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动物与人类有着相似的神经系统解剖结构和生理功能，应激、疼痛和痛苦同样可以发生在动物身上。在动物实验中减少动物的应激、疼痛和痛苦不仅是保护动物的需要，也对提高生命科学研究的质量具有重要意义。因此，从伦理和科学的角度都需要研究、分析、评价动物在实验过程中可能发生的这些不良反应。
应激（stress）是动物机体对施加于它身上的任何刺激作出的适应性和应对性反应。环境、噪音、追赶、抓取、戏弄、挑逗、刺激等都能引起动物的应激反应。疼痛（pain）是由于机体内外较强的刺激而产生的机体损伤，包括伤害性刺激作用于机体所引起的痛觉，以及机体对伤害性刺激的疼痛反应。痛苦（distress）是由持续的或反复的疼痛刺激、疾病、抑郁、焦虑、恐惧、紧张和不安产生的一种消极的感情状态。
过度和持久的应激反应会影响动物内脏功能，使之失调，导致多种病变，如心理失衡、自主神经功能紊乱、内脏血管过度紧张收缩形成多种内脏病变及内分泌失调等，严重的可使内在功能下降。
疼痛包含主观的感觉和体征，当伤害性刺激作用于机体时，除可以产生痛觉外，还引起痛反应。前者是一种主观感受，后者则主要表现为机体各种生理功能的变化，是机体对一定程度的疼痛刺激迅速作出适应性的防御反应。例如，大鼠或小鼠在准备采食时遭到电击的情况下，只需一两次试验之后就不会靠近饲料盒，表现出逃避和防御反应。动物躯体周围神经或中枢神经组织因伤害性刺激受到损伤后，或机体在持续的疾病状态（如肿瘤）下，疼痛会一直发展下去，并表现出慢性的疼痛，当持续疼痛的状态超过了动物的适应阈值就会引起痛苦。
动物无法用语言表达疼痛感受，疼痛反应在应答伤害性刺激时往往表现为行为反应。行为反应是指机体应对伤害性刺激所作出的躲避、逃跑、反抗、攻击等整体反应，由一系列躯体和内脏的反射性反应组合而成。疼痛初发时所引起的行为反应是收缩性、保护性反应，同时可伴有声音反应。声音反应具有一定的提示意义，如急性痛会引起动物的尖叫和怒吼，而慢性痛则使动物呻吟和叹息，声音反应可以唤起其他动物尤其是其同类的注意和同情。有时动物不得不改变自己的运动模式以使受伤害的肢体得以恢复，如跛行等。有时动物会退缩到比较安全的地方，并且避免除必需的活动以外的一切活动行为。
应激、疼痛和痛苦还会在动物体内引起一系列的生理生化反应，如呼吸频率增加、呼吸幅度减弱，还会影响心血管系统，导致心率加快，严重的疼痛甚至会引起循环衰竭，伴有肢端苍白、外周脉搏减弱等症状。实验动物的应激、疼痛和痛苦直接影响到其本身，也必然影响实验过程，使实验结果难以评价。
动物的疼痛和痛苦反应所表现出来的行为、生理和病理的改变，在很大程度上会干扰动物实验结果的科学性。所以，从伦理和科研的角度，都需要对动物所承受的疼痛和痛苦进行观察、判断和评价。研究表明，动物面部表情的改变可以作为评价动物疼痛的一种方法，如通过判断小鼠眼部、鼻子、面颊、耳朵、胡须的改变程度来为其痛苦表情评分（图3-1），从而评价动物所受疼痛的程度。
图3-1 小鼠痛苦表情评分
不同的实验方法中所用的疼痛评判标准不同。动物的行为和生理变化如外观、活动性、性情、声音、饮食和体重、生理生化指标等也是评价其疼痛的常用方法，这些方法比较简单、直观，但由于动物个体差异和观察者的主观因素，具有一定的局限性。
对动物疼痛和痛苦的真实客观评价虽然比较困难，但其影响动物实验结果的科学性和准确性这一事实不容忽视。因此，在动物实验过程中，应通过改善动物福利，使用麻醉、镇痛或抗焦虑药物等措施来减少动物所遭受的应激、疼痛和痛苦。在不影响实验结果判定的情况下，应选择“仁慈终点”结束实验，避免延长动物承受痛苦的时间。