Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Thermal Imaging Stress Non-invasief in Ongeremde Vogels Studie

Published: November 6, 2015 doi: 10.3791/53184
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Institute of Biodiversity, Animal Health and Comparative Medicine, College of Medical, Veterinary & Life Sciences, University of Glasgow

Summary

Er is behoefte aan een niet-invasieve bepaling van stress. Dit document beschrijft een eenvoudig protocol met behulp van thermische beeldvorming om een ​​significante respons in het oog-regio temperatuur in wilde pimpelmezen een milde acute stressor detecteren.

Abstract

Stress, een centraal begrip in de biologie, beschrijft een suite van noodmaatregelen in geval van problemen. Onder andere reacties, stress leidt tot een verandering in bloedstroming die resulteert in een netto instroom van bloed naar belangrijke organen en een verhoging van de kerntemperatuur. Deze stress geïnduceerde hyperthermie wordt gebruikt om stress te beoordelen. Echter, het meten kerntemperatuur is invasief. Zoals bloedstroom worden doorgestuurd naar de kern, kan de omtrek van het lichaam af te koelen. Dit document beschrijft een protocol waar de perifere lichaamstemperatuur niet-invasief wordt gemeten in het wild pimpelmezen (Cyanistes caeruleus) met behulp van infrarood thermografie. In het veld creëerden we een opstelling waardoor de vogels een ideale positie voor de camera door een aas vak. De camera neemt een korte thermische video-opname van de ongestoorde vogels voordat een milde stressor (sluiten van de doos en derhalve vastleggen van de vogel), en de reactie van de vogel te worden opgesloten is opgenomen. De naakte huid van de eye-regio is dewarmste gebied in de afbeelding. Dit maakt een geautomatiseerde extractie van de maximale oog-regio temperatuur van elk beeldframe, gevolgd door verdere stappen van de handmatige data filteren van het verwijderen van de meest voorkomende oorzaken van fouten (motion blur, knipperen). Dit protocol voorziet in een tijdreeks van eye-regio temperatuur met een fijne temporele resolutie die ons in staat stelt om de dynamiek van de stress respons niet-invasief te bestuderen. Verder moet de bruikbaarheid van de methode aan te tonen om stress te beoordelen, bijvoorbeeld om te onderzoeken of eye-regio temperatuurreactie is evenredig met de sterkte van de stressor. Als dit kan worden bevestigd, zal het een waardevolle alternatieve methode van stress evaluatie verstrekken dieren en zal nuttig zijn om een ​​breed scala van onderzoekers van ecologen, behoud biologen, fysiologen om dierenwelzijn onderzoekers.

Introduction

Stress is een centraal begrip in de biologie, beschrijven de BHV van een organisme in antwoord op een milieu-uitdagingen probeert te herstellen homeostase 1,2. Onder stress bloedglucose, vetzuren en aminozuren niveaus, hartslag, ademhaling en stofwisseling alle verhogen en bloed onttrokken van de periferie naar de kern organen 2. Deze algemene patroon van fysiologische veranderingen priemgetallen het dier kunnen snel en adaptief te reageren op een reeks sociale en fysiologische problemen. Terwijl het herkennen en begrijpen van stress is in het hart van zowel zuiver en toegepast onderzoek dieren, het beoordelen van stress bij ongebreidelde dieren blijft een uitdaging.

Een veel gebruikte marker fysiologische stress een verhoging van de niveaus van circulerende glucocorticoïde hormonen zoals cortisol en corticosteron 1,2. Een grote kracht van deze aanpak is dat de concentraties verhogen in verhouding tot de intensiteit stressor, waardoor spanning te kwantificeren. Echter, glucocorticoïden niet "spanning" hormonen per se, maar mobilisers van energievoorraden 2. Als zodanig glucocorticoïde niveaus verandert ook energiebehoefte, het tijdstip, de leeftijd en voortplantingsstatus 3,4, en in reactie op schijnbaar positieve situaties, zoals paring kans 5. Glucocorticoïde niveaus, moeten derhalve voorzichtig binnen een context uitgelegd. Het meten van de glucocorticoïde respons op acute stress heeft ook een aantal beperkingen. Een acute stressor triggers een dynamische respons van de aanvankelijk toenemende glucocorticoïden niveaus en vervolgens terug te keren naar een basisniveau 1,2. Glucocorticoïden monsters zijn meestal invasief verkregen door bloedafname dat is een stressor op zich en kan daarom invloed hebben op de gemeten niveaus glucocorticoïden 6. Bovendien glucocorticoïd niveaus kan alleen worden gemeten op één of zeer weinig tijd points, die kan niet vangen variatie in piekniveaus en timing of de duur van de respons, het beperken van ons vermogen om verandering te onderzoeken door de tijd van de dynamische stress respons binnen individuen. Niet-invasieve methoden voor hormoon bemonstering, zoals van uitwerpselen 7, haar of veren 8, meet de gemiddelde glucocorticoïde niveaus gedurende een langere tijdschaal, dagen of maanden, hoewel nuttig voor chronische stressoren bestuderen, niet van toepassing op de studie van de acute stress . Omdat zelfs de beste gevestigde methoden bieden slechts een beperkte kijk op variatie in acute stress bij individuen er behoefte aan een alternatieve methode in fysiologische stress metingen.

Als de stress respons omvat een aantal fysiologische effecten zijn er andere kandidaten die stress kunnen wijzen. Onder andere sympathisch gemedieerde vasoconstrictie kanalen bloed van de periferie naar het lichaamskern. Deze concentratie van bloed en dus warmte, samen met diverse vormens van stress-geïnduceerde thermogenese, verwarmt de kern 9. Als zodanig kern verwarmen, aangeduid door stress geïnduceerde hyperthermie (SIH) is ook gebruikt als een merker voor acute stress in farmaceutisch onderzoek 10. SIH verhoogt meestal de lichaamstemperatuur van 0,5-1,5 ° C binnen 10-15 minuten van een acute stressor 10. Het is een relatief goed gedocumenteerd verschijnsel dat een algemeen toegepaste experimentele stressor van het vangen en de behandeling van een dier kerntemperatuur van het lichaam in een reeks van zoogdieren en vogels 11 kan verhogen - 17. Belangrijker nog, SIH correleert met andere gevestigde indicatoren van stress, zoals hartslag 18, glucocorticoïd niveaus 19 en het gedrag van 20,21. En zoals glucocorticoïde niveaus kerntemperatuur is lineair gerelateerd aan level benadrukken sommige soorten 22. Zoals bij bloedafname, het meten van de kerntemperatuur is invasief zichzelf, waarbij de insertie or implantatie van een sonde 10. Baseline kerntemperatuur geleidelijk toeneemt telkens wanneer de stress inducerende behandeling of probe insertie worden herhaald 23. Recente ontwikkelingen in temperatuur controleapparaat waarmee toegang tot data kan op afstand een oplossing, althans voor grote dieren 24.

Binnen hetzelfde mechanisme dat SIH genereert, ligt echter nog andere potentiële marker stress: de perifere vasoconstrictie die bloed beweegt, en verwarmen, de kern tegelijkertijd koelt de huid 17. In tegenstelling tot de kerntemperatuur, kan huidtemperatuur volledig niet-invasief gemeten worden, door middel van infrarood thermografie (IRT). IRT zet de infrarode straling van het oppervlak van een voorwerp 25 temperatuur. Als het oppervlak van een dier heeft meestal enkele kale plekken van waaruit huidtemperatuur direct kan worden afgeleid, dat de toegang tot natuurlijke blootgestelde huid (bijv gebied rond t vereisthij oog) of het creëren van een kale patch door trimmen vacht of veren. Mits toegang tot een geschikte blootgestelde oppervlak van de huid en het dier op het gezichtsveld van de camera bewaard, kan IRT camera's worden gebruikt om continue huidtemperatuurmetingen afstand verzamelen, eventueel waarbij de volledige temperatuurreactie gefilmd worden en vergeleken tussen individuen . Hoewel reeds is aangetoond bij kippen die oppervlaktetemperatuur reageert op stress 26 acute, de nieuwheid van deze studie is dat het gemeten oppervlak lichaamstemperatuur van wilde dieren in een fijnere temporele resolutie dan eerdere studies en toont ook dat de verwachte huid temperatuurdaling kan worden gedetecteerd in het gebied waar de temperatuur, vochtigheid en weersomstandigheden zijn variabel. Het doel van dit artikel is om de nodige methodologie beschrijven huidtemperatuur van een ongedwongen dier met behulp van thermische beeldvorming te meten. We gebruiken capture om een milde acute stress induceren in vrijlevende pimpelmezen (Cyanistes caeruleus, Linnaeus 1758

De studie werd uitgevoerd in de periode tussen 17 uitgevoerd december 2013 en 4 e januari 2014 in een bladverliezende eik (Quercus spp.) Bos bij het ​​Schotse Centrum voor Ecologie en de Natural Environment (SCENE), de Universiteit van Glasgow in de oostelijke oever van Loch Lomond, het westen centrale Scotland (56,13 ° N 4.13 ° W). Het protocol bestaat uit drie stappen: (1) Het opzetten van geschikte omstandigheden waaronder thermische beelden van een loslopende dieren te vangen, (2) applying een acute stressor terwijl een thermische video, en (3) het extraheren en verwerken van de warmtebeelden die vervolgens kan worden gebruikt om de respons van het dier op de acute stressor karakteriseren. In ons geval trokken we een vrijlevende zangvogel, de pimpelmees een voerbox (filmen set-up) waar de omstandigheden voor het thermisch beeld vast te leggen werden geoptimaliseerd, en vervolgens toegepast een capture stress door het sluiten van de doos voeden afstand toen de vogel was in . De beschrijving van de thermische foto-opname en data-extractie is specifiek voor de apparatuur die we gebruiken, en kan variëren tussen de thermische beeldvormende systemen. Dataverwerking wordt beschreven aan de hand van een open-source software.

Protocol

Ethiek Verklaring:

De werkzaamheden een routine vangmethode van vrijlevende kleine zangvogels door de Britse Trust for Vogelonderzoek en de capture protocol uitlokken van een milde stress in de vogel goedgekeurd werd onder Britse ministerie van Binnenlandse Zaken licenties uitgevoerd.

1. Set-up voor het filmen

  1. Maak een film set-up waar vogels worden aangemoedigd om zich te positioneren in de voorkant van de camera (figuur 1). De vogel komt de opbouw door een opening in een eindwand en heeft toegang tot voedsel nabij het tegenoverliggende eindwand.
  2. Om de vogels aan de opzet gewennen, een geschikte voeding (bijv aardnootpitten) en feeder enkele weken vóór de opname. Afgezien van bepaling van het eten, laat de set-up ongestoord. Gedurende deze periode plaats een dummy statief voor de feeder zodat de vogels ook wennen aan de camera.
  3. Op de dag van opname verminderen availabiteit van aardnootpitten in de set-up door het verwijderen van alle resterende voedsel uit de feeder en te vervangen met voedsel in een transparante container met slechts een klein gat in het midden op de bovenkant waardoor vogels toegang tot het voedsel. Plaats deze voedselcontainer in het midden van de kooi aan het einde tegenover de ingang gat.
  4. Plaats een klein vierkant van zwarte isolatie tape van bekende emissiviteit met die van natuurlijk omhulsel in een van de hoeken van de mazen van de doos, zodat het lijkt in alle beelden. Bevestig de zwarte isolatie tape een thermokoppel verbonden met een temperatuur logger dat de temperatuur van de zwarte isolatie tape opnemen met een resolutie van 0,1 ° C per 1 sec.
  5. Plaats de thermische beeldcamera 50 cm van het centrum van de doos val zodat alle van de doos past binnen het gezichtsveld van de camera, en vogels voederen van de duidelijke container zal in de zone van de focus van de camera worden geplaatst. Sluit de camera aan op een laptop, zet de camera om beelden op te nemen in op het gemiddelde van 7,5 frames per seconde (met een tijdstempel), en stuur foto's naar de harde schijf van de laptop om daar gered te worden.
  6. Bevestig een vislijn aan de roterende deur van de set-up en rol het uit tot een positie waar de onderzoeker is het zicht onttrokken van de vogels, maar de set-up kan nog steeds worden waargenomen - ongeveer 20 m van de set-up.

2. Het filmen van de Bird's reactie op een milde acute stress

  1. Zodra een vogel komt in de doos voeden, laat de vogels ongestoord in de doos voor ca. 5 sec.
  2. Trek de vislijn na de vogel ca. 5 sec in de doos had doorgebracht om de doos te voeden sluiten. Zorg ervoor dat de vogel nog aan het uiteinde van de doos teneinde het gevaar voor verwonding van de vogel te minimaliseren.
  3. Onmiddellijk naderen het vak voeding en staan ​​roerloos achter de camera voor ongeveer 3 minuten. Vervolgens halen de vogel uit de doos en laat het gaan.
"> 3. Winning van Eye-regio Temperatuur van warmtebeelden

  1. Uittreksel maximale temperatuur van elk frame. Opmerking: De maximum temperatuur werd vrijwel altijd opgenomen binnen het gebied rond de ogen, begrensd door de blootgestelde huid van de periophthalmic ring (figuur 2) en wordt hierna eye-regio temperatuur.
    1. De Thermal Imaging Analyse software klik op rechts op de afbeelding, 'add' een nieuwe plot voor het beeld maximum. Klik vervolgens rechts op het perceel dat de gegevens (eye-regio de temperatuur en de tijd die het frame werd genomen) exporteert naar een CSV-bestand.
  2. Verwijderen uit het CSV-bestand alle lijnen van frames waar het oog-regio van de vogel niet zichtbaar was.
  3. Plot maximale temperatuur tegen de tijd in R 27, te identificeren met de hand wijst waar de temperatuur spikes> 0,2 ºC tussen twee opeenvolgende metingen bij de knipvlies werd getrokken over het oog (knipperend) en de punten met lage waarden outside het bereik van de lichaamstemperatuur voor vogels 28 (dat wil zeggen, wanneer het oog-regio was zichtbaar maar wazig door de beweging voor meerdere frames) en verwijder vervolgens de relevante regels uit het CSV-bestand geproduceerd tijdens stap 3.1.
  4. Meet omgevingstemperatuur.
    1. Download de data (tijd en temperatuur logger) van de temperatuur logger op een computer en exporteren in een spreadsheet.
    2. Om de omgevingstemperatuur van het thermische beeld te krijgen, in de Thermal Image Analysis Software trek een vierkant over de zwarte isolatie tape dat de temperatuur logger sonde bedekt, klik rechts op het plein en selecteer 'add new plot' voor de gemiddelde temperatuur van het plein.
    3. Vervolgens met de rechtermuisknop op dat perceel, om de gegevens (tijd en IRT temperatuur) te exporteren naar een CSV-bestand. Samenvoegen van de twee resulterende temperatuur tijdreeksen voor temperatuur logger en thermisch beeld matching voor tijd in een spreadsheet.
  5. Juiste eye-regio temperature tegen omgevingstemperatuur. Het werkblad gemaakt in stap 3.4 in het CSV-bestand overeenkomen voor tijd te exporteren. Gemeten op hetzelfde moment - Elke resterende eye-regio temperatuur het verschil tussen de temperatuur logger en thermische imaging afgeleide temperatuurwaarden (IRT temp logger temp) toe.
  6. Het uitvoeren van geautomatiseerde filtering minder nauwkeurige lage eye-regio temperatuur waarden met behulp van de piek zoekalgoritme (zie Aanvullende Code File) naar het hoogste (en dus meest nauwkeurige) punten in de gegevens automatisch te extraheren verwijderen.
    Opmerking: De piek zoekalgoritme ordent de temperatuurgegevens in een vector met een door de gebruiker gedefinieerde breedte (bereik), aanbevolen overspanning = 3, het extraheren van de middenwaarde in rijen waar de nummers weerszijden lager, dat wil zeggen, de pieken.
  7. Met lineaire interpolatie om de hiaten buurt sequenties indien geen piek werd geëxtraheerd, en wanneer het oog-gebied was niet zichtbaar. Gebruik de opdracht na.approx (dierentuin pakket v1.7-11 in R 27) aan één temperatuurwaarde per seconde voor elk individu geven.
  8. In het CVS gegevensbestand, voeg een waarde van 0,2 voor elk oog-regio temperatuur te corrigeren voor het effect van het nemen van de foto door een maas.
    Opmerking: Tests hebben uitgewezen dat wanneer een zwart lichaam, verhit te benaderen betekenen vogel lichaamstemperatuur van ~ 41 ° C in zijn actieve fase 28 werd afgebeeld door de mazen met dezelfde maaswijdte zoals gebruikt in de film set-up temperaturen opgenomen door de warmtebeeldcamera in gebieden die niet verduisterd door de draden waren 0,2 ° C lager dan de waarden die u zonder de tussenliggende mesh (gemiddelde verschil = -0,2 ºC ± 0,085 SD, n = 30, temperatuurbereik van zwarte body = 41,6-42,5 ºC).
    Opmerking: Dit is de correctiefactor die specifiek zijn voor de omstandigheden in deze studie en kan variëren met de instrument te maken, en het type en de breedte van het gaas tussen het dier en de camera, en in elke situatie moet worden vastgesteld voor de specifieke studie condities.
  9. Van de maximale oog-regio temperaturen opgetekend van voor het vak werd gesloten selecteert de hoogste waarde, waarmee de basislijn eye-regio temperatuur van de ongestoorde vogels zullen vormen. Voeg deze basislijn eye-regio temperatuur als een nieuwe kolom aan de CVS-bestand (baseline). Aftrekken dan de uitgangswaarde van elkaar behouden maximale eye-regio temperatuur waarde, het genereren van een nieuwe kolom in het CVS bestand.
    Opmerking: deze nieuwe waarde nu uiten reactie van de vogel tot milde acute stress als afwijking van de ongestoorde basislijn temperatuur.
  10. Plot van de afwijkingen in maximale eye-regio temperatuur van de basislijn eye-regio temperatuur van alle personen uit na de val werd afgesloten met de opdracht ggplot (pakket ggplot2 v1.0.0 in R 27). Genereren bootstrap 95% betrouwbaarheidsintervallen met de optie mean_cl_boot (pakket ggplot2 v1.0.0 in R 27). Voor meer informatie zie de Aanvullende Code File.

Representative Results

Resultaten uit 9 vrijlevende pimpelmezen worden gepresenteerd dat de informatie die kan worden verkregen uit thermische beeldvorming en aantonen dat de voorspelde signaal van stress in het oog-regio de temperatuur van de vogel kan worden gedetecteerd in de vrije opgezette dieren te illustreren. Elke vogel werd gefilmd voor een gemiddelde van 5,1 ± 0,9 sec (n = 9) voor het vak 'deur gesloten was. Hierdoor kon de berekening van eye-regio temperatuur ongestoorde vogel (basistemperatuur) waaraan alle verdere maatregelen kan worden aangeduid. In tests uitgevoerd op 20 sec thermische videoclips van ongestoorde pimpelmezen aankomen en het voeden in een val (n = 9 vogels verschillen van die welke worden gebruikt voor de toepassing van een milde stressor), correlaties van r> 0,7 bleken te bestaan ​​tussen de maximale opgenomen eye-regio temperatuur tijdens de eerste 5 seconden, en het maximum in het eerste 10, 15 en 20 seconden (Figuur 3). Dit werd geïnterpreteerd als een aanwijzing dat de maximale vaLue opgenomen in de eerste paar seconden na de val binnenkomst was representatief voor de langere termijn niveau, en het gemiddelde oog-regio temperatuur gedurende ongeveer 5 seconden onmiddellijk voorafgaand doos sluiting werden gebruikt als de basislijn waarde. De pimpelmezen in deze steekproef hadden een gemiddelde uitgangswaarde eye-regio temperatuur van 38,4 ± 0,5 ° C (gemiddelde ± SE) en varieerde 35,8-39,9 ° C (n = 9). Wanneer de vogel gevoed gedurende 5 seconden de berekening van de basislijn eye-regio temperatuur mogelijk te maken, werd de box deur gesloten door de experimentator. Alle vogels gemerkt dat de sluiting van de doos zoals blijkt uit hun ontsnappingspoging vluchten.

Bij afsluiting van de val, de eye-regio temperatuur daalde snel en bereikte een minimum eye-regio temperatuur ~ 1,3 ° C beneden de basistemperatuur na ~ 10 seconden (Figuur 4). Figuur 4 toont de samengestelde curve op basis van de maximale oog- regio temperatuur van alle negen personen gemiddeld voor elke seconde. Als detiming en de omvang van het oog-regio temperatuurdaling varieert tussen individuen de samengestelde kromme maskeert de ware omvang van de temperatuurreactie. De gemiddelde temperatuurdaling berekend voor elk afzonderlijk is 2,0 ± 0,2 ° C en het laagste punt bereikt na 9,4 ± 2,8 sec (gemiddelde ± SE). Vanaf dan, oog-regio temperatuur geleidelijk terug in de richting van de basislijn eye-regio temperatuur gedurende de volgende 2-3 min, maar niet helemaal de basislijn te bereiken tegen het einde van de proef.

Figuur 1
Figuur 1. De film arena. De opzet in het veld is bedoeld om de vogels aan het gezichtsveld van de camera, waar een milde acute stressor kan worden toegepast aantrekken behulp Voederbox. De set-up bestond uit een 25 bij 14 cm en 16,5 cm hoog doos gebouwd van multiplex, met een frontpaneel van gegalvaniseerd gaas met een opening size van 1 bij 2,5 cm. Het gaas laat infraroodstraling te passeren, waardoor het mogelijk is om de vogels, terwijl in de set-up te filmen. Gazen gekozen, glas en de meeste kunststoffen niet infraroodstraling uitzenden. Een gat van 60 mm werd gesneden in de linker eindwand vogel zodat invoeren van de opzet en de toegang tot het voedsel geplaatst aan het rechteruiteinde van de doos te krijgen. Een temperatuur logger probe ingeklemd tussen twee pleinen van zwarte isolatie tape (gemarkeerd met zwarte pijl) aan de rechter bovenhoek van het voorpaneel om een ​​referentie temperatuur opnemen bevestigd. De milde acute stress wordt uitgeoefend op de binnen vogel door het sluiten van de doos. Trekken op een vislijn vastgemaakt aan een roterende deur bij de ingang gat toegestaan ​​de experimentator om de doos te sluiten wanneer een vogel is binnen. De warmtebeeldcamera in de voorkant van de val registreert de hele reeks van gebeurtenissen. Klik hier om een grotere versie te bekijken of dit cijfer.

Figuur 2
Figuur 2. Thermische Afbeelding van een Blue Tit. De meeste lichaam passerinevogel is goed geïsoleerd door veren (of in mindere mate door been schaal), maar de huid rond de ogen wordt blootgelegd en straalt meeste warmte onder normale omstandigheden, en omgeven door koelere omhulsel of achtergrond. Dit is te zien in dit beeld thermische door de gele kleur (hoogste temperatuur) rond de ogen, de oranje, rood, paars en blauw kleuren betekenen koeler en koelere temperaturen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3. herhaalbaarheid van de baseline temperatuur gemeten over verschillende tijdsperioden. Correlatiecoëfficiënten tussen het maximum in het eerste 1-8 seconden van een clip en de "gemiddelde van de maxima" in 0,5 ° van de hoogste gemeten voor de eerste 10, 15 en 20 sec van de waarde temperatuur clip (vertegenwoordigd door de rode, blauwe en groene lijnen, respectievelijk). Alle fragmenten werden 20 sec duur (n = 9). Tijdens eerste analyse met grotere dataset, een aantal 'middels de maxima werden berekend uit slechts 1 waarde en gaven dezelfde waarde voor rho voor alle vergelijkingen. Deze clips werden verwijderd uit de analyse, alleen die waar de middelen werden berekend op basis van meer dan 3 metingen verlaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4
Figuur 4. Responsevan het eye-regio temperatuur trapping. Er is een zeer duidelijk en uitgesproken signaal van de vangst, weerspiegeld in de verandering van eye-regio temperatuur in de tijd. Ter vergelijking tussen individuen die verschillen in hun basistemperatuur, residuele eye-regio temperatuur, als het verschil van de actuele temperatuur en basistemperatuur van die persoon wordt uitgezet op de verticale as. Dit is uitgezet tegen de tijd met de sluiting van de termijn als 0 vangen en de vogel uit de val na 3 min. De rode lijn geeft de gemiddelde resterende temperatuur en de grijze band geeft het 95% betrouwbaarheidsinterval. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Het doel van dit document is de nodige methodologie voor veranderingen in huidtemperatuur van vrijlevende dieren te meten in reactie op een acute stressor omschrijven. Deze studie toonde aan dat de snelle veranderingen in de temperatuur van de huid geassocieerd met een acute stress respons in het wild levende vogels niet-invasief kan worden vastgelegd met behulp van IRT. Deze procedure betrokken zijn vijf belangrijke fasen (1) het ontwerp van het betreffende veld set-up met behulp van een zeer draagbare thermische beeldvorming systeem, (2) het meten van de baseline temperatuur, (3) de toepassing van een milde stressor met het vastleggen van de vogel in de set-up, (4) post hoc geautomatiseerde bemonstering van eye-regio temperatuur en (5) kalibratie van onttrokken temperatuurgegevens. De hier beschreven methode werd toegepast op de vangst van wilde pimpelmezen. Representatieve basislijn eye-regio temperaturen kunnen worden vastgelegd in slechts 5 sec. De geschatte tijd die nodig is om een ​​vogel te nemen in het veld was ongeveer 1 uur, met een uur nodig om het te verwerken3 min thermische videoreeks.

Verzamelen van goede gegevens over de temperatuur van de huid van een dier vereist thermische beelden van hoge kwaliteit. Warmtebeeldcamera's alleen verschillen fundamenteel van zichtbaar licht camera's in termen van de golflengte van de elektromagnetische straling die ze op te sporen, en dus veel van de concepten die van toepassing zijn in de fotografie (bijvoorbeeld gezichtsveld, scherptediepte) ook van toepassing op thermografie. Zoals algemeen toegepast door wildfotografen elke locatie die een dier bezoeken voorspelbaar kunnen natuurlijke (bijv nest sites) of kunstmatig (bijvoorbeeld feeders), kunnen worden gebruikt voor het verzamelen van warmtebeelden. Het aantrekken van dieren naar de camera in plaats van een poging om hen te volgen hoewel hun leefgebied heeft het voordeel dat we het opzetten van de camera van tevoren, van hoge beeldkwaliteit met een minimale verstoring te verzamelen, zodra het dier komt in zicht. Echter, met deze aanpak, is het van belang om te onderzoeken of de rekening voor de effecten van dedeze specifieke context van de meting op stress of huidtemperatuur. Bijvoorbeeld, hier, vogels werden gemeten in een voeding context, en voedsel werd gebruikt om actief te lokken pimpelmezen in de set-up. Onderzoek naar kippen blijkt dat acute positieve ervaringen, zoals het anticiperen op en consumptie van een levensmiddel beloning in een associatief leren proces kan ook lager oog temperatuur 29. Als zodanig kan 'basisniveaus' van individuen die deze bijzondere set-up worden beïnvloed door de vereniging van deze wet met de beloning. Deze mogelijkheid rechtvaardigt verder onderzoek, maar indien aanwezig, wordt verwacht dat de daling van basisniveaus reeds opgemerkt verbeteren. Bovendien thermogenese voordoet met de vertering van voedsel, hoewel de specifieke effecten van voedsel geconsumeerd tijdens de nulmeting niet zullen naar verwachting aanzienlijk verhogen temperatuur binnen de 3 min trapping periode van 30.

Deze beperking beschouwd, meten alle dieren metin dezelfde context is ook een grote kracht van deze aanpak. De representatieve resultaten toonden aan dat er een grote variatie in eye-regio temperatuur tussen individuen voor de acute stressor werd toegepast (basislijn eye-regio temperatuur). De variatie in de basislijn temperatuur oog (variatiecoëfficiënt = 3,9%) zou kunnen zijn deels te wijten aan meetfout of een waarheidsgetrouwe weergave van de tussen-individuele verschillen. De periode van de IRT camera gemeten temperatuur van de zwarte isolatie tape over 5 sec als de temperatuur van de band is niet veranderd, de gemiddelde variatiecoëfficiënt was 0,26% (bereik 0,08% tot 0,59%). Hoewel meetfout waarschijnlijk groter in een bewegend vogel het niettemin aan dat de meeste van deze variatie in de basislijn eye-regio temperatuur inderdaad tussen individuen. De notie van relatief kleine meetfout op bewegende vogels wordt verder ondersteund door de hoge herhaalbaarheid van eye-regio temperatuur van meer dan 20 seconden tijdens de nulmetingen (

In reactie op een gevestigde acute milde stressor een dier verwachtten we snelle veranderingen in het patroon van bloedstroom, van de periferie naar de kern via sympathisch gemedieerde vasoconstrictie die huidtemperatuur 17 vermindert. De periorbital gebied werd gekozen als dit ontvangen de enige regio van het lichaam dat ongeïsoleerde was en aasciated met een rijke vermengde netwerk van kleine bloedvaten, de rete ophthalmicum dat kan invloed hebben op het warmteverlies uit het oog 31. De hoge beeldsnelheid van de warmte te filmen techniek kon een daling eye-regio temperatuur van ongeveer 2 ° C in 10 seconden, gevolgd door een daaropvolgende stijging van de temperatuur laten zien binnen 0,5 ° C van de basislijn binnen 3 min. Hoewel perifere koeling in reactie op milde stress eerder is ongeveer 1 minuut intervallen 17,26, 32, de techniek hier bleek dat maximum temperatuurdaling uiterst snel kan zijn. Met lagere keer de resolutie van de omvang van dit effect kan worden gemist. Dit kan belangrijk zijn bij het vergelijken van verschillen in de stressrespons van verschillende individuen. De re-opwarming van de vogel na de snelle 'fight or flight' reactie niet terug naar de basislijn niveau als de vogel bleef binnen het vakje aan te geven dat de vogel bleef fysiologisch benadrukt. De vogels waren vrijlatingd van de experimentele set-up na een willekeurig gekozen afkappunt van ca. 3 min aan de periode van terughoudendheid van een vrij levende dieren zoveel mogelijk te beperken. Echter, in de toekomst, kan proeven moeten langer aan de volledige temperatuur respons opnemen tot eye-regio temperatuur van het dier als logistiek mogelijk is teruggekeerd naar de uitgangswaarde niveau.

Dit nieuwe protocol met een reeks beelden voor en na de stressor was nu toegepast verzameld maakt gedetailleerde studie van de dynamiek van de respons op acute stress, en vergelijkingen van meerdere tijdstippen tussen individuele dieren. Het herhalen van dit onderzoek binnen individuen over verschillende seizoenen of omgevingsomstandigheden kunnen toestaan ​​dat de effecten van de omgeving op de baseline of post-acute temperatuur stress-huid worden ontward, als een mogelijke weg naar chronische stress evaluatie ook. .

Huidtemperatuur van een vogel is niet alleen afhankelijk metabole warmteproductie endoorbloeding, maar ook op de warmte-uitwisseling van zonnestraling, windsnelheid en bevochtiging 25. Dit sluit natte en winderige omstandigheden van accurate thermografische opnames. Het oog-streek temperatuur geregistreerd door een warmtebeeldcamera kan soms onderschat worden (negatieve fout) of overschat (positieve fout). Substantiële positieve fout zou energie-input nodig, maar dit werd vermeden door de vogel in het vak voeding wordt afgeschermd van de zon. Een andere bron van positieve fout opgenomen wanneer de vogel knipperde. Soms de vogel trekt kort haar knipvlies via eye-gebied en wordt intern opgeslagen bij een temperatuur dichter bij die van de lichaamskern, knipperen geeft een abnormaal hoge temperatuur aangeeft wanneer de oogbal bedekt. Dit is echter gemakkelijk gedetecteerd aangezien het een zeer uitgesproken signatuur verlaat en de getroffen frame kan worden verwijderd. De belangrijkste reden voor een negatieve fout in onze administratie was motion blur. Elke beweging te snel worden vastgelegd sharply door de frame rate van de camera verwart de vastgelegde gegevens van de kleine warme eye-regio van de afbeelding met die van de omringende koele plaats (motion blur), wat resulteert in een onderschatting van eye-regio temperatuur. Dus na het verwijderen van positieve fouten maakt dit de maximale gemeten van de eye-regio temperatuur de meest nauwkeurige meting en een geautomatiseerde filtering met behulp van de pieken functie commando verwijdert het minder waarschijnlijk lagere waarden van de maximale oog-regio temperaturen.

Bovendien, zoals infrarode straling geabsorbeerd door waterdamp, oppervlaktewater geregistreerde temperatuur wordt beïnvloed door de relatieve vochtigheid van de omgeving. Dit kan voor worden verklaard door het invoeren van de lucht temperatuur, relatieve vochtigheid en de afstand tot object in de analytische Thermal Image Analysis Software. Echter, een nauwkeuriger en efficiëntere benadering (zoals hier plaatsvindt) is referentieorgaan van bekende temperatuur en emissiviteit omvatten binnen het gezichtsveld. In ons geval was diteen vierkant van zwarte isolatie tape met een emissiviteit van 0,97, wat ongeveer gelijk aan die van natuurlijke omhulling 33. Dit maakt het kalibreren van de eye-regio temperatuur door het verschil tussen de werkelijke en thermische beeldvorming afgeleide temperatuurwaarden gemeten voor de isolatieband. De oppervlaktetemperatuur van het zwarte lichaam kan vervolgens worden gebruikt om beelden continu ijken gedurende de meetperiode.

Dankzij de technologische vooruitgang in de ontwikkeling van de thermische camera kunnen nu worden ingezet als kleine lichtgewicht camera's kunnen veel frames per seconde over langere tijd verzamelen. Hoewel thermische beeldvorming is een veel gebruikte techniek aviaire onderzoek 25 zijn omvang en kosten van thermische beeldvormende systemen voor het gebruik in het wild beperkt. In deze studie was het systeem zeer draagbaar, kost ong. £ 6000 en voorzien van een hoge resolutie thermische video staat niet-invasieve vastleggen nauwkeurig temperature data van vrijlevende dieren zonder verwerken vogels. Opnemen op meerdere frames per seconde maakt metingen van hoge resolutie tijdreeksen van perifere temperatuur en geeft dus de mogelijkheid om de dynamiek van de acute stressreactie verkennen. Dit is moeilijk te bereiken met een conventionele glucocorticoïde monster dat wordt beperkt door het aantal monsters dat kan worden genomen binnen een tijdsperiode. Hier hebben we een tijdreeks van eye-regio temperatuur met een interval van 1 sec, die voldoende zijn om de eye-regio temperatuur respons op een acute stressor (capture) te tonen was gehaald, maar een hogere temporele resolutie zou ook mogelijk zijn. De opeenhoping van een groot aantal beelden vereist echter enige mate van automatisering in de extractie van gegevens van de beelden. Het protocol beschrijft een eenvoudige semi-automatische proces om de maximale temperatuur van elk beeld te halen. We waren in staat om dit te doen als de regio van belang, de eye-region was altijd de warmste plek in het beeld. Analyse kon meer problematisch zijn als gebieden van belang zijn complexer en kunnen op maat gemaakt patroonherkenningssoftware vereisen (bijvoorbeeld 34). In deze studie werd een aantal handmatige filtering nodig is voor situaties waarin de eye-regio temperatuur was over- of onderschat, maar deze werden gemakkelijk gedetecteerd, maar natuurlijk verdere automatisering wenselijk is. De afmetingen van stress-geïnduceerde perifere koeling thermische beeldvorming een waardevolle aanvulling op andere fysiologische metingen van spanning en de niet-invasieve aspect van deze techniek is zeer voordelig voor verdere studies met gevangen en wilde dieren.

Vastleggen van de volledige reactie op stress, infrarood thermografie heeft duidelijk een groot potentieel als een instrument voor stress-assessment. Een niet-invasief alternatief voor gevestigde hormonale en kerntemperatuur assays worden echter, is het noodzakelijk om cross-validate tussen deze maatregelen enbepalen of huidtemperatuur toont dezelfde evenredigheid stressor intensiteit, dat wil zeggen, kan de omvang van de huidtemperatuur reactie van de sterkte van de stressor weerspiegelen. Toekomstig onderzoek moet ook aandacht besteden aan de vraag of de huidtemperatuur vangt chronische stress. Terwijl SIH in reactie op een acute stressor wordt naar verwachting van voorbijgaande aard, terugkerende blootstelling aan fysische of psychische acute stressoren worden kan chronische verhoging van de lichaamstemperatuur 35,36 genereren. Of voortdurende vasoconstrictie bij aan deze kern verhoging niet expliciet getest. Echter, correlatieve studies op mensen die lijden aan chronische stress gerelateerde ziekte doen tonen verminderde vinger temperaturen 37. Een laatste attribuut te verkennen is Valence: het vermogen positief te onderscheiden van negatieve gebeurtenissen. Hormonale tests kunnen geen onderscheid maken Valence 5, met glucocorticoïd niveaus verschijnen om het niveau van opwinding in plaats van stress specifiek weerspiegelen. Onderzoek naar kam humeurtuur in de binnenlandse kippen blootgesteld aan aversieve en positieve stimuli suggereren huidtemperatuur kunnen op soortgelijke wijze verwant aan algemene opwinding 22,29 zijn. Echter, bij de mens, verschillende emotionele toestanden te lokken regionaal specifieke veranderingen in de temperatuur van de huid, bijvoorbeeld periorbitaal opwarming en afkoeling wang toen opgeschrikt 38, maar over het algemeen gedaald huidtemperatuur wanneer lachen 39. Vergelijkingen tussen verschillende regio's kan nog emotionele toestand te onthullen. De in dit document opgenomen aanbevelingen, is het mogelijk om al deze vragen te beantwoorden en bevestig huidtemperatuur als een niet-invasieve merker van stress.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Thermal Imaging Camera FLIR A65 (f=25 mm) Compact (106 x 40 x 43 mm) and low cost
Thermal Image Analysis Software FLIR ResearchIR v3.4 Allows high speed thermal video recording and thermal pattern analysis
Temperature logger Gemini Data Loggers Tinytag Talk 2 TK-4023-PK Monitors from -40 to +125 °C using accompanying temperature probe

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Romero, L. M., Dickens, M. J., Cyr, N. E. The reactive scope model - A new model integrating homeostasis, allostasis, and stress. Hormones and Behavior. 55, 375-389 (2009).
  2. McEwen, B. S., Wingfield, J. C. The concept of allostasis in biology and biomedicine. Hormones and Behavior. 43, 2-15 (2003).
  3. Rensel, M. A., Schoech, S. J. Repeatability of baseline and stress-induced corticosterone levels across early life stages in the Florida scrub-jay (Aphelocoma coerulescens). Hormones and Behavior. 59, 497-502 (2011).
  4. Wingfield, J. C. Comparative endocrinology, environment and global change. General and Comparative Endocrinology. 157, 207-216 (2008).
  5. Buwalda, B., Scholte, J., de Boer, S. F., Coppens, C. M., Koolhaas, J. M. The acute glucocorticoid stress response does not differentiate between rewarding and aversive social stimuli in rats. Hormones and Behavior. 61, 218-226 (2012).
  6. Romero, L. M., Reed, J. M. Collecting baseline corticosterone samples in the field: Is under 3 min good enough. Comparative Biochemistry and Physiology - A Molecular and Integrative Physiology. 140, 73-79 (2005).
  7. Harper, J. M., Austad, S. N. Fecal glucocorticoids: a noninvasive method of measuring adrenal activity in wild and captive rodents. Physiological and Biochemical Zoology. 73, 12-22 (2000).
  8. Bortolotti, G. R., Marchant, T. A., Blas, J., German, T. Corticosterone in feathers is a long-term, integrated measure of avian stress physiology. Functional Ecology. 22, 494-500 (2008).
  9. Oka, T., Oka, K., Hori, T. Mechanisms and mediators of psychological stress-induced rise in core temperature. Psychosomatic Medicine. 63, 476-486 (2001).
  10. Bouwknecht, A. J., Olivier, B., Paylor, R. E. The stress-induced hyperthermia paradigm as a physiological animal model for anxiety: a review of pharmacological and genetic studies in the mouse. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 31, 41-59 (2007).
  11. Moe, R. O., Bakken, M. Effects of Handling and Physical Restraint on Rectal Temperature, Cortisol, Glucose and Leucocyte Counts in the Silver Fox (Vulpes vulpes). Acta Veterinaria Scandinavica. 38, 29-39 (1997).
  12. Cabanac, M., Aizawa, S. Fever and tachycardia in a bird (Gallus domesticus) after simple handling. Physiology, and Behavior. 69, 541-545 (2000).
  13. Cabanac, A. J., Guillemette, M. Temperature and heart rate as stress indicators of handled common eider. Physiology, and Behavior. 74, 475-479 (2001).
  14. Carere, C., van Oers, K. Shy and bold great tits (Parus major): body temperature and breath rate in response to handling stress. Physiology, and Behavior. 82, 905-912 (2004).
  15. Gray, D. A., Maloney, S. K., Kamerman, P. R. Restraint increases afebrile body temperature but attenuates fever in Pekin ducks (Anas platyrhynchos). American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 294, R1666-R1671 (2008).
  16. Meyer, L. C. R., Fick, L., Matthee, A., Mitchell, D., Fuller, A. Hyperthermia in captured Impala (Aepyceros melampus.): A fright not flight response. J. Wildl. Dis. 44, 404-416 (2008).
  17. Busnardo, C., Tavares, R. F., Resstel, L. B. M., Elias, L. L. K., Correa, F. M. Paraventricular nucleus modulates autonomic and neuroendocrine responses to acute restraint stress in rats. Autonomic Neuroscience: Basic, and Cinical. 158, 51-57 (2010).
  18. Kramer, K., et al. Effect of conditioning on the increase of heart rate and body temperature provoked by handling in the mouse. ATLA Alternatives to Laboratory Animals. 32, 177-181 (2004).
  19. Lowe, T. E., Cook, C. J., Ingram, J. R., Harris, P. J. Changes in ear-pinna temperature as a useful measure of stress in sheep (Ovis aries). Animal Welfare. 14, 35-42 (2005).
  20. Ahola, L., Harri, M., Kasanen, S., Mononen, J., Pyykönen, T. Effect of family housing of farmed silver foxes ( Vulpes vulpes ) in outdoor enclosures on some behavioural and physiological parameters. Canadian Journal of Animal Science. 80, 427-434 (2000).
  21. Harri, M., Mononen, J., Ahola, L., Plyusnina, I., Rekilä, T. Behavioural and physiological differences between silver foxes selected and not selected for domestic behaviour. Animal Welfare. 12, 305-314 (2003).
  22. Van Bogaert, M. J. V., Groenink, L., Oosting, R. S., Westphal, K. G. C., Van Der Gugten, J., Olivier, B. Mouse strain differences in autonomic responses to stress. Genes, Brain and Behavior. 5, 139-149 (2006).
  23. Van Der Heyden, J. A. M., Zethof, T. J. J., Olivier, B. Stress-induced hyperthermia in singly housed mice. Physiology and Behavior. 62, 463-470 (1997).
  24. Singer, C., Ruf, T., Schober, F., Fluch, G., Paumann, T., Arnold, W. A versatile telemetry system for continuous measurement of heart rate, body temperature and locomotor activity in freeranging ruminants. Methods in Ecology and Evolution. 1, 75-85 (2010).
  25. McCafferty, D. J. Applications of thermal imaging in avian science. Ibis. 155, 4-15 (2013).
  26. Edgar, J. L., Nicol, C. J., Pugh, C. A., Paul, E. S. Surface temperature changes in response to handling in domestic chickens. Physiology, and Behavior. 119, 195-200 (2013).
  27. R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. , Vienna, Austria. At http://www.r-project.org/ (2014).
  28. Prinzinger, R., Pressmar, A., Schleucher, E. Body temperature in birds. Comparative Biochemistry and Physiology. 99, 499-506 (1991).
  29. Moe, R. O., Stubsjøen, S. M., Bohlin, J., Flø, A., Bakken, M. Peripheral temperature drop in response to anticipation and consumption of a signaled palatable reward in laying hens (Gallus domesticus). Physiology, and Behavior. 106, 527-533 (2012).
  30. Secor, S. M. Specific dynamic action: a review of the postprandial metabolic response. Journal of Comparative Physiology B. 179, 1-56 (2009).
  31. Midtgård, U. Scaling of the brain and the eye cooling system in birds: A morphometric analysis of the ophthalmicum. Journal of Experimental Zoology. 225, 197-207 (1983).
  32. Edgar, J. L., Lowe, J. C., Paul, E. S., Nicol, C. J. Avian maternal response to chick distress. Proceedings. Biological Sciences / The Royal Society. 278, 3129-3134 (2011).
  33. Hammel, H. T. Infrared emissivity of some Arctic fauna. Journal of Mammalogy. 37, 375-378 (1956).
  34. Khaliq, I., Hof, C., Prinzinger, R., Böhning-Gaese, K., Pfenninger, M. Global variation in thermal tolerances and vulnerability of endotherms to climate change. Proceedings. Biological Sciences / The Royal Society. 281, 20141097 (2014).
  35. Kant, G. J., Ra Bauman,, Pastel, R. H., Myatt, C. A., Closser-Gomez, E., D’Angelo, C. P. Effects of controllable vs. uncontrollable stress on circadian temperature rhythms. Physiology, and Behavior. 49, 625-630 (1991).
  36. Endo, Y., Shiraki, K. Behavior and body temperature in rats following chronic foot shock or psychological stress exposure. Physiology and Behavior. 71, 263-268 (2000).
  37. Lin, H. P., Lin, H. Y., Lin, W. L., Huang, A. C. W. Effects of stress, depression, and their interaction on heart rate, skin conductance, finger temperature, and respiratory rate: Sympathetic-parasympathetic hypothesis of stress and depression. Journal of Clinical Psychology. 67, 1080-1091 (2011).
  38. Pavlidis, I., Eberhardt, N. L., Levine, J. A. Seeing through the face of deception. Nature. 415, 35 (2002).
  39. Nakanishi, R., Imai-Matsumura, K. Facial skin temperature decreases in infants with joyful expression. Infant Behavior and Development. 31, 137-144 (2008).

Tags

Neurowetenschappen Acute stress pimpelmees capture stress geïnduceerde hyperthermie lichaamstemperatuur stress evaluatie
Thermal Imaging Stress Non-invasief in Ongeremde Vogels Studie
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jerem, P., Herborn, K., McCafferty,… More

Jerem, P., Herborn, K., McCafferty, D., McKeegan, D., Nager, R. Thermal Imaging to Study Stress Non-invasively in Unrestrained Birds. J. Vis. Exp. (105), e53184, doi:10.3791/53184 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter