情境中至关重要。相比之下，通过假阳性行为和衍生的检测率测量的检测可靠性在两组之间没有显著差异。假阳性不仅取决于气味编码，还取决于训练者的影响、强化历史、任务结构以及狗在不确定性下的反应策略（Smith等人2003）。目前的发现表明，尽管早期嗅觉印记对灵敏度、反应距离和耐力明显有益，但它并不独立改变这些高级决策过程。这支持了这样的观点，即反应抑制机制需要在狗具备更复杂的不确定性管理规则的认知成熟度时，在后期发育阶段进行针对性训练。
从应用的角度来看，跨独立变量的性能提升一致性表明，早期印记可能有助于减少未能达到检测犬项目操作标准的幼犬比例。早期刺激和结构化暴露可能塑造反应性、自我控制和工作动机，这些变量与长期操作适应性相关（Slabbert和Odendaal 1999）。Hope和Vaiana之间的性能相似性，尽管后者的暴露强度较低且开始时间较晚，也表明早期学习协议可以在不同代际之间转移并适应不同的发育情境，而不会失去有效性。尽管存在这些限制，包括早期学习组中的狗数量较少以及操作动物的可用性导致的准实验分配，但观察到的效应的幅度和内部一致性，加上使用了考虑样本大小和方差差异的稳健统计方法，支持了结论的可靠性。对于紧密度因子、反应距离和耐力发现的非常大的效应大小，降低了结果归因于偶然性或测量误差的可能性。未来的研究应包括更大的样本、随机分配的前瞻性设计和标准化的测试环境，以澄清遗传倾向、早期暴露和后期训练的各自贡献。将早期印记扩展到其他气味类别（如麻醉品、人类遗骸或生物制剂）可能有助于确定这些发现在不同检测学科中的普遍性。还需要进一步研究早期学习如何与旨在减少假阳性的高级训练协议相互作用，因为在本研究中各组之间的可靠性保持相当。尽管观察到的效应具有一致性和显著性，但仍必须承认本研究的几个局限性。首先，早期学习组必然规模较小（n = 4），这反映了与接受非常早期训练协议的检测犬进行的纵向工作相关的操作和伦理限制。这限制了统计功效，并排除了对个体间变异性的精细建模。其次，研究采用了观察性、非随机设计，因为组分配是由训练历史而非实验分配决定的。尽管这反映了现实世界的操作条件，但它限制了因果推断。第三，部分数据集依赖于系统记录的操作训练日志，而不是前瞻性标准化的实验试验，这可能会引入测量条件的异质性，尽管在各组中使用了等效的程序。最后，这些发现特定于爆炸物检测，不应未经进一步实证验证就自动推广到其他检测学科（例如，麻醉品、生物制剂或人类遗骸）。在解释结论的范围时，应考虑这些限制，并强调需要未来进行更大样本量和更广泛检测情境的对照研究。
总之，研究结果表明，早期嗅觉印记与在严格封闭条件下的检测灵敏度、检测范围和工作耐力的持续显著提升有关。这些结果支持将早期学习协议整合到检测犬的繁殖和训练计划中，这些计划在受控和评估的操作框架内进行。尽管接触早期印记效应的狗的数量有限，且研究设计属于观察性研究，但观察到的效应在多个独立变量上的显著性和内部一致性降低了这些发现归因于随机变异的可能性。需要进一步开展更大样本量的对照研究以及前瞻性设计，以明确遗传背景、早期接触和后期训练的相对作用，并确定这些发现在其他检测领域中的普遍适用性。
