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Wärmebild um Stress-nicht-invasiv in Hemmungslose Birds Studieren

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DOI:

10.3791/53184

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6. November 2015

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1Institute of Biodiversity, Animal Health and Comparative Medicine, College of Medical, Veterinary & Life Sciences, University of Glasgow

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Es besteht ein Bedarf für eine nicht-invasive Beurteilung von Stress. Dieser Beitrag beschreibt ein einfaches Protokoll mit Wärmebild, um eine signifikante Reaktion in der Augenregion Temperatur in wilden Blaumeisen in eine milde akute Stressoren erkennen.

Zusammenfassung

Stress, ein zentraler Begriff in der Biologie, beschreibt eine Reihe von Notfall-Reaktionen auf Herausforderungen. Unter anderen Antworten führt Stress zu einer Änderung des Blutflusses, die in einem Netz Zustrom von Blut Schlüsselorganen und einer Erhöhung der Kerntemperatur führt. Diese Stress-induzierten Hyperthermie wird verwendet, um Stress zu bewerten. , Kerntemperaturmessung ist jedoch invasiv. Als Blutfluss an den Kern weitergeleitet werden, kann der Umfang des Körpers abzukühlen. Dieser Beitrag beschreibt ein Protokoll, in dem peripheren Körpertemperatur ist nicht-invasiv in wilden Blaumeisen gemessen (Cyanistes caeruleus) mit Infrarot-Thermografie. Im Bereich entwickelten wir ein Set-up bringt die Vögel, um einer idealen Position, vor der Kamera, indem Sie einen Köder Box erstellt. Die Kamera nimmt eine kurze thermische Videoaufzeichnung des ungestörten Vogel vor dem Auftragen einer milden Stressoren (Schließen der Box und somit die Erfassung der Vogel), und die Reaktion des Vogels zu eingeklemmt wird aufgezeichnet. Die nackte Haut der Augenregion ist diewärmsten Bereich des Bildes. Dies erlaubt eine automatisierte Extraktion des maximalen Blickbereich Temperatur von jedem Bildrahmen, gefolgt von weiteren Schritten der manuellen Datenfilterung Entfernen der häufigsten Fehlerquellen (Motion Blur, blinkt). Dieses Protokoll stellt eine Zeitreihe der Augenregion Temperatur mit feiner zeitlicher Auflösung, die uns, die Dynamik der Stressantwort nicht-invasiv zu untersuchen ermöglicht. Weitere Arbeiten notwendig, um die Nützlichkeit des Verfahrens zu demonstrieren, um Stress zu bewerten, zum Beispiel zu prüfen, ob die Augenumgebung Temperaturgang ist proportional zu der Stärke der Stressor. Wenn dies bestätigt werden kann, wird es eine wertvolle Alternative Methode zur Stressmessung beim Tiere bieten und zu einer breiten Palette von Forschern aus Ökologen, Erhaltung Biologen, Physiologen, den Tierschutz Forscher nützlich sein.

Einleitung

Stress ist ein zentraler Begriff in der Biologie, der Beschreibung der Notfall eines Organismus als Reaktion auf eine umweltpolitische Herausforderung versuchen, die Wiederherstellung der Homöostase 1,2. Unter Stress, Blutzucker, Fettsäuren und Aminosäuren Niveaus, Herzfrequenz, Atemfrequenz und Stoffwechsel aller Anstieg, und Blut von der Peripherie zu den Kernorganen 2 umgeleitet wird. Diese generische Muster von physiologischen Veränderungen Primzahlen das Tier in der Lage, schnell und adaptiv zu reagieren auf ein Array von sozialen und physiologischen Herausforderungen. Während Erkennen und Verstehen von Stress ist das Herzstück der beiden reinen und angewandten Forschung an Tieren, die Beurteilung Stress in ungebremst Tieren bleibt eine Herausforderung.

Eine weit verbreitete physiologische Marker der Beanspruchung eine Erhöhung der Spiegel von zirkulierendem Glucocorticoid Hormone wie Cortisol und Corticosteron 1,2. Eine große Stärke dieses Ansatzes ist, dass ihre Konzentrationen steigen in proportional zur Intensität Stressor, wodurch Stress zu quantifizieren. Allerdings sind Glukokortikoide nicht "Stress" Hormone per se, aber Mobilisa der Energiespeicher 2. Als solche Glucocorticoidspiegel ändern sich auch mit der Energiebedarf, der Tageszeit, dem Alter und Reproduktionsstatus 3,4 sowie in Reaktion auf scheinbar gute Situationen, wie Gegen Gelegenheit 5. Glucocorticoidspiegel muss deshalb vorsichtig und in einen Kontext interpretiert werden. Messung der Glukokortikoid Reaktion auf akuten Stress hat auch einige Einschränkungen. Eine akute Stressfaktor löst eine Dynamik des Glucocorticoid-Ebenen zunächst zunehmende und anschließend die Rückkehr zu einem Basisniveau 1,2. Glucocorticoid-Proben werden in der Regel invasiv erhalten, durch Blutabnahme, die ein Stressfaktor in sich und kann daher die gemessenen Glucocorticoidspiegel 6 beeinflussen. Überdies Glucocorticoidspiegel kann nur an einem oder wenigen Zeit p gemessen werdenunkte, die nicht erfassen kann Veränderung der Spitzenpegel und Timing oder Ansprechdauer, die Begrenzung unserer Fähigkeit, Veränderungen durch die Zeit des dynamischen Stress-Reaktion innerhalb von Individuen zu untersuchen. Nicht-invasive Methoden der Hormon Probenahme, beispielsweise von Fäkalien 7, Haare oder Federn 8, messen die mittlere Glucocorticoidspiegel über eine längere Zeitskala von Tagen oder Monaten, auch nützlich, um chronische Stressoren studieren, sind nicht anwendbar auf die Untersuchung von akuter Stress . Da auch die besten etablierten Methoden bieten nur eine eingeschränkte Perspektive auf Variation in akuten Stress bei Personen gibt es einen Bedarf für eine alternative Methode in physiologischen Stress-Messungen.

Wie der Stress-Reaktion beinhaltet eine Reihe von physiologischen Wirkungen gibt es andere Kandidaten, die Stress hinweisen könnte. Unter anderem sympathisch vermittelte Vasokonstriktion Kanälen Blut aus der Peripherie zum Körperkern. Diese Konzentration von Blut und damit Wärme, zusammen mit verschiedenen Forms von Stress-induzierten Thermogenese, wärmt den Kern 9. Als solches Kernerwärmung bezeichnet spannungsinduzierte Hyperthermie (SIH) wurde ebenfalls als Marker der akuten Stress in der Arzneimittelforschung 10 verwendet. SIH wirft in der Regel Körperkerntemperatur um 0,5 bis 1,5 ° C innerhalb von 10-15 Minuten zu einer akuten Stressfaktor 10. Es ist ein relativ gut dokumentiert Phänomen, dass ein häufig angewandten experimentellen Stressoren zu fangen und Handhabung eines Tieres kann die Körperkerntemperatur in einem Bereich von Säugetier- und Vogelarten 11 zu erhöhen - 17. Wichtig ist, korreliert SIH mit anderen etablierten Indikatoren von Stress, wie Herzfrequenz 18, Glukokortikoid-Ebenen 19 und das Verhalten 20,21. Und wie Glukokortikoid-Ebenen, Kerntemperatur linear, die auf Ebene bei einigen Arten 22 betonen. Wie bei der Blutentnahme, ist jedoch die Messung der Kerntemperatur invasive an sich, das Einführen o bedürftigenr Implantation einer Sonde 10. Baseline-Kerntemperatur allmählich jedes Mal, wenn die verspannungsinduzierenden Handhabung oder Einführen der Sonde muss wiederholt werden 23. Jüngste Entwicklungen in der Temperaturaufnahmegeräte, mit denen Zugriff auf Daten kann aus der Ferne eine Lösung zumindest für große Tiere 24 bereitzustellen.

Innerhalb des gleichen Mechanismus, SIH erzeugt, liegt jedoch noch eine weitere potentielle Marker für Stress: die periphere Vasokonstriktion, die Blut bewegt, und damit zu erwärmen, um den Kern kühlt gleichzeitig die Haut 17. Anders als die Kerntemperatur, die Hauttemperatur vollständig nicht-invasiv, durch Infrarotthermographie (IRT) gemessen werden. IRT wandelt die Infrarotstrahlung von der Oberfläche eines Objekts in Temperatur 25 emittiert. Als Oberfläche eines Tieres hat typischerweise einige kahle Stellen, von denen die Hauttemperatur kann direkt abgeleitet werden, den Zugriff auf natürliche Weise ausgesetzt Haut (zB Bereich um t erforderter Auge) oder die Schaffung eines nackten Patch durch Trimmen Fell oder Federn. Vorgesehen Zugang zu einem geeigneten belichteten Fläche und der Haut des Tieres in das Sichtfeld der Kamera gehalten werden kann IRT-Kameras verwendet werden, um kontinuierliche Hauttemperaturmessungen im Remote-entdeckt, wodurch die vollständige Temperaturantwort werden gefilmt und Vergleich zwischen Individuen werden . Während es bereits in Hühnern, die Oberfläche wurde gezeigt Temperatur reagiert auf Stress 26 akut, ist die Neuheit dieser Studie, dass es misst Oberflächenkörpertemperatur von Wildtieren in einem feineren zeitlichen Auflösung als bisherige Studien und zeigt auch, dass die erwartete Hauttemperaturabfall in dem Bereich, in dem Temperatur, Feuchtigkeit und Wetter variabel erfaßt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die notwendige Methodik zu beschreiben, um die Hauttemperatur eines zwanglosen Tier mit Wärmebild messen. Wir verwenden Capture, eine milde akute Belastungs in frei lebenden Blaumeisen (Cyanistes caeruleus zu induzieren, Linnaeus 1758 ), und beschreiben, wie die geeignete Bildmaterial zu erfassen, die Bilder analysieren und verarbeiten die Daten, um Temperatur-Wirkungs-Kurven gegen die Zeit, die eine signifikante Abkühlung der Vogelhauttemperatur als Reaktion auf die milden Stressoren demonstrieren zu produzieren. Dies kann eine wertvolle Alternative Methode, um Stress im wilden und in Gefangenschaft Tier nützlich, um eine breite Palette von Forschern aus Ökologen, Erhaltung Biologen und Physiologen zu den Tierschutz Forscher bewerten.

Die Studie wurde in der Zeit zwischen dem 17. Dezember 2013 durchgeführt wird, und 4. Januar 2014 in einem Laubeiche (Quercus spp.) Wald am Scottish Centre for Ecology und der natürlichen Umwelt (SCENE), University of Glasgow am Ostufer von Loch Lomond, mittleren Westen von Schottland (56.13 ° N, 4.13 ° W). Das Protokoll umfasst drei Hauptschritte: (1) Einrichten geeigneten Bedingungen, unter denen der Wärmebilder von einem freilaufenden Tier zu erfassen, (2) applying einen spitzen Stressor und dabei einen Wärme Video-, und (3) Extrahieren und Verarbeiten von Daten von der Wärmebilder, die dann verwendet werden, um die Reaktion des Tieres auf die akute Stress charakterisieren. In unserem Fall zogen wir einen frei lebenden Sperlings, die Blaumeise auf einem Futterkasten (Dreharbeiten Set-up), wo die Bedingungen für die Wärmebildaufnahme optimiert wurden, und dann legten ein Capture-Stress durch fern Schließen des Futterkasten, wenn der Vogel war in . Die Beschreibung des thermischen Bildaufnahme und Datenextraktion ist spezifisch für die Ausrüstung, die wir verwendet, und kann zwischen Wärmebildsysteme variieren. Die Datenverarbeitung erfolgt mit Hilfe eines Open-Source-Software beschrieben.

Protokoll

Ethics Statement:

Der Arbeitsaufwand eine Routine Fangmethode von frei lebenden kleinen Singvögel vom British Trust for Ornithology und dem Capture-Protokoll Hervorrufen einer milden Stress in der Vogel genehmigt wurde unter UK Home Office-Lizenzen durchgeführt.

1. Set-up für Dreharbeiten

  1. Erstellen Sie eine Verfilmung Set-up, wo die Vögel sind aufgefordert, sich vor der Kamera (Abbildung 1) zu positionieren. Der Vogel in den Set-up durch ein Loch in einer Stirnwand und hat Zugang zu Lebensmitteln in der Nähe der gegenüberliegenden Stirnwand.
  2. Um die Vögel, um den Aufbau zu gewöhnen, eine geeignete Nahrung (zB Erdnusskerne) am Anleger für mehrere Wochen vor der Aufzeichnung. Neben der Bereitstellung der Lebensmittel, lassen Sie die Set-up ungestört. Während dieser Zeit, legen Sie ein Dummy-Stativ vor dem Feeder, damit die Vögel, um auch an der Kamera zu gewöhnen.
  3. Am Tag der Aufnahme, reduzieren die Availabikeit von Erdnusskerne im Set-up durch die Abschaffung sämtlicher noch Essen aus dem Einzug und mit dem Essen in einem transparenten Behälter mit nur einem kleinen Loch in der Mitte auf der Oberseite, durch die Vögel können das Essen zugreifen enthaltenen ersetzen. Position dieses Nahrungsmittelbehälter in der Mitte des Käfigs am Ende gegenüber dem Eingang Loch.
  4. Legen Sie ein kleines Quadrat aus schwarzem Isolierband bekannter Emissivität der von natürlichem integument in einer der Ecken des Netzes der Box so dass es in allen Bildern wird angezeigt. Bringen Sie die schwarzen Isolierband, um ein Thermoelement mit einem Temperatur-Logger, der die Temperatur des schwarzen Isolierband mit einer Auflösung von 0,1 ° C alle 1 Sek zeichnet verbunden.
  5. Legen Sie die Wärmebildkamera 50 cm von der Mitte des Kastenfalle, so dass alle die Box passt in der Kamera Sichtfeld, und Vögel Fütterung aus dem durchsichtigen Behälter wird in der Kamera-Zone der Fokus positioniert werden. Schließen Sie die Kamera an einen Laptop, stellen Sie die Kamera um Bilder von im Durchschnitt von 7,5 Bildern pro Sekunde (mit Zeitstempel) aufzeichnen und Bilder zu senden, um die Festplatte des Laptops, um dort gespeichert.
  6. Befestigen Sie eine Angelschnur an der Drehtür der Einrichtung und rollen sie in eine Position, wo der Experimentator ist aus Sicht der Vögel versteckt, aber das Set-up kann immer noch beobachtet werden - etwa 20 m von der Set-up.

2. Die Dreharbeiten das Vogel Antwort auf ein mildes Akute Belastungs

  1. Sobald ein Vogel in den Futterkasten, lassen Sie den Vogel in der Box für ca. 5 sec ungestört.
  2. Ziehen Sie die Angelschnur, nachdem der Vogel hatte ca. 5 Sekunden in das Feld ausgegeben, um die Fütterung Feld zu schließen. Darauf achten, dass der Vogel ist immer noch am Ende der Box, um die Verletzungsgefahr für den Vogel zu minimieren.
  3. Unmittelbar nähern sich der Futterkasten und stehen regungslos hinter der Kamera für ca. 3 min. Dann rufen Sie den Vogel aus der Box und lassen Sie es gehen.
"> 3. Die Extraktion der Augenregion Temperatur von Wärmebildern

  1. Auszug Maximaltemperatur aus jedem Rahmen. Anmerkung: Die maximale Temperatur wurde praktisch immer aus dem Bereich um das Auge erfasst, die von der freiliegenden Haut des Augenring (2) begrenzt wird, und wird im Folgenden als die Augenumgebung Temperatur bezeichnet.
    1. In der Wärmebildanalyse-Software der rechten Maustaste auf das Bild, "Hinzufügen" einen neuen Grundstück für das Bild maximal. Dann klicken Sie rechts auf dem Grundstück, das die Daten (Augenbereich Temperatur und die Zeit der Rahmen genommen wurde), um eine CSV-Datei exportiert.
  2. Löschen aus der CSV-Datei alle Zeilen von Frames, wo das Auge-Region der Vogel war nicht sichtbar.
  3. Plot maximale Temperatur gegen die Zeit in R 27, zu identifizieren manuell Punkte, an denen Temperaturspitzen> 0,2 ºC zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen, wenn die Nickhaut wurde über die Augen gezogen wird (blinkend) und die Punkte mit niedrigen Werten outside der Bereich der Körpertemperatur für Vögel 28 (dh, wenn das Auge-Region sichtbar, aber durch die Bewegung für mehrere Bilder verschwommen war) und entfernen Sie die entsprechenden Zeilen aus der bei Schritt 3.1 erzeugt CSV-Datendatei.
  4. Messen der Umgebungstemperatur.
    1. Laden Sie die Daten (Zeit und Temperatur-Logger) von der Temperatur-Logger auf einen Computer und Export in eine Tabellenkalkulation.
    2. Um die Umgebungstemperatur aus dem Wärmebild zu erhalten, in der Thermobildanalyse-Software zeichnen Sie ein Quadrat über dem schwarzen Isolierband, die die Temperatur-Logger-Sonde bedeckt ist, dann klicken Sie rechts auf den Platz und wählen Sie "Hinzufügen neuer Plot" für Durchschnittstemperatur des Platzes.
    3. Dann mit der rechten klicken Sie auf diese Handlung, um die Daten (Zeit und Temperatur IRT) in eine CSV-Datei zu exportieren. Zusammenführen der beiden resultierenden Temperaturzeitreihen für Temperaturlogger und thermische Bildanpassung für die Zeit in eine Tabellenkalkulation.
  5. Correct Augenregion temperature gegen Umgebungstemperatur. Exportieren Sie die Tabelle in Schritt 3.4 erstellt wurden, in der CSV-Datei passend zur Zeit. Zu jeder behielt Augenregion Temperatur fügen Sie den Unterschied zwischen der Temperatur-Logger und der Wärmebild abgeleiteten Temperaturwerte (Logger Temp - IRT temp), gemessen an der gleichen Zeit.
  6. Führen Sie automatische Filterung, um weniger genau niedrigen Blickbereich Temperaturwerte mit Hilfe der Spitzensuchalgorithmus (siehe Supplemental-Code-Datei), die höchsten (und damit die genaueste) Punkte in den Daten automatisch zu extrahieren zu entfernen.
    Anmerkung: Die Peak-Suche-Algorithmus ordnet die Temperaturdaten in einen Vektor mit einem vom Benutzer definierten Breite (Spanne), empfohlen Span = 3, das Extrahieren des Mittelwertes in Reihen, wo die Zahlen zu beiden Seiten sind niedriger, das heißt die Spitzen.
  7. Verwenden einer linearen Interpolation, um die Lücken gelassen durch Sequenzen schließen, wenn kein Peak wurde extrahiert, und wenn der Blickbereich nicht sichtbar war. Verwenden Sie den Befehl na.approx (Zoo-Paket v1.7-11 in R 27), um einen einzelnen Temperaturwert pro Sekunde für jeden einzelnen zu geben.
  8. In der CVS-Datendatei, einen Wert von 0,2 für jedes Auge Region Temperatur, um die Wirkung der Aufnahme die Bilder durch eine Masche zu korrigieren.
    Hinweis: Tests zeigten, dass, wenn ein schwarzer Körper, erhitzt, um anzunähern meine Vogelkörpertemperatur von ~ 41 ° C in ihrer aktiven Phase 28 wurde durch das Gitter Fenster mit der gleichen Maschengröße abgebildet wird, wie in den Dreharbeiten zu Set-up verwendet, Temperaturen aufgezeichnet Die Wärmebildkamera in Bereichen, die nicht durch die Drähte verdeckt waren 0,2 ºC niedriger als Werte ohne den dazwischenliegenden Maschen erhalten (mittlere Differenz = -0,2 ºC ± 0,085 SD, n = 30, Temperaturbereich von Schwarzkörper = 41,6 bis 42,5 ° C).
    Anmerkung: Dies ist der Korrekturfaktor spezifisch an die Bedingungen in dieser Studie und dürfte mit dem Instrument zu machen, und die Art und die Breite der Maschen zwischen dem Tier und der Kamera variiert, und in jeder Situation muss der SP hergestellt werdenecific Studienbedingungen.
  9. Aus den maximalen Blickbereich Temperaturen von vor die Box geschlossen wurde wählen Sie den höchsten Wert aufgezeichnet, der die Grundlinie Augenregion Temperatur des ungestörten Vogel bilden wird. Als eine neue Spalte in die CVS-Datei (Baseline) Fügen Sie diese Grundlinie ins Auge Region Temperatur. Dann subtrahieren Sie die Baseline-Wert von jedem behalten maximale Blickbereich Temperaturwert, wodurch eine neue Spalte in der CVS-Datendatei.
    Hinweis: Dieser neue Wert nun die Antwort des Vogels zu milden akuten Stress als Abweichung von seinen ungestörten Grundlinientemperatur auszudrücken.
  10. Zeichnen Sie die Abweichungen in der maximalen Augenregion Temperatur von der Grundlinie ins Auge Region Temperatur aller Personen ab, nachdem die Falle mit dem Befehl ggplot (Paket ggplot2 v1.0.0 in R 27) geschlossen ist. Generieren Bootstrap 95% Konfidenzintervall unter Verwendung der Option mean_cl_boot (Paket ggplot2 v1.0.0 in R 27). Weitere Einzelheiten finden Sie in der Supplemental-Code Datei.

Ergebnisse

Ergebnisse aus 9 frei lebenden Blaumeisen vorgestellt, die die Informationen, die von der Wärmebild erhalten und zeigen, dass das vorhergesagte Signal von Stress in der Augenregion Temperatur des Vogels kann bei frei lebenden Tieren nachgewiesen werden kann illustrieren. Jeder Vogel wurde für durchschnittlich 5,1 ± 0,9 s (n = 9), bevor die Box gefilmt 'Tür war geschlossen. Dies ermöglichte die Berechnung der ungestörten Vogel-Region Temperatur (Baseline-Temperatur), zu dem alle folgenden Maßnahmen verwiesen werden. In Tests an 20 Sek thermische Videoclips ungestört Blaumeisen Ankunft und Fütterung in eine Falle geführt (n = 9 Vögel unterscheiden sich von den für die Anwendung eines milden Stressoren verwendet sind), Korrelationen von r> 0,7 wurden gefunden, um zwischen dem maximalen vorhanden Augenumgebung Temperatur während der ersten 5 sec aufgezeichnet, und die maximale in dem ersten 10, 15 und 20 s (3) aufgezeichnet. Dies wurde als das anzeigt, dass die maximale va interpretiertlue in den ersten paar Sekunden aufgezeichnet, nachdem Falle Eintrag wurde stellvertretend für die längerfristigen Niveau, und die mittlere Augenregion Temperatur während ca. 5 sec unmittelbar vorhergehenden Feld Verschluss wurden als Ausgangswert verwendet wird. Die Blaumeisen in dieser Probe hatte einen mittleren Baseline Augenregion Temperatur von 38,4 ± 0,5 ° C (Mittelwert ± SE) und reichten von 35,8 bis 39,9 ° C (n = 9). Sobald der Vogel für 5 sec zugeführt, um die Berechnung des Basisaugenumgebung Temperatur zu ermöglichen, wurde der Kastentür vom Experimentator verschlossen. Alle Vögel bemerkt die Schließung der Box, wie von ihren Fluchtversuch Flüge belegt.

Beim Schließen der Falle fiel der Augenumgebung Temperatur rasch und erreicht eine minimale Augenumgebung Temperatur ~ 1,3 ° C unterhalb der Grundlinientemperatur nach ca. 10 sec (Abbildung 4). 4 zeigt die zusammengesetzte Kurve basierend auf der maximalen Augen Region Temperatur aller neun Personen im Durchschnitt für jede Sekunde. Da dieTiming und die Grße der Augenumgebung Temperaturabfalls variiert zwischen Individuen Die zusammengesetzte Kurve maskiert das wahre Ausmaß der Temperaturantwort. Die mittlere Temperaturabfall für jede einzelne separat berechnet beträgt 2,0 ± 0,2 ° C und der niedrigste Punkt nach 9,4 ± 2,8 s (Mittelwert ± SE) erreicht ist. Von da an eye-Region Temperatur schrittweise zum Ausgangsblickbereich Temperatur über den folgenden 2-3 Minuten kehrte aber nicht ganz an die Grundlinie bis zum Ende der Studie.

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Abbildung 1. Die Dreharbeiten Arena. Das Set-up auf dem Gebiet wurde entwickelt, um die Vögel, um das Sichtfeld der Kamera, wo ein mildes akuten Stressfaktor angewandt werden könnten gewinnen, mit einem Futterkasten. Die Einrichtung bestand aus einer 25 bis 14 cm und eine hohe Box aus Sperrholz gebaut, 16,5 cm mit einer Frontplatte aus verzinktem Drahtgeflecht mit einer Öffnung size von 1 bis 2.5 cm. Das Netz ermöglicht Infrarot-Strahlung durchlassen, die es ermöglichen, Vögel, während sie innerhalb des Set-up zu filmen. Drahtgeflecht wurde gewählt, wie Glas und die meisten Kunststoffe keine Infrarotstrahlung übertragen. Ein Loch von 60 mm Durchmesser wurde in der linken Stirnwand geschnitten, um Vögel zu ermöglichen in die Set-up und den Zugang zu der Nahrung am rechten Ende der Box platziert. Ein Temperatur-Logger-Sonde zwischen zwei Quadrate von schwarzem Isolierband (durch schwarze Pfeil markiert) eingeklemmt wird, um der rechten oberen Ecke der Frontplatte, um eine Referenztemperatur aufzeichnen angebracht. Das milde akute Stressfaktor ist mit dem Vogel im Inneren durch das Schließen der Box aufgebracht. Ziehen an einer Angelschnur an einer Drehtür am Eingang Loch angebracht erlaubt den Experimentator die Box zu schließen, wenn ein Vogel ist im Inneren. Die Wärmebildkamera vor der Falle zu stellen zeichnet die gesamte Sequenz von Ereignissen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehen of dieser Figur.

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Abbildung 2. Wärmebild eines blauen Tit. Der Großteil des Körpers einer Sperlings ist gut mit Federn isoliert (oder in geringerem Maße durch Beinschuppen), aber die Haut um die Augen wird freigelegt und strahlt meiste Wärme unter normalen Umständen, und ist umgeben von Kühler integument oder Hintergrund. Dies wird in diesem Wärmebild von der gelben Farbe (höchste Temperatur) um das Auge dargestellt, die orange, rot, lila und blau bedeuten Kühler und kühlere Temperaturen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 3. Wiederholbarkeiten der Baseline-Temperatur gemessen over verschiedene Zeiträume. Die Korrelationskoeffizienten zwischen der Maximaltemperatur in der ersten 1-8 sec einer Klammer und die "Durchschnittswerts der Maxima 'innerhalb 0,5º der höchste Wert für die ersten 10, 15 und 20 sec an die aufgezeichnet Clip (dargestellt durch rote, blaue und grüne Linien, respectively). Alle Clips wurden 20 Sekunden in der Dauer (n = 9). Während der anfänglichen Analyse unter Verwendung einer größeren Datenmenge, wurden eine Reihe von "Mittel der Maxima 'von nur 1-Wert berechnet, und gab den gleichen Wert für rho über alle Vergleiche. Diese Clips wurden aus der Analyse entfernt, nur diejenigen, bei denen Mittel wurden von mehr als 3 Messungen berechnet verlassen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 4. Antwortder Augenregion Temperatur auf Trapping. Es gibt eine sehr klare und ausgeprägte Signal des Fangprozesses spiegelt sich in dem Wechsel der Blickbereich Temperatur über die Zeit. Um zwischen verschiedenen Personen, die in ihrer Grundlinientemperatur, Restaugenumgebung Temperatur variieren zu vergleichen, da die Differenz der Ist-Temperatur und dass einzelne Basislinientemperatur wird auf der vertikalen Achse aufgetragen. Dies wird gegen die Zeit mit dem Verschluss der Falle als 0 gesetzt, und der Vogel nach 3 min aus der Falle entfernt aufgetragen. Die rote Linie zeigt die durchschnittliche Resttemperatur und der graue Band stellt das 95% Konfidenzintervall. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Diskussion

Das Ziel dieser Arbeit ist, die erforderlich Methodik auf Veränderungen der Hauttemperatur eines frei lebenden Tier als Reaktion auf eine akute Stress Messung beschreiben. Diese Studie zeigte, dass die raschen Veränderungen der Hauttemperatur mit einer akuten Stress-Reaktion bei Wildvögeln verbunden sind, können nicht-invasiv mit IRT erfasst werden. Dieses Verfahren involviert fünf wichtigsten Stationen (1) Gestaltung geeigneter Ort mit einem sehr mobilen Wärmebildsystemaufbau, (2) Messung der Grundlinientemperatur, (3) Anwendung einer milden Stressoren mit der Erfassung der Vogel in der Set-up, (4) post hoc automatisierte Probenahme von Augenregion Temperatur und (5) die Kalibrierung der Temperaturdaten extrahiert. Die hier beschriebene Methodik wurde auf den Fang von wilden Blaumeisen angewendet. Repräsentative Baseline Augenregion Temperaturen könnte in weniger als 5 Sekunden erfasst werden. Die geschätzte Zeit erforderlich ist, um einen Vogel auf dem Gebiet Rekord wurde etwa 1 Stunde, mit einer weiteren Stunde erforderlich, um den Prozess3 min thermische Videosequenz.

Sammeln gute Daten über die Hauttemperatur eines Tieres erfordert hochwertige Wärmebilder. Wärmebildkameras unterscheiden sich nur grundlegend von sichtbarem Licht Kameras in Bezug auf die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die sie erkennen, und damit viele der Konzepte, die in der Fotografie gelten (zB Sichtfeld, Schärfentiefe) auch in Thermographie anzuwenden. Wie sie üblicherweise von Tierfotografen praktiziert, jeder Ort, dass ein Tier Besucher vorhersehbar, wo natürliche (zB Nistplätze) oder künstliche (zB Anleger), könnte für das Sammeln von Wärmebildern verwendet werden. Gewinnung von Tieren mit der Kamera anstatt zu versuchen, ihnen zu folgen, obwohl ihr Lebensraum hat den Vorteil, dass Sie uns, um die Kamera im Voraus einzurichten, um qualitativ hochwertiges Bild mit minimaler Störung einzuziehen, sobald das Tier in Sicht kommt. Bei diesem Ansatz ist es jedoch wichtig, um die Auswirkungen zu untersuchen oder Kontodass spezifischen Kontext der Messung an Stress oder Hauttemperatur. Zum Beispiel, hier, Vögel wurden in einem Fütterung Kontext gemessen und Essen wurde verwendet, um aktiv zu locken Blaumeisen in das Set-up. Forschung über Hühner legt nahe, dass akute positiven Erfahrungen, wie die Vorfreude und Konsums von Lebensmitteln Belohnung in einem assoziativen Lern Studie können auch niedrigere Augentemperatur 29. Als solches kann "Ausgangswerte" von Einzelpersonen Eingabe dieses bestimmten Satz von der Vereinigung von diesen Akt mit Belohnung beeinflusst werden. Diese Möglichkeit rechtfertigt weitere Untersuchungen, wenn auch, falls vorhanden, zu erwarten, dass die Tropfen aus den Ausgangswerten bereits bemerkt zu verbessern. Darüber hinaus tritt die Thermogenese mit der Verdauung der Nahrung, obwohl die spezifische Wirkung von Nahrungsmitteln während der Baseline-Messung verbraucht werden nicht erwartet, Temperatur deutlich erhöhen innerhalb der 3 min Fangperiode 30.

Diese Beschränkung betrachtet, Messung aller Tiere mitim gleichen Zusammenhang ist auch eine große Stärke dieses Ansatzes. Die repräsentativen Ergebnisse zeigten, dass es eine große Variation in der Augenregion Temperatur zwischen Individuen vor der akuten Stressfaktor angewandt wurde (Baseline Augenregion Temperatur). Die Variation in der Baseline Augentemperatur (Variationskoeffizient = 3,9%) konnte zum Teil auf Messfehler oder ein getreues Spiegelbild der zwischen individuelle Unterschiede sein. Die Periode der IRT-Kamera aufgezeichnet Temperatur des schwarzen Isolierband über 5 s, wenn das Band die Temperatur nicht ändern, wird der mittlere Variationskoeffizient betrug 0,26% (Bereich 0,08% bis 0,59%). Obwohl Messfehler ist wahrscheinlich, in einem fahrenden Vogel, größer zu sein es dennoch zeigt an, dass die meisten dieser Variation in Baseline-eye-Region Temperatur ist in der Tat zwischen den Individuen. Der Begriff der relativ kleinen Messfehler auf beweglichen Vögeln wird weiterhin durch die hohe Wiederholgenauigkeit der Augenumgebung Temperatur über 20 s während der Grundlinienmessungen unterstützt ( Abbildung 3). Durch die Steuerung für den Kontext, können wir sicherstellen, dass alle Vögel wurden in der gleichen Aktivität eingreift. Wir können auch Umweltbeiträge zum Zeitpunkt der Messung zwischen individuellen Schwankungen der Hauttemperatur, zum Beispiel, indem sichergestellt wird, dass der Ort ist von Störfaktoren einfallenden Strahlung geschützt, die, für Wärmebild, zu einer Überschätzung der Oberflächentemperatur des Tieres führen würde, zu minimieren . Dies kann mit der Arbeit in den Schatten oder durch strategisch platzierte Farbtöne, darunter die meisten transparenten Kunststoffen, die Infrarot-Wellenlänge zu blockieren erfolgen. Die hier vorgestellte Protokoll zeigt ein einfaches Set-up, die leicht auf die Situation der überwinternden Blaumeisen angewandt werden könnten. Die Blaumeise wurde, während in einem Futterkasten mit einem festen Dach, das die direkte Sonneneinstrahlung vermieden gefilmt. Dieser Aufbau kann auch auf viele andere Singvögel, die regelmäßig zu künstlichen Futter zu bestimmten Zeiten des Jahres kommen, angewendet werden. Als Blaumeisen sind vergleichsweise kleine Tiere, siemüssen Nahaufnahme gefilmt werden, um ein hohes Maß an Detail zu erfassen. Wie bei Fotokameras, immer nah an den Themen - sowohl in Bezug auf tatsächliche Abstand und Vergrößerung - drastisch reduziert Schärfentiefe. Um die Vögel so groß wie möglich in das Blickfeld haben die Dreharbeiten benötigt sie vor der Kamera Naheinstellgrenze, das war in diesem Fall 500 mm und weniger Schärfentiefe bis 40 mm. Deshalb sind alle Merkmale der Dreharbeiten zu Set-up müssen entwickelt, um die Tiere zu ermutigen, ihren Kopf in der relativ schmalen Zone der Schärfe des jeweiligen Kamera anzuzeigen.

In Reaktion auf eine etablierte akuten leichten Stressor zu einem Tier zu erwarten wir schnelle Änderungen in dem Muster des Blutflusses von der Peripherie mit dem Kern über sympathetically vermittelte Vasokonstriktion, die Hauttemperatur 17 reduziert. Die Periorbitalregion gewählt werden, da dieser lediglich die Region des Körpers, die nicht isolierte war und ist assoabgeschrieben mit einer reichen vermischten Netzwerk von kleinen Blutgefäßen, Rete ophthalmicum, die den Wärmeverlust aus dem Auge 31 beeinflussen können. Schnelle Bildrate des thermischen videoing Technik konnte ein Rückgang der Augenumgebung Temperatur von etwa 2 ° C in 10 sec, gefolgt von einer anschließenden Erhöhung der Temperatur zu zeigen, innerhalb von 0,5 ° C des Ausgangswertes innerhalb von 3 min. Obwohl Peripheriekühlung in Reaktion auf milden Stress zuvor bei etwa 1 min Intervallen 17,26, 32 aufgezeichnet worden ist, hier zeigte die Technik, die maximale Temperaturabfall kann extrem schnell sein. Mit niedrigeren Zeitauflösung die Größe dieses Effektes kann verpasst werden. Dies kann wichtig sein bei einem Vergleich die Unterschiede in der Reaktion auf Stress verschiedener Individuen. Die Wiedererwärmung des Vogels nach dem schnellen "Kampf oder Flucht" Reaktion nicht auf die Grundlinie Ebene zurückzukehren, wie der Vogel blieb in der Box anzeigt, dass der Vogel blieb physiologisch betont. Die Vögel waren Released von der Versuchsanordnung nach einem willkürlich gewählten Cut-off-Punkt von ca. 3 min die Zeit der Zurückhaltung eines frei lebenden Tier zu minimieren. Doch in Zukunft müssen Studien mehr zu sein, um den kompletten Temperaturverhalten aufzeichnen, bis Augenregion Temperatur des Tieres wurde auf Basisniveau zurückkehrte, wenn logistisch möglich ist.

Dieses neue Protokoll die eine Reihe von Bildern vor und nach der Stressor wurde nun aufgetragen gesammelt ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Dynamik der Antwort auf akuten Stress, und Vergleiche der mehreren Zeitpunkten zwischen den einzelnen Tieren. Wiederholung dieser Studie innerhalb der Individuen über verschiedene Jahreszeiten oder Umweltbedingungen kann damit die Auswirkungen der Umwelt auf die Grundlinie oder post-akuten Stress Hauttemperatur zu entwirren, als ein möglicher Weg in die chronischem Stress Beurteilung als gut. .

Hauttemperatur eines Vogels ist nicht nur abhängig von metabolische Wärmeproduktion undDurchblutung, sondern auch auf den Wärmeaustausch aus der Sonnenstrahlung, Windgeschwindigkeit und Netz 25. Dies schließt nassen und windigen Bedingungen vom genaue thermografischen Aufnahmen. Die Augenregion Temperatur durch eine Wärmebildkamera aufgenommen wurden, können manchmal unterschätzt werden (negativer Fehler) oder überschätzt (positiver Fehler). Erhebliche positive Fehler Energie benötigt würde, aber diese wurde von der Vogel in der Fütterung box vermieden, die von der Sonne abgeschirmt. Eine andere Quelle von positiven Fehler enthalten, wenn der Vogel blinzelte. Gelegentlich wird der Vogel kurz zieht seine Nickhaut über dem Auge-Region und als es intern bei einer Temperatur näher an der Körperkern gespeichert, Blinken gibt einen anomal hohen Temperaturwert, falls sich der Augapfel abdeckt. Dies wird jedoch leicht erkannt, da es eine sehr starke Unterblätter und der betroffenen Rahmen entfernt werden kann. Der Hauptgrund für einen negativen Fehler in unseren Unterlagen war der Bewegungsunschärfe. Jede Bewegung zu schnell, um shar erfasst werdenLage von der Bildrate der Kamera verwirrt die von der kleinen warmen Blickbereich des Bildes mit der des umgebenden kühlen Ort (Motion Blur) erfassten Daten, was zu einer Unterschätzung der Augenregion Temperatur. So nach dem Entfernen positive Fehler das macht die maximale Temperatur aus dem Auge-Bereich gemessen die genaueste Messung und eine automatisierte Filterung unter Verwendung des Peaks Funktion Befehl entfernt die weniger wahrscheinlich, niedrigere Werte des maximalen Blick Region Temperaturen.

Darüber hinaus, wie Infrarotstrahlung wird durch den Wasserdampf absorbiert wird, die Oberflächentemperatur erfasst wird durch die relative Feuchtigkeit der Umgebung beeinflußt werden. Dies kann durch Eingabe der Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und die Entfernung, in der analytischen Wärmebildanalyse-Software Objekt berücksichtigt werden. Ist eine genauere und effizientere Vorgehensweise (wie hier durchgeführt) Um jedoch einen Referenzkörper mit bekannter Temperatur und Emissionsgrad im Blickfeld sind. In unserem Fall wareine quadratische von schwarzem Isolierband mit einem Emissionsvermögen von 0,97, die in etwa äquivalent zu der natürlichen Hülle 33 ist. Dies ermöglicht die Kalibrierung der Blickbereich Temperatur durch Verwendung der Differenz zwischen den tatsächlichen und thermische zur Isolierband gemessene Abbildungs ​​abgeleiteten Temperaturwerte. Die Oberflächentemperatur des schwarzen Körpers können dann verwendet werden, um Bilder kontinuierlich während der Messperiode zu kalibrieren.

Dank dem technischen Fortschritt in der Entwicklung der Wärmebildkameras können sie nun als kleine leichte Kameras in der Lage, viele Frames pro Sekunde über einen längeren Zeitraum zu sammeln eingesetzt werden. Obwohl Wärmebild ist eine weit verbreitete Technik in der Vogelforschung 25, haben Größe und Kosten der Wärmebildsysteme ihre Verwendung in der freien Wildbahn beschränkt. In dieser Studie war das System sehr portabel, kostet ca. £ 6.000 und bereitgestellt hochauflösende Wärme Video in der Lage, nicht-invasive Erfassung genaue temperatur Daten von freilebenden Tieren, ohne die Notwendigkeit der Handhabung Vögel. Aufzeichnung mit mehreren Bildern pro Sekunde erlaubt Messungen von hochauflösenden Zeitreihen der peripheren Temperatur und damit bietet die Möglichkeit, die Dynamik der akuten Stressreaktion zu erkunden. Dies ist schwierig, mit dem herkömmlichen Glucocorticoid Probe, die von der Anzahl der Proben, die innerhalb einer Zeitdauer genommen werden kann beschränkt ist erzielen. Hier haben wir eine Zeitreihe der Augenumgebung Temperatur in einem Intervall von 1 s, was ausreicht, um den Blickbereich Temperatur als Reaktion auf eine akute Stress (capture) zu demonstrieren wurde extrahiert, aber höhere zeitliche Auflösung wäre auch möglich. Die Anhäufung von einer großen Anzahl von Bildern, erfordert jedoch einen gewissen Grad an Automatisierung bei der Extraktion von Information aus den Bildern. Das Protokoll beschreibt einen einfachen halbautomatisierten Prozess, um die maximale Temperatur von jedem Bild zu extrahieren. Wir waren in der Lage, dies als die Region von Interesse zu tun, das Auge-region, war immer der wärmste Ort in dem Bild. Analyse könnte problematisch sein, wenn Bereiche von Interesse sind komplexer und erfordern kundenspezifischen Mustererkennungssoftware (zB 34). In dieser Studie wurde einige manuelle Filterung für Situationen, in denen das Auge-Region Temperatur über- oder unterschätzt aber diese waren leicht zu erkennen nötig, aber natürlich weitere Automatisierung wünschenswert. Die Messungen der stressinduzierten peripheren Kühlung durch Wärmebild stellt eine wertvolle Ergänzung zu anderen physiologische Messungen von Spannung und der Nicht-invasive Aspekt dieser Technik für weitere Studien mit unverlierbaren und wilde Tiere in hohem Maße vorteilhaft ist.

Erfassung der kompletten Stress-Reaktion hat die Infrarot-Thermografie eindeutig ein großes Potenzial als Instrument zur Stressbewertung. Um eine nicht-invasive Alternative zu etablierten hormonelle und Kerntemperatur Assays obwohl zu werden, wird es notwendig sein, um die Kreuzvalidierung unter diesen Maßnahmen undfestzustellen, ob die Hauttemperatur zeigt die gleiche Verhältnismäßigkeit mit Stressintensität, dh, kann das Ausmaß der Hauttemperatur als Reaktion die Stärke der Stressor zu reflektieren. Zukünftige Forschung sollte sich auch, ob die Hauttemperatur erfasst chronischem Stress. Während SIH als Reaktion auf eine akute Stress voraussichtlich transienten wiederkehrende Belastung durch physische oder psychische Stressoren akuten kann chronische Erhöhung der Körpertemperatur 35,36 zu erzeugen. Ob laufende Vasokonstriktion trägt zu diesem Kernhöhen nicht explizit getestet. , Korrelative Studien am Menschen mit chronischen Stress-Krankheit zu tun Allerdings zeigen eingeschränkter Fingertemperaturen 37. Eine letzte Attribut, um zu erkunden, ist Valenz: die Fähigkeit, positive von negativen Ereignissen zu unterscheiden. Hormon-Assays nicht unterscheiden kann, Wertigkeit 5, mit Glukokortikoid-Ebenen erscheinen, um Erregungsniveau eher als Stress gezielt zu reflektieren. Forschung über Kamm Launetur beim Haushuhn zu aversiven und positive Impulse ausgesetzt vorschlagen Hauttemperatur kann in ähnlicher Weise verwandt mit allgemeinen Erregung 22,29 sein. Doch bei Menschen, verschiedene emotionale Zustände hervorrufen regional spezifischen Veränderungen der Hauttemperatur, zum Beispiel periorbitalen Erwärmung und Kühlung Wange, wenn sie erschreckt 38, aber insgesamt verringerte Hauttemperatur beim Lachen 39. Vergleiche zwischen verschiedenen Regionen möglicherweise noch offenbaren emotionalen Zustand. Mit den in diesem Papier festgelegten Empfehlungen, wird es möglich sein, alle diese Fragen zu beantworten, und bestätigen Sie die Hauttemperatur als nicht-invasive Marker für Stress.

Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde durch ein BBSRC-Projektstipendium an DMcK, DMcC und RGN (BB/K002775/1) und ein PhD-Praktikum [an JP, BB/J013854/1] unterstützt. Wir danken für die fantastische Beratung zu technischer Ausrüstung und Feldtechniken, die wir während des gesamten Projekts von Nozrat Mirzai (Bioelectronics Unit University of Glasgow), Ross McLeod und Matthew Clavey (ThermalVision Research) sowie von SCENE für ihre logistische Unterstützung der Feldarbeit erhalten haben. Wir möchten uns auch bei Debbie Kelton von Veracity für die großzügige Bereitstellung von Geräten bedanken, die für die Stromversorgung der Wärmebildkamera vor Ort verwendet werden.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
WärmebildkameraFLIRA65 (f=25 mm)Kompakt (106 x 40 x 43 mm) und kostengünstig
Wärmebildanalyse-SoftwareFLIRResearchIR v3.4Ermöglicht Hochgeschwindigkeits-Wärmebildaufzeichnungen und Wärmemusteranalysen
TemperaturloggerGemini DatenloggerTinytag Talk 2 TK-4023-PKÜberwacht von -40 bis +125 ° C mit begleitendem Temperaturfühler

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