Der er behov for en ikke-invasiv vurdering af stress. Dette papir beskriver en simpel protokol hjælp termografi til at påvise en signifikant respons i øje-region temperaturen i vilde blå bryster til en mild akut stressfaktor.
Stress, et centralt begreb i biologien, beskriver en suite af nødsituationer reaktioner på udfordringer. Blandt andre reaktioner, stress fører til en ændring i blodgennemstrømningen, som resulterer i en netto tilstrømning af blod til vigtige organer og en stigning i kernetemperatur. Denne stress hyperthermi anvendes til at vurdere stress. Men måling kernetemperatur er invasiv. Som blodgennemstrømningen omdirigeres til kernen, kan periferien af kroppen afkøles. Dette papir beskriver en protokol, hvor perifer kropstemperatur måles ikke-invasivt i vilde blå bryster (Cyanistes caeruleus) ved hjælp af infrarødt termografi. På området vi skabt en opsætning bringe fuglene til en ideel position foran kameraet ved hjælp af en agn boks. Kameraet tager et kort termisk videooptagelse af uforstyrrede fugl, før du anvender en mild stressor (lukning af boksen og dermed erobre fuglen), og fuglen reaktion på at blive fanget registreres. Den nøgne hud i øjet-regionen er denvarmeste område i billedet. Dette giver en automatiseret ekstraktion af den maksimale eye-region temperatur fra hvert billede ramme, efterfulgt af yderligere trin manuel data filtrering fjerne de mest almindelige kilder til fejl (motion blur, blinkende). Denne protokol giver en tidsserie for øje-region temperatur med en fin tidsmæssig opløsning, der giver os mulighed for at studere dynamikken i stress respons ikke-invasivt. Yderligere arbejde skal demonstrere anvendeligheden af metoden til vurdering af stress, for eksempel for at undersøge, om øje-region temperatur respons er proportional med styrken af stressor. Hvis dette kan bekræftes, vil det give et værdifuldt alternativ metode til stress vurdering hos dyr og vil være nyttige for en bred vifte af forskere fra økologer, bevarelse biologer, fysiologer til dyrevelfærd forskere.
Stress er et centralt begreb i biologien, der beskriver beredskab af en organisme som svar på en miljømæssig udfordring at forsøge at genskabe homøostase 1,2. Under stress, blodsukker, fedtsyrer og aminosyrer niveauer, puls, respirationsfrekvens og stofskifte hele stigningen, og blod omdirigeres fra periferien til de centrale organer 2. Denne generiske mønster af fysiologiske ændringer primtal dyret at være i stand til at reagere hurtigt og adaptivt til en bred vifte af sociale og fysiologiske udfordringer. Erkender og forstå stress er kernen i både ren og anvendt dyr forskning, vurdere stress i uhæmmet dyr er fortsat en udfordring.
En almindeligt anvendt fysiologisk markør for stress er en stigning i niveauet af cirkulerende glukokortikoid hormoner, såsom cortisol og corticosteron 1,2. En stor styrke ved denne fremgangsmåde er, at deres koncentrationer øger jegn forhold til stressor intensitet, så stress kvantificeres. Men glukokortikoider er ikke »stress« hormoner per se, men mobilisers af energilagre 2. Som sådan glukokortikoid niveauer ændrer også med energikrav, tidspunkt på dagen, alder og reproduktiv status 3,4, samt som svar på tilsyneladende positive situationer, såsom parring mulighed 5. Glukokortikoid niveauer skal derfor fortolkes med forsigtighed og i en kontekst. Måling af glucocorticoid reaktion på akut stress har også nogle begrænsninger. En akut stressor udløser en dynamisk respons oprindeligt stigende glukokortikoid niveauer og efterfølgende vender tilbage til en baseline niveau 1,2. Glukokortikoid prøver opnås typisk invasivt ved blodprøveudtagning, som er en stressor i sig selv og derfor kan påvirke de målte niveauer af glukokortikoid 6. Desuden kan kun måles glukokortikoid niveauer på et eller meget få tid points, som måske ikke fange variation i peak niveauer og timing eller respons varighed, hvilket begrænser vores evne til at undersøge forandringer gennem tiden af den dynamiske stress respons inden for individer. Ikke-invasive metoder til hormon prøveudtagning, såsom fra afføring 7, hår eller fjer 8, måler gennemsnitlige glukokortikoid niveauer over en længere tidshorisont, af dage eller måneder, men nyttigt at studere kroniske stressfaktorer, gælder ikke for studiet af akut stress . Da selv de bedst etablerede metoder tilbyder kun en begrænset perspektiv på variation i akut stress blandt de individer der er et behov for en alternativ metode i fysiologiske stress målinger.
Som stress respons involverer en række fysiologiske virkninger der er andre kandidater, som kunne tyde stress. Blandt andet, sympatisk medieret vasokonstriktion kanaler blod fra periferien til kroppen kerne. Denne koncentration af blod og dermed varme, sammen med forskellige formulars af stress-induceret termogenese, varmer kernen 9. Som sådan, core opvarmning, betegnet stress hyperthermi (SIH) er også blevet anvendt som en markør for akut stress i farmaceutisk forskning 10. SIH typisk hæver kroppens kernetemperatur med 0,5-1,5 ° C inden for 10-15 min af en akut stressor 10. Det er en relativt veldokumenteret fænomen, en almindeligt anvendt eksperimentel stressor for fangst og håndtering af et dyr kan hæve kroppens kernetemperatur i en række pattedyr og fuglearter 11 – 17. Det er vigtigt, SIH korrelerer med andre etablerede indikatorer for stress, såsom puls 18, glukokortikoid niveauer 19 og opførsel 20,21. Og ligesom glukokortikoid niveauer, kernetemperatur er blevet lineært relateret til stress-niveau i nogle arter 22. Men som med blodprøvetagning, måling af kernetemperatur er invasiv i sig selv, der kræver indsættelse oR implantation af en probe 10. Baseline kernetemperatur øges gradvist hver tidspunkt, hvor stress-fremkaldende håndtering eller sonde indsættelse skal gentages 23. Den seneste udvikling i temperatur kontrolapparat, der tillader adgang til data via fjernadgang kan give en løsning, i det mindste for store dyr 24.
Inden den samme mekanisme, der genererer SIH, men ligger endnu en potentiel markør for stress: den perifere vasokonstriktion, der bevæger blod, og med den varme, til kernen samtidig køler huden 17. I modsætning kernetemperatur, kan måles hudtemperatur fuldstændig non-invasivt, ved infrarød termografi (IRT). IRT konverterer infrarøde stråling fra overfladen af et objekt i temperatur 25. Som et dyrs overflade typisk har få bare pletter, hvorfra hudtemperatur kan udledes direkte, det kræver adgang til naturligt eksponeret hud (f.eks området omkring than øje) eller oprette et bart plaster ved at trimme pels eller fjer. Adgangen til et passende eksponeret hudområde og dyret kan holdes i synsfeltet af kameraet, kan IRT kameraer anvendes til indsamling kontinuerlige huden temperaturmålinger eksternt, eventuelt gør den komplette temperatur reaktion på filmes og sammenlignes mellem enkeltpersoner . Selv om det allerede er blevet vist i kyllinger, der overfladetemperatur reagerer på akut stress 26, det nye ved denne undersøgelse er, at den måler overflade kropstemperatur af vilde dyr i en finere tidsmæssig opløsning end tidligere undersøgelser, og også viser, at den forventede hud temperaturfaldet kan påvises i marken, hvor temperatur, fugtighed og vejr er variabel. Formålet med dette dokument er at beskrive den nødvendige metode til måling af hudtemperatur af et ubegrænset dyr ved hjælp af termisk billeddannelse. Vi bruger capture til at fremkalde en mild akut stress i fritlevende blå bryster (Cyanistes caeruleus, Linnaeus 1758 </em>), og hvordan det fange egnet billeder, analysere billederne og behandle data til at producere temperatur responskurver mod tiden, der viser en betydelig afkøling af fuglenes hudtemperatur som reaktion på den milde stressor. Dette kan give et værdifuldt alternativ metode til vurdering af stress i vilde og fangenskab dyr nyttige for en bred vifte af forskere fra økologer, bevarelse biologer og fysiologer dyrevelfærd forskere.
Undersøgelsen blev gennemført i perioden mellem 17. december 2013 og 4. januar 2014 i en løvfældende eg (Quercus spp.) Skov på den skotske Center for Økologi og det naturlige miljø (SCENE), University of Glasgow den østlige bred af Loch Lomond, vest centrale Skotland (56,13 ° N, 4,13 ° V). Protokollen omfatter tre hovedtrin: (1) Opsætning af passende betingelser under hvilke at indfange termiske billeder fra en fritgående dyr, (2) applying en akut stressor samtidig tage en termisk video og (3) ekstraktion og behandling af data fra de termiske billeder, så kan anvendes til at karakterisere dyrets reaktion på akut stressor. I vores tilfælde tiltrak vi en fritlevende spurvefugle, den blå tit til en fodring boks (filme set-up), hvor betingelserne for termisk billedoptagelse blev optimeret, og derefter anvendt en capture stress ved at lukke foderboksen eksternt når fuglen var inde . Beskrivelsen af termisk billedoptagelse og dataudtræk er specifik for det udstyr, vi brugte, og kan variere mellem termiske billeddannende systemer. Databehandling beskrives ved hjælp af en open source-software.
Formålet med dette dokument er at beskrive den nødvendige metode til at måle ændringer i hudens temperatur en fritlevende dyr som reaktion på en akut stressfaktor. Denne undersøgelse viste, at hurtige ændringer i hudtemperatur forbundet med en akut stressrespons hos vilde fugle kan fanges non-invasivt hjælp IRT. Fem vigtige faser (1) udformning af passende felt set-up ved hjælp af en meget transportabel termografi-system, (2) måling af baseline temperatur, Denne procedure er involveret (3) anvendelse af en mild stressor involverer indfange fuglen i opsætningen, (4) post hoc automatiseret sampling af eye-region temperatur og (5) kalibrering af udtrukne temperaturdata. Den her beskrevne metode blev anvendt til indfangning af vilde blå bryster. Repræsentative baseline eye-region temperaturer kunne fanget i så lidt som 5 sek. Den planlagte periode for at optage en fugl i området var omkring 1 hr, med yderligere en time kræves for at behandle3 min termisk videosekvens.
Indsamling gode data på et dyrs hud temperatur kræver høj kvalitet termiske billeder. Termiske kameraer adskiller sig kun fundamentalt fra synligt lys kameraer i form af bølgelængden af den elektromagnetiske stråling, at de opdager, og dermed mange af de begreber, der gælder i fotografering (fx synsfelt, dybdeskarphed) gælder også i termografi. Som almindeligt praktiseres af naturfotografer, ethvert sted, at et dyr besøg forudsigeligt, hvor naturlige (f.eks redesteder) eller kunstige (f.eks foderautomater), kunne anvendes til indsamling termiske billeder. Tiltrækning af dyr til kameraet stedet for at forsøge at følge dem selv deres levesteder har den fordel, at tillade os at indstille kameraet på forhånd, for at indsamle høj kvalitet billede med minimal forstyrrelse, så snart dyret kommer til syne. Men med denne tilgang, er det vigtigt at undersøge eller højde for effekten afdenne specifikke sammenhæng måling på stress eller hudtemperatur. For eksempel er her, fugle blev målt i en fodring sammenhæng og maden blev brugt til aktivt at lokke blå bryster ind i opsætningen. Forskning på kyllinger viser, at akutte positive erfaringer, som f.eks foregribelse og forbrug af en fødevare belønning i en associativ læring retssag kan også lavere øje temperatur 29. Som sådan kan 'basislinjeniveauer "af individer kommer ind denne bestemt sæt op påvirkes af foreningen af denne handling med belønning. Denne mulighed garanterer yderligere undersøgelse, men hvis til stede, ville forventes at øge fald fra baseline niveauer allerede observeret. Desuden sker termogenese med fordøjelsen af mad, selvom de konkrete virkninger af mad forbruges under baseline målingen ikke forventes at betydeligt ophøje temperatur inden for fældefangst perioden 3 min 30.
Denne begrænsning anses, måling af alle dyr medi samme forbindelse er også en stor styrke i denne tilgang. De repræsentative Resultaterne viste, at der var en stor variation i øje-region temperatur mellem borgerne ved akut stressor blev anvendt (baseline eye-regionen temperatur). Variationen i baseline øje temperatur (variationskoefficient = 3,9%) kunne dels skyldes målefejl eller et sandt billede af mellem-individuelle forskelle. Perioden IRT kameraet målte temperatur af den sorte isolering tape over 5 sek, når båndets temperatur ikke ændres, den gennemsnitlige variationskoefficient var 0,26% (interval 0,08% til 0,59%). Selvom målefejl vil sandsynligvis være større i en kørende fugl det alligevel viser, at de fleste af denne variation i baseline øje-region temperatur er faktisk mellem individer. Begrebet relativt lille målefejl på bevægelige fugle understøttes yderligere af den høje repeterbarhed eye-region temperatur over 20 sek under basismålingerne ( <strong> Figur 3). Ved at kontrollere for kontekst, kan vi sikre, at alle fugle var engagerende i den samme aktivitet. Vi kan også minimere miljømæssige bidrag på tidspunktet for målingen til mellem-individuel variation i hudtemperatur, for eksempel ved at sikre, at beliggenheden er beskyttet mod confounding indfaldende stråling, der ville, for termografi, føre til en overvurdering af dyrets overfladetemperatur . Dette kan gøres med at arbejde i skyggen eller ved strategisk placerede nuancer, herunder de fleste gennemsigtige plastmaterialer, der blokerer infrarød bølgelængde. Protokollen præsenteres her viser en simpel opsætning, der let kunne anvendes til situationen for overvintrende blå bryster. Den blå tit blev filmet, mens i en fodring kasse med et solidt tag, der undgik direkte sollys. Denne opsætning kan også anvendes på mange andre spurvefugle der jævnligt kommer til kunstige fødere på bestemte tidspunkter af året. Da blå bryster er forholdsvis små dyr, denødt til at blive filmet close-up til at fange et godt niveau af detaljer. Som med fotografiske kameraer, at komme tæt på motivet – både hvad angår faktiske afstand, og forstørrelse – drastisk reducerer dybdeskarpheden. At have fuglene så store som muligt i synsfeltet kræves filme dem fra kameraets mindste fokuseringsafstand, som i dette tilfælde var 500 mm og reduceret dybdeskarphed til 40 mm. Derfor er alle funktioner i optagelserne set-up skal udformes for at tilskynde dyrene til at vise deres hoved inden den relativt smalle zone skarpt fokus på det særlige kamera anvendes.
Som svar på en veletableret akut mild stressor til et dyr forventet vi hurtige ændringer i mønstret for blodgennemstrømningen, fra periferien til kernen via sympatisk medieret vasokonstriktion der reducerer hudens temperatur 17. Den periorbital region blev valgt som skabte det eneste område af kroppen, der var uisoleret og er assoknyttede med en rig blandet netværk af små blodkar, den rete ophthalmicum der kan påvirke varmetabet fra øjet 31. Den hurtige frame rate af den termiske videoing teknik var i stand til at vise et fald i øje-region temperatur på ca. 2 ° C i 10 sek efterfulgt af en stigning i temperatur inden for 0,5 ° C af basislinien inden for 3 min. Selvom perifer køling som reaktion på mild stress er registreret tidligere på omkring 1 min intervaller 17,26, 32, den teknik her viste, at maksimal fald i temperaturen kan være særdeles hurtig. Med lavere tidsopløsning størrelsen af denne effekt kan blive savnet. Dette kan være vigtigt, når man sammenligner forskelle i stress respons af forskellige individer. Den fornyede opvarmning af fuglen efter den hurtige "kamp eller flugt" respons vendte ikke tilbage til baseline niveau som fuglen holdt sig inden boksen angiver, at fuglen forblev fysiologisk stressede. Fuglene var frigivelsed fra den eksperimentelle opsætning efter et vilkårligt valgt afskæringspunkt på ca. 3 min for at minimere fastholdelsestidsrummet af fritlevende dyr. Men i fremtiden kan forsøg nødt til at være længere tid at optage hele temperatur respons indtil dyrets øje-region temperaturen er vendt tilbage til baseline niveau, hvis det logistisk er muligt.
Denne nye protokol, der involverer en serie billeder, der er indsamlet før og efter stressor blev anvendt tillader nu detaljeret undersøgelse af dynamikken i respons på akut stress, og sammenligninger af flere tidspunkter mellem de enkelte dyr. Gentagelse dette forsøg inden personer over forskellige årstider eller miljømæssige forhold kan give virkningen af miljøet på baseline eller post-akut stress hud temperatur, der skal viklet ud, som en mulig vej til kronisk stress vurdering samt. .
Hudtemperatur af en fugl er ikke blot afhænger af metabolisk varmeproduktion ogblodgennemstrømning, men også på varmeveksling mod solstråling, vindhastighed og befugtning 25. Dette udelukker våde og blæsende betingelser fra præcise termografiske optagelser. Øjet-region temperatur registreres af en termisk kamera kan til tider enten undervurderes (negativ fejl) eller overvurderet (positiv fejl). Væsentlig positiv fejl ville kræve energitilførsel, men dette blev undgået ved fuglen i foderboksen bliver afskærmet fra solen. En anden kilde til positiv fejl medtages, når fuglen blinkede. Lejlighedsvis fuglen kort trækker sin blinkhinden over øjet-regionen, og som det er lagret internt ved en temperatur tættere på kroppen kerne, blinkende giver et unormalt høj temperatur aflæsning, når den dækker øjeæblet. Dette er imidlertid let detekteret som det efterlader en meget markant signatur og den berørte ramme kan fjernes. Den væsentligste årsag til en negativ afvigelse i vores optegnelser var motion blur. Enhver bevægelse er for hurtig til at blive fanget sharlag af rammen på kameraet forvirrer de indsamlede data fra den lille varme eye-regionen i det billede med den omkringliggende køligt område (motion blur), hvilket resulterer i en undervurdering af øje-region temperatur. Således efter fjernelse positive fejl dette gør den maksimale temperatur målt fra øjet-regionen den mest præcise måling og en automatiseret filtrering ved hjælp af toppene funktionen kommando fjerner de mindre sandsynlige lavere værdier af maksimale eye-region temperaturer.
Hertil kommer, som infrarød stråling absorberes af vanddamp, overflade målte temperatur vil blive påvirket af den relative fugtighed i miljøet. Dette kan forklares ved at indtaste lufttemperatur, relativ luftfugtighed og afstand til at gøre indsigelse i den analytiske Termisk billedanalyse Software. , En mere præcis og effektiv tilgang (som udføres her) er imidlertid at medtage en henvisning legeme med kendt temperatur og emissivitet indenfor synsfeltet. I vores tilfælde var detteet kvadrat af sort isoleringstape med en emissivitet på 0,97, hvilket er ca. svarer til den naturlige integument 33. Dette gør det muligt at kalibrere øjet-regionen temperatur ved hjælp af forskellen mellem de faktiske og termiske-afledt temperatur målt til isolering tape. Overfladetemperaturen af sort legeme kan derefter bruges til at kalibrere billeder kontinuerligt i hele måleperioden.
Takket være de teknologiske fremskridt i udviklingen i de termiske kameraer, de kan nu sættes ind som små letvægts kameraer stand til at indsamle mange billeder i sekundet i længere tid ad gangen. Selvom termisk billeddannelse er en meget anvendt teknik aviær forskning 25, har størrelsen og bekostning af termiske billeddannende systemer begrænset sin brug i naturen. I denne undersøgelse var systemet meget transportabel, koste ca.. £ 6.000 og billede med høj opløsning termisk video i stand til ikke-invasivt at opfange nøjagtige temperature data fra fritlevende dyr uden behovet for at behandle fugle. Optagelse på flere frames per sekund giver målinger af serier af perifer temperatur høj opløsning tid, og dermed giver mulighed for at undersøge dynamikken i den akutte stress-respons. Dette er vanskeligt at opnå med konventionelle glucocorticoid prøve, der er begrænset af antallet af prøver, der kan tages inden for en periode. Her har vi udvundet en tidsserie for øje-region temperatur med et interval på 1 sek, hvilket var tilstrækkeligt til at godtgøre øjet-regionen temperatur svar på en akut stressfaktor (capture), men højere tidsmæssig opløsning ville også være muligt. Ophobningen af et stort antal billeder, kræver imidlertid en vis grad af automatisering i udvinding af information fra billederne. Protokollen beskriver en enkel semi-automatiseret proces til at udtrække den maksimale temperatur fra hvert billede. Vi var i stand til at gøre dette som regionen af interesse, øjet-region, var altid den varmeste sted i billedet. Analysen kan være mere problematisk, hvis områder af interesse er mere komplekse og kan kræve specialdesignet mønstergenkendelse software (f.eks, 34). I denne undersøgelse var påkrævet nogle manuel filtrering i situationer, hvor øjet-regionen temperaturen var over- eller undervurderet, men disse blev let afsløres, men selvfølgelig yderligere automatisering er ønskelig. Målingerne af stress-induceret perifer køling ved termisk billedbehandling giver en værdifuld tilføjelse til andre fysiologiske målinger af stress og ikke-invasiv aspekt af denne teknik er særdeles fordelagtigt for yderligere undersøgelser, der involverer i fangenskab og vilde dyr.
Optagelse fuldstændig stress respons, infrarød termografi har klart et stort potentiale som et redskab til stress vurdering. For at blive en non-invasiv alternativ til etablerede hormonal og kerne temperatur analyser selv, vil det være nødvendigt at cross-validere blandt disse foranstaltninger ogbestemme, om hudtemperaturen viser samme proportionalitet med stressor intensitet, dvs. kan omfanget af hudtemperatur respons afspejler styrken af stressor. Fremtidig forskning bør også tage fat om hudtemperatur fanger kronisk stress. Mens SIH som svar på en akut stressor forventes at være forbigående, tilbagevendende eksponering for fysiske eller psykiske akutte stressfaktorer kan generere kronisk forhøjelse af kroppens kernetemperatur 35,36. Uanset om løbende vasokonstriktion bidrager til denne kerne højde er ikke blevet testet eksplicit. Men korrelative studier på mennesker, der lider af kronisk stress sygdom gør vise reducerede finger temperaturer 37. En sidste attribut til at udforske er valens: evnen til at skelne positive fra negative begivenheder. Hormonale assays kan ikke skelne valens 5, med glukokortikoid niveauer anført at afspejle niveau excitation frem for stress specifikt. Forskning i kam temperamentratur i indenlandske kyllinger udsat for afskrækningsmiddel og positive stimuli tyder hud temperatur kan være tilsvarende beslægtet med almindelig ophidselse 22,29. Men i mennesker, forskellige følelsesmæssige tilstande fremkalde regionalt specifikke ændringer i hudens temperatur, f.eks periorbitalt opvarmning og kind afkøling, når forskrækket 38, men generelt faldt hudtemperatur når griner 39. Sammenligninger mellem forskellige regioner kan endnu afsløre følelsesmæssige tilstand. Brug af fastlagt i dette papir anbefalinger, vil det være muligt at behandle alle disse spørgsmål, og validere hudtemperatur som en ikke-invasiv markør for stress.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by a BBSRC project grant to DMcK, DMcC and RGN (BB/K002775/1) and a PhD studentship [to JP, BB/J013854/1]. We gratefully acknowledge the fantastic advice on technical equipment and field techniques that we received throughout the project from Nozrat Mirzai (Bioelectronics Unit University of Glasgow), Ross McLeod and Matthew Clavey (ThermalVision Research) as well as SCENE for all their logistic support of the field work. We would also like to thank Debbie Kelton at Veracity for generously providing equipment used to power the thermal imaging camera in the field.
Thermal Imaging Camera | FLIR | A65 (f=25mm) | Compact (106 × 40 × 43 mm) & 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 |