Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Termografi å studere Stress Non-invasiv i Uhemmet Birds

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

Det er behov for en ikke-invasiv vurdering av spenning. Dette notatet beskriver en enkel protokoll bruker termografi å påvise en signifikant respons i øye-regionen temperatur i vill blå puppene til en mild akutt stressor.

Abstract

Stress, et sentralt begrep i biologi, beskriver en suite av nødhjelp svar på utfordringer. Blant annet reaksjoner, fører spenning til en endring i strømningsblod som resulterer i en netto strøm av blod til viktige organer og en økning i kjernetemperatur. Denne stress hypertermi brukes til å vurdere stress. Imidlertid måle kjernetemperaturen er invasiv. Når blodstrømmen blir omdirigert til kjernen, kan omkretsen av legemet avkjøles. Dette notatet beskriver en protokoll hvor perifere kroppstemperatur måles ikke-invasiv i vill blå puppene (Cyanistes caeruleus) ved hjelp av infrarød termografi. I feltet opprettet vi et oppsett bringe fuglene til en ideell posisjon foran kameraet ved hjelp av en agnet boks. Kameraet tar en kort termisk video opptak av uforstyrrede fugl før du påfører en mild stressor (lukking av boksen og dermed fange fuglen), og fuglen reaksjon på å bli fanget er registrert. Den bar hud i øyet-regionen er denvarmeste området i bildet. Dette gjør at en automatisert utvinning av maksimal øye-regionen temperatur fra hvert bilde ramme, fulgt av ytterligere trinn manuell datafiltrering fjerner de vanligste feilkilder (motion blur, blinkende). Denne protokollen gir en tidsserie av øye-regionen temperatur med en fin tidsmessig oppløsning som tillater oss å studere dynamikken i stressresponsen ikke-invasiv. Videre arbeid behov for å demonstrere anvendeligheten av fremgangsmåten for å vurdere stress, for eksempel for å undersøke om øye-region temperaturrespons er proporsjonal med styrken av stressfaktor. Hvis denne kan bekreftes, vil det gi et verdifullt alternativ metode for stress vurdering i dyr og vil være nyttig for et bredt spekter av forskere fra økologer, bevaringsbiologer, fysiologer til dyrevelferd forskere.

Introduction

Stress er et sentralt begrep i ​​biologi, beskriver beredskaps av en organisme i respons til en miljømessig utfordring å forsøke å gjenopprette homeostase 1,2. Under stress, blodsukker, fettsyrer og aminosyrer nivåer, puls, respirasjonsfrekvens og metabolic rate all økning, og blod er viderekoblet fra periferien til kjernen organer 2. Denne generelle mønsteret av fysiologiske endringer klargjør dyr for å kunne reagere raskt og adaptivt til en rekke sosiale og fysiologiske utfordringer. Mens gjenkjenne og forstå stress er kjernen i både ren og anvendt dyreforsøk, vurdere stresset i hemningsløs dyr fortsatt en utfordring.

En mye brukt markør fysiologisk stress er en økning i nivåene av sirkulerende glukokortikoid hormoner, slik som kortisol og corticosterone 1,2. En stor styrke med denne tilnærmingen er at deres konsentrasjoner øke in forhold til stressor intensitet, slik at stress til kvantifiseres. Men glukokortikoider er ikke "stress 'hormoner per se, men mobilisers av energi butikker 2. Som slike glukokortikoid nivåer endrer også med energibehov, tid på dagen, alder og reproduktiv status 3,4, så vel som i respons til tilsynelatende gode situasjoner, for eksempel paring eren 5. Glukokortikoid nivåer må derfor tolkes med forsiktighet og i en kontekst. Måling av glukokortikoid reaksjon på akutt stress har også noen begrensninger. En akutt stressor utløser en dynamisk respons av opprinnelig økende glukokortikoid nivåer og deretter tilbake til en baseline nivå 1,2. Glukokortikoid prøvene er vanligvis oppnås invasiv, ved blodprøvetaking som er en stressor i seg selv, og derfor kan påvirke målt glukokortikoid nivåer 6. Videre glukokortikoid nivåer kan kun måles på en eller svært få tid points, som kanskje ikke fange opp variasjoner i topp nivå og timing eller respons varighet, noe som begrenser vår evne til å undersøke endring gjennom tiden av dynamisk stressresponsen innen individer. Ikke-invasive metoder for hormonprøver, for eksempel fra avføring 7, hår eller fjær 8, måle gjennomsnitts glukokortikoid nivåer enn en lengre tidsskala, for dager eller måneder, men nyttig å studere kroniske belastninger, er ikke aktuelt for studiet av akutt stress . Da selv de best etablerte metoder har bare en begrenset variasjon i perspektiv på akutt stress blant individer er det behov for en alternativ metode i fysiologiske spenningsmålinger.

Som stressrespons medfører en rekke fysiologiske virkninger er det andre kandidater som kunne tyde på stress. Blant annet sympatisk-mediert vasokonstriksjon kanaler blod fra periferien til kroppen kjernen. Denne konsentrasjonen av blod, og dermed varme, sammen med ulike forms av stress-indusert thermogenesis, varmer kjernen 9. Derfor kjerne oppvarming, betegnes stress hypertermi (SIH) har også blitt brukt som en markør for akutt stress in farmasøytisk forskning 10. SIH hever vanligvis kjernen kroppstemperatur ved 0,5-1,5 ° C i 10-15 min av en akutt stressor 10. Det er et relativt godt dokumentert fenomen som en vanlig brukt eksperimentell stressor for å fange og håndtere et dyr kan øke kroppens kjernetemperatur i en rekke pattedyr og fuglearter 11 - 17. Viktigere, korrelerer med andre etablerte indikatorer på stress, for eksempel hjertefrekvens 18, glukokortikoid nivåer 19 og atferd 20,21 SIH. Og som glukokortikoid nivåer, kjernetemperaturen er lineært relatert til stress nivå i enkelte arter 22. Men som med blodprøver, er måling av kjernetemperatur invasive i seg selv, som krever innsetting or implantasjon av en sonde 10. Baseline kjernetemperaturen øker gradvis hver gang når stress-induserende behandling eller sonde innsetting må gjentas 23. Den siste utviklingen i temperatur opptaksutstyr som gir tilgang til data eksternt kan gi en løsning, i hvert fall for store dyr 24.

Innenfor den samme mekanisme som genererer SIH, skjønt, som ligger enda en annen potensiell markør av stress: det perifere blod vasokonstriksjon som beveger seg, og med det varme, til kjernen samtidig kjøler huden 17. I motsetning til kjernetemperatur, kan hudtemperatur måles fullstendig ikke-invasiv, med infrarød termografi (IRT). IRT omdanner den infrarøde strålingen som avgis fra overflaten av en gjenstand til temperatur 25. Som et dyr overflate vanligvis har noen bare flekker som hudtemperatur kan avledes direkte, det krever tilgang til naturlig hud (f.eks området rundt than øye) eller opprette en naken lapp ved å klippe pels eller fjær. Gitt tilgang til en egnet eksponert område av huden, og dyret kan holdes i synsfeltet til kameraet, kan IRT kameraer brukes til å samle kontinuerlige hud temperaturmålinger eksternt, eventuelt slik at den komplette temperatur respons på filmes og sammenlignes mellom individer . Mens det har allerede blitt vist i kyllinger som overflatetemperatur reagerer på akutt stress 26, nyheten av denne studien er at den måler overflatekroppstemperatur på ville dyr i en finere tidsmessig oppløsning enn tidligere studier og viser også at forventet huden temperaturfallet kan påvises i marken hvor temperatur, fuktighet og vær er variabel. Målet med denne artikkelen er å beskrive den nødvendige metodikk for å måle hudtemperatur av et ubegrenset dyr ved hjelp av termografi. Vi bruker capture å indusere en mild akutt stress hos frittlevende blå puppene (Cyanistes caeruleus, Linnaeus 1 758

Undersøkelsen ble gjennomført i perioden 17. desember 2013, og 4. januar 2014 i en løvfellende eik (Quercus spp.) Skogen ved Scottish Centre for Ecology and Natural Environment (SCENE), University of Glasgow på østsiden fra Loch Lomond, vest sentrale Skottland (56.13 ° N, 4,13 ° W). Protokollen omfatter tre hovedtrinn: (1) Sette opp egnede betingelser under hvilke å ​​fange termiske bilder fra en frittgående dyr, (2) applying en akutt stress mens man tar en termisk video, og (3) å trekke ut og behandling av data fra de termiske bilder som deretter kan benyttes for å karakter dyrets respons på akutt stressfaktoren. I vårt tilfelle tilt vi en frittlevende spurve, den blå pupp til en fôring boks (filming set-up) der forholdene for termisk bildeopptak ble optimalisert, og deretter brukt en fangst stress ved å lukke fôring boksen eksternt når fuglen var inne . Beskrivelsen av termisk bildeopptak og datauttrekk er spesifikk for utstyret vi brukte, og kan variere mellom termiske systemer. Databehandling er beskrevet ved hjelp av en åpen kildekode-programvare.

Protocol

Etikk Uttalelse:

Arbeidet med en rutinefangstmetoden av frittlevende små spurvefugler som er godkjent av den britiske Trust for Ornitologi og fangst protokollen utløse en mild stress i fuglen ble utført under UK hjemmekontoret lisenser.

1. Set-up for Filming

  1. Lag en filming oppsett der fuglene oppfordres til å posisjonere seg foran kameraet (figur 1). Fuglen kommer inn i oppsettet gjennom et hull i en endevegg og har tilgang til mat i nærheten av den motsatte endevegg.
  2. For å tilvenne fuglene til set-up, gi en passende mat (f.eks peanut kjerner) på materen i flere uker før innspillingen. Bortsett fra tilførsel av mat, la oppsett uforstyrret. I løpet av denne perioden, plassere en dummy stativ foran materen slik at fuglene å også tilvenne til kameraet.
  3. På dagen for opptaket, redusere availabiheten av peanut kjerner i oppsettet ved å fjerne all gjenværende mat fra materen og erstatte den med mat som finnes i en gjennomsiktig beholder med bare et lite hull i midten på toppen der fugler kan få tilgang til mat. Posisjon denne maten beholder i midten av buret i enden motsatt til inngangen hullet.
  4. Plasser en liten firkant med sort isolasjonstape av kjent emissivitet som i naturlig integument i ett av hjørnene i mesh av boksen slik at det vises i alle bilder. Feste den sorte isolasjonen bånd til et termoelement forbundet med en temperatur logger som registrerer temperaturen på det sorte isoleringstape med en oppløsning på 0,1 ° C hver 1 sek.
  5. Sett termisk kamera 50 cm fra straffemerket felle, slik at alt av boksen passer i kameraets synsfelt, og fugler fôring fra den klare beholderen vil bli plassert i kameraets sone fokus. Koble kameraet til en bærbar PC, sett kameraet å ta bilder på i gjennomsnitt på 7,5 bilder per sekund (med et tidsstempel), og sende bilder til den bærbare harddisken skal lagres der.
  6. Fest en fiskesnøre til den roterende dør av set-up og rull den ut til en posisjon hvor experimenter er skjult fra visningen av fuglene, men opplegget kan fortsatt bli observert - ca 20 m fra set-up.

2. Filming Fugle Response til en Mild akutt stress

  1. Når en fugl kommer inn i fôring boksen, la fuglen uforstyrret i boksen for ca 5 sek.
  2. Trekk snøret etter fuglen hadde brukt ca. 5 sek i boksen for å lukke fôring boksen. Pass på at fuglen er fortsatt helt i andre enden av boksen for å minimere risikoen for skade på fugl.
  3. Umiddelbart nærmer fôring boksen og stå urørlig bak kamera for ca 3 min. Deretter hente fuglen ut av esken og la det gå.
"> 3. Utvinning Eye-regionen Temperatur fra termiske bilder av

  1. Utdrag maksimumstemperatur fra hver ramme. Merk: Den maksimale temperatur var praktisk talt alltid registrert fra innenfor regionen rundt øyet, som stikker ut eksponert hud av periophthalmic ringen (figur 2), og blir heretter referert til som eye-region temperatur.
    1. I Termografi Analysis Software høyreklikk på bildet, "Legg til" en ny tomt for bildet maksimum. Deretter høyreklikker på tomten som eksporterer dataene (eye-regionen temperatur og tids rammen ble tatt) til en CSV-fil.
  2. Slett fra CSV-filen alle linjer fra rammer hvor øyet-regionen av fuglen var ikke synlig.
  3. Plotte maksimumstemperatur mot tiden i R27, påpeker identifisere manuelt hvor temperatur pigger> 0,2 ºC mellom to påfølgende målinger når nictitating membranen ble dratt over øyet (blinker) og poeng med lave verdier outside utvalget av kroppstemperatur til fugler 28 (dvs. når øyet-regionen var synlig men uskarpt gjennom bevegelse for flere rammer), og deretter fjerne de aktuelle linjene fra CSV datafil produsert under trinn 3.1.
  4. Måle omgivelsestemperatur.
    1. Last ned data (tid og logger temperatur) fra temperaturen logger inn på en datamaskin og eksport i et regneark.
    2. For å få temperaturen fra termisk bilde, i Thermal Image Analysis Software tegne en firkant over den svarte isolasjonstape som dekket temperaturen logger sonde, høyreklikk på torget og velge "Legg til ny tomt" for plassen gjennomsnittstemperatur.
    3. Deretter høyreklikker at tomten, for å eksportere data (tid og IRT temperatur) til en CSV-fil. Fusjonere de to resulterende temperaturtidsserier for temperatur logger og termisk bilde matching for tiden i ett regneark.
  5. Riktig øye-regionen temperare mot omgivelsestemperatur. Eksportere regnearket ble opprettet i trinn 3.4 i CSV-filen matching for tiden. Til hver tilbakeholdt øye-region temperatur legge differansen mellom temperaturen logger og de termiske bilde-avledet temperaturverdier (logger temp - IRT temp) målt samtidig.
  6. Gjennomføre automatisert filtrering for å fjerne mindre nøyaktige lave øye-regionen temperaturverdier ved hjelp av peak søkealgoritme (se Kode Opplysning File) for å hente ut de høyeste (og derfor mest nøyaktige) peker i dataene automatisk.
    Merk: Toppen søkealgoritme reorganiserer temperaturdata til en vektor med en brukerdefinert bredde (span), anbefales span = 3, trekke den sentrale verdien i rader der tallene hver side er lavere, dvs. toppene.
  7. Bruk lineær interpolasjon for å lukke hullene igjen av sekvenser når ingen topp ble pakket ut, og når øyet-regionen var ikke synlig. Bruk kommandoen na.approx (zoo pakke v1.7-11 i R 27) for å gi en enkelt temperaturverdi per sekund for hver enkelt.
  8. I CVS datafil, legge til en verdi på 0,2 til hvert øye-region temperatur for å korrigere for virkningen av å ta bildene gjennom en maske.
    Merk: Tester viste at når et sort legeme, oppvarmet til tilnærmet bety fugl kroppstemperatur på ~ 41 ° C i sin aktive fase 28 ble fotografert gjennom mesh vindu med samme maskevidde som brukes i filming satt opp, temperaturen registrert av det varmesøkende kamera i områder som ikke skjult av ledninger var 0,2 ºC lavere enn verdiene oppnådd uten å gripe inn mesh (gjennomsnittlig forskjell = -0,2 ºC ± 0,085 SD, n = 30, temperaturområde på svart kropp = 41,6 til 42,5 ºC).
    Merk: Det er korreksjonsfaktoren bestemt til betingelsene i denne studien, og er egnet til å variere med instrument gjør, og type og bredden av nettet mellom dyret og kameraet, og i hver situasjon må etableres for specific studieforhold.
  9. Fra den maksimale eye-regionens temperaturer registrert bort foran boksen ble lukket velge den høyeste verdien, som vil utgjøre grunnlinjen øye-regionen temperaturen på uforstyrret fugl. Legg dette baseline øye-regionen temperatur som ny kolonne til CVS fil (baseline). Deretter trekker basisverdien fra hver beholdt maksimal øye-regionen temperaturverdi, genererer en ny kolonne i CVS datafil.
    Merk: Denne nye verdien nå uttrykke fuglen svar på mild akutt stress som avvik fra sin uforstyrret baseline temperatur.
  10. Plott avvikene i maksimal øye-regionen temperatur fra grunnlinjen øye-regionen temperatur på alle personer fra etter at fellen var stengt ved hjelp av kommandoen ggplot (pakke ggplot2 v1.0.0 i R 27). Generere bootstrapped 95% konfidensintervall benytter muligheten mean_cl_boot (pakke ggplot2 v1.0.0 i R 27). For mer informasjon se på ekstra kode File.

Representative Results

Resultater fra 9 frittlevende blått puppene presenteres som viser informasjon som kan hentes fra termografi og vise at den antatte signal stress i fugle-regionen temperatur kan påvises i frittgående dyr. Hver fugl ble filmet for et gjennomsnitt på 5,1 ± 0,9 sek (n = 9) før boksen "døren ble lukket. Dette tillot beregning av den uforstyrrede fugleperspektiv-regionen temperatur (baseline temperatur) til hvilken alle etterfølgende tiltak kan det refereres til. I tester utført på 20 sek termisk videoklipp av uforstyrret blå puppene ankommer og fôring innen en felle (n = 9 fugler forskjellige fra de som brukes for anvendelse av en mild stressor), korrelasjoner av r> 0,7 ble funnet å eksistere mellom det maksimale innspilt øye-region temperatur i løpet av de første 5 sekunder, og den maksimale registrert i den første 10, 15 og 20 sek (figur 3). Dette ble tolket som en indikasjon på at den maksimale value registrert i de første par sekunder etter felle innreise var representant for den langsiktige nivå, og gjennomsnittlig øye-regionen temperatur under ca 5 sek rett før boksen nedleggelsen ble brukt som referanseverdi. De blå puppene i denne prøve hadde en gjennomsnittlig baseline øye-region temperatur på 38,4 ± 0,5 ° C (gjennomsnitt ± SE) og varierte fra 35,8 for å 39,9 ° C (n = ni). Når fugl mates i 5 sekunder for å tillate beregning av grunnlinjen øye-region temperatur, ble boksen døren lukket ved experimenter. Alle fugler merke nedleggelsen av boksen som gjenspeiles av sine rømningsforsøk flyreiser.

Ved lukking av teina, øye-regionen temperaturen falt hurtig og nådde et minimum øye-region temperatur ~ 1,3 ° C under grunnlinjen temperatur etter ~ 10 sek (figur 4). Figur 4 viser den sammensatte kurve basert på den maksimale øye- region temperaturen til alle ni individer gjennomsnitt for hvert sekund. Ettersomtiming og størrelsen av øye-regionen temperaturfallet varierer mellom individer de sammensatte kurve maskerer den virkelige omfanget av temperaturrespons. Den midlere temperaturfall beregnes for hvert enkelt separat er 2,0 ± 0,2 ° C og den laveste punkt er nådd etter 9,4 ± 2,8 sek (gjennomsnitt ± SE). Fra da av, øye-regionen temperaturen gradvis tilbake til utgangsnivået øye-regionen temperatur over følgende 2-3 min, men nådde ikke helt grunnlinjen innen utgangen av rettssaken.

Figur 1
Figur 1. filming arena. Oppsettet i felten er designet for å tiltrekke fugler til synsfeltet til kameraet, hvor en mild akutt stressfaktor kan påføres ved hjelp av en mateboks. Oppsett besto av en 25 av 14 cm og 16,5 cm høye boks inne fra kryssfiner, med et frontpanel av galvanisert netting med en åpning size av en av 2,5 cm. Maske tillater infrarød stråling å passere gjennom, noe som gjør det mulig å filme fugler mens inne i set-up. Netting ble valgt, som glass og de fleste plast ikke overføre infrarød stråling. Et hull med 60 mm diameter ble skåret i den venstre endeveggen, slik at fuglen inn i set-up og få tilgang til mat plassert på høyre ende av esken. En temperatur logger probe klemt mellom to ruter av svart isolasjonstape (markert med svart pil) er festet til øvre høyre hjørne av frontpanelet for å spille inn en referansetemperatur. Det milde akutt stressfaktor er påført fuglen innsiden ved å lukke boksen. Trekke på et fiskesnøre festet til en roterende dør ved inngangen hullet tillatt eksperimentator å lukke boksen når en fugl er inne. Det varmesøkende kameraet satt foran fellen registrerer hele hendelsesforløpet. Klikk her for å se en større versjon of denne figuren.

Figur 2
Figur 2. Termisk Bilde av en blå Tit. Mesteparten av en passerine kroppen er godt isolert ved fjær (eller i en mindre grad av bein vekt), men huden rundt øyet er utsatt for og stråler ut mest mulig varme under normale omstendigheter, og er omgitt av kjøligere integument eller bakgrunn. Dette er vist i denne termisk bilde av den gule fargen (høyeste temperatur) rundt øyet, oransje, rød, lilla og blå farge bety kjøligere og kjøligere temperaturer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Repeatabilities av baseline temperatur målt over ulike tidsperioder. Korrelasjonskoeffisienter mellom den maksimale temperaturen registrert i det første 1-8 sek av et klipp og 'gjennomsnitt av maksimumsgrenser' innenfor 0.5º av høyeste verdien registreres for første 10, 15 og 20 sec av klipp (representert av røde, blå og grønne linjer, henholdsvis). Alle klemmene var 20 sekunder i varighet (n = 9). Under innledende analyse ved hjelp av et større datasett, ble en rekke av de 'hjelp av maksimumsgrenser' beregnet fra bare en verdi, og ga den samme verdien for rho tvers av alle sammenligninger. Disse klipp ble fjernet fra analysen, bare de der midler ble beregnet ut fra mer enn 3. målinger forlate. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Responseav øyet-regionen temperaturen til fangst. Det er en meget klar og uttalt signalet fra fangst arrangementet reflekteres i endring av øye-region temperatur over tid. For å sammenligne grader individer som varierer i sine grunnlinje temperatur, gjenværende øye-region temperatur, som forskjellen mellom den virkelige temperatur og den enkeltes referansetemperatur, er plottet på den vertikale aksen. Dette er plottet mot tid med lukking av teina angitt som 0 og fuglen fjernet fra fellen etter 3 min. Den røde linjen viser gjennomsnittlig rest temperatur og grå bandet representerer 95% konfidensintervall. Vennligst Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Hensikten med denne artikkelen er å beskrive den nødvendige metode for å måle endringer i hudtemperatur av en fri-levende dyr som respons på en akutt stressfaktor. Denne studien viser at raske endringer i hudtemperatur forbundet med en akutt stressrespons hos ville fugler kan fanges ikke-invasiv hjelp IRT. Denne prosedyren involvert fem viktige stadier (1) utforming av aktuelle feltet satt opp ved hjelp av en svært mobil termografi system, (2) måling av baseline temperatur, (3) bruk av en mild stressor involverer fange fugl i set-up, (4) post hoc automatisert prøvetaking av øye-regionen temperatur og (5) kalibrering utklippede temperaturdata. Metodikken er beskrevet her ble brukt til fangst av ville blå puppene. Representative baseline øye-regionen temperaturer kan bli fanget i så lite som 5 sek. Beregnet tid som kreves for å ta opp ett fugl i feltet var ca 1 time, med en ytterligere time kreves for å behandle3 min termisk videosekvens.

Samle gode data på et dyrs hud temperatur krever høy kvalitet termiske bilder. Termiske kamera bare avviker fundamentalt fra synlig lys kameraer i form av bølgelengden til elektromagnetisk stråling som de oppdage, og dermed mange av de konseptene som gjelder i fotografering (f.eks synsfelt, dybdeskarphet) gjelder også i termografi. Som normalt praktisert av naturfotografer, ethvert sted som et dyr besøk forutsigbart, der naturlige (f.eks reirplasser) eller kunstige (f.eks matere), kan brukes til å samle termiske bilder. Tiltrekke dyr til kameraet heller enn å forsøke å følge dem om deres habitat har nytte av slik at vi kan sette opp kameraet i forveien, for å samle høy kvalitet bilde med minimal forstyrrelser så snart dyret kommer til syne. Men med denne metode, er det viktig å undersøke eller står for virkningene avden spesifikke konteksten av måling på stress eller hudtemperatur. For eksempel her, fuglene ble målt i en fôring sammenheng, og maten ble brukt til aktivt å lokke blå puppene inn i oppsettet. Forskning på kyllinger tyder på at akutte positive erfaringer, for eksempel forventning og forbruk av mat belønning i en assosiativ læring rettssak kan også senke øyen temperatur 29. Som sådan, kan 'baseline nivå "av personer som påbegynner dette spesielt sett opp påvirkes av foreningen av denne loven med lønn. Denne muligheten garanterer videre etterforskning, men hvis det finnes, kan forventes å øke slipp fra baseline nivå allerede observert. Videre oppstår thermogenesis med fordøyelsen av maten, selv om de spesifikke effekter av mat konsumert under baseline måling ikke forventes å vesentlig øke temperaturen i 3 min fangstperioden 30.

Denne begrensningen vurderes, måle alle dyr medpå samme sammenheng er også en stor styrke av denne tilnærmingen. De representative Resultatene viste at det var stor variasjon i øye-regionen temperatur mellom individer innen akutt stressor ble påført (baseline øye-regionen temperatur). Variasjonen i baseline øye temperatur (variasjonskoeffisient = 3,9%) kan være delvis på grunn av målefeil eller en sann refleksjon av mellom-individ forskjeller. Perioden IRT kameraet registrerte temperaturen i svart isolasjon tape over 5 sek når båndet temperatur ikke endret, var gjennomsnittlig variasjonskoeffisient var 0,26% (fra 0,08% til 0,59%). Selv om målefeilen er sannsynlig å være større i et bevegelig fugl det likevel indikerer at det meste av denne variasjonen i basis øye-region Temperaturen er faktisk mellom individer. Oppfatningen av relativt små målefeil på bevegelige fugler er videre støttet av høy repeterbarhet av øye-regionen temperatur over 20 sekunder under basismålinger (

Som svar på en godt etablert akutt mild stressfaktor til et dyr forventet vi hurtige forandringer i mønsteret av blodstrømmen, fra periferien til kjernen via sympatisk mediert vasokonstriksjon som reduserer hudtemperatur 17. Den Periorbitalt region ble valgt da dette gitt den eneste regionen av kroppen som var uisolert og er assotet til en rik intermingled nettverk av små blodårer, den rete ophthalmicum som kan påvirke varmetapet fra øyet 31. Rask bildefrekvens av varmeopptaksknappen, teknikken var i stand til å vise et fall i øye-regionen temperatur på ca to ° C i 10 sek etterfulgt av en påfølgende økning i temperaturen til innenfor 0,5 ° C over baseline innen 3 min. Selv om perifer kjøling i respons til mild stress har vært registrert tidligere på rundt 1 min intervaller 17,26, 32, teknikken her viste det maksimale temperaturfall kan være ekstremt rask. Med lavere tidsoppløsning omfanget av denne effekten kan være savnet. Dette kan være viktig når man sammenligner forskjeller i belastning responsen av forskjellige individer. Den re-oppvarming av fuglen etter den raske "fight or flight" responsen kom ikke tilbake til baseline nivå som fuglen holdt seg inne i boksen som indikerer at fuglen holdt seg fysiologisk stresset. Fuglene var utgivelsend fra det eksperimentelle oppsettet etter en vilkårlig valgt avslutningspunkt på ca. 3 minutter for å minimere periode av beherskelse av et frittlevende dyr. Men i fremtiden kan prøvelser må være lengre for å spille inn den fullstendige temperatur svar før dyrets øye-regionen temperaturen er tilbake til utgangspunktet nivå, hvis logistisk mulig.

Denne nye protokollen involverer en serie bilder som samles før og etter stressor ble brukt nå tillater detaljert studie av dynamikken responsen på akutt stress, og sammenligninger av flere tidspunkter mellom enkeltdyr. Gjenta denne rettssaken innenfor personer over forskjellige årstider eller miljøforhold kan tillate effektene av miljøet på baseline eller post-akutt stress hudtemperatur å være disentangled, som en mulig vei inn i kronisk stress vurderingen også. .

Hudtemperatur av en fugl er avhengig ikke bare av metabolsk varmeproduksjon ogblodstrøm, men også på varmeveksling fra solstråling, vindhastighet og tisse 25. Dette utelukker våte og vindfulle forhold fra nøyaktige termografiske opptak. Øyet-regionen temperatur registrert av et varmesøkende kamera kan til tider enten undervurderes (negativ feil) eller overvurdert (positiv feil). Betydelig positiv feilen ville kreve energitilførsel, men dette ble unngått ved fugl i fôring boksen blir skjermet fra solen. En annen kilde til positiv feil inkludert når fuglen blunket. Av og til fuglen trekker kort dens nictitating membran over øyet-region, og som det er lagret internt ved en temperatur nærmere den til legemet kjernen, blinkende gir en unormalt høy temperatur avlesning når det dekker øyeeplet. Dette er imidlertid lett detektert som det etterlater en meget markert signatur og de berørte rammen kan fjernes. Den viktigste grunnen for et negativt feil i våre registre var bevegelsesuskarphet. Enhver bevegelse altfor raske til å bli fanget sharply av bildefrekvens på kameraet forundrer data tatt fra den lille varm øye-regionen i bildet med at av de rundt kjølig område (motion blur), noe som resulterer i en undervurdering av øye-regionen temperatur. Dermed etter fjerning positive feil dette gjør den høyeste temperaturen målt fra øye-regionen mest mulig nøyaktig måling og en automatisert filtrering ved hjelp av kommandoen topper funksjonen fjerner de mindre sannsynlige lavere verdier av maksimal øye-regionen temperaturer.

I tillegg, som infrarød stråling absorberes av vanndamp, overflate temperaturen registreres vil bli påvirket av den relative fuktighet i omgivelsene. Dette kan gjøres rede for ved å angi lufttemperatur, relativ fuktighet og avstand til objektet i analyse Thermal Image Analysis Software. Imidlertid er en mer nøyaktig og effektiv metode (som foretas her) for å inneholde en referanse legeme med kjent temperatur og emissiviteten innenfor synsfeltet. I vårt tilfelle varen firkantet sort isolasjonstape med en emissivitet på 0,97, som er omtrent det samme som det naturlige integument 33. Dette gjør det mulig å kalibrere øye-regionen temperatur ved hjelp av forskjellen mellom de faktiske og termiske-avledet temperaturverdier målt for isolasjonsbåndet. Overflatetemperaturen av sortlegeme kan deretter brukes til å kalibrere bilder kontinuerlig gjennom hele måleperioden.

Takket være de teknologiske fremskritt i utviklingen i de termiske kameraer de kan nå tas i bruk som små lette kameraer i stand til å samle mange bilder per sekund over lengre tidsperioder. Selv om termografi er en mye brukt teknikk i avian forskning 25, har størrelsen og bekostning av termiske systemer begrenset bruken i naturen. I denne studien var systemet svært portabel, koster ca. £ 6000 og gitt høy oppløsning termisk video stand til ikke-invasiv måte å ta nøyaktig temperature data fra frittlevende dyr uten behov for håndtering av fugler. Opptak på flere bilder per sekund gjør målinger av høyoppløselig tidsserie av perifer temperatur og gir dermed muligheten til å utforske det dynamiske av den akutte stressrespons. Dette er vanskelig å oppnå med konvensjonelle glukokortikoid prøven som er begrenset av antallet prøver som kan tas i løpet av en tidsperiode. Her har vi trukket ut en tidsserie av øye-region temperatur med et intervall på ett sekund, noe som var tilstrekkelig for å demonstrere den øye-regionen temperaturrespons til en akutt stressfaktor (capture), men høyere tidsoppløsning vil også være mulig. Oppbygging av et stort antall bilder, men krever en viss grad av automatisering i utvinning av informasjon fra bildene. Protokollen beskriver en enkel semi-automatisert prosess for å ekstrahere den maksimale temperatur fra hvert bilde. Vi var i stand til å gjøre dette så regionen av interesse, øye-regioN, var alltid den varmeste sted i bildet. Analyse kan være mer problematisk hvis regioner av interesse er mer komplekse og kan kreve spesialdesignet mønstergjenkjenning programvare (for eksempel 34). I denne studien noen manuell filtrering var nødvendig for situasjoner hvor øyet-regionen temperatur var over- eller undervurdert, men disse ble lett oppdaget, men selvfølgelig videre automatisering er ønskelig. Målingene av stress-indusert perifer kjøling av varmesøkende gir et verdifullt tillegg til andre fysiologiske målinger av spenning og den ikke-invasiv aspekt ved denne teknikk er meget fordelaktig for videre studier som involverer fangenskap og ville dyr.

Fange komplett stressrespons, har infrarød termografi klart et stort potensial som et verktøy for stress vurdering. For å bli en ikke-invasiv alternativ til etablerte hormonelle og kjernetemperatur analyser selv, vil det være nødvendig å kryss-validere blant disse tiltakene ogavgjøre om hudtemperatur viser samme proporsjonalitet med stress intensitet, dvs., kan omfanget av huden temperaturrespons reflektere styrken av stressfaktoren. Fremtidig forskning bør også ta opp hvorvidt hudtemperatur fanger kronisk stress. Mens SIH i respons til en akutt stressfaktor er forventet å være forbigående, gjennomgående eksponering overfor fysiske eller psykiske akutt stressfaktorer kan generere kronisk økt kjernetemperaturen 35,36. Enten pågå vasokonstriksjon bidrar til denne kjerne høyde er ikke testet eksplisitt. Men korrelative studier på mennesker lider kronisk stress-relatert sykdom gjør viser reduserte finger temperaturer 37. En endelig egenskap å utforske er valens: evnen til å skille positive mot negative hendelser. Hormonprøvene kan ikke skille valens 5, med glukokortikoid nivåer vises til å reflektere magnetiseringsnivået stedet for stresset spesielt. Forskning på kam temperamentature i innenlandske kyllinger utsatt for aversive og positive stimuli foreslår hudtemperatur kan være like beslektet til generell opphisselse 22,29. Men hos mennesker, ulike emosjonelle tilstander framprovosere regionalt konkrete endringer i huden temperatur, for eksempel Periorbitalt oppvarming og kinn kjøling når skremt 38, men samlet redusert hudtemperatur når ler 39. Sammenligninger mellom ulike regioner kan likevel avsløre emosjonelle tilstand. Ved hjelp av anbefalingene lagt ut i denne artikkelen, vil det være mulig å ta opp alle disse spørsmålene, og validere hudtemperatur som en ikke-invasiv markør for 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

Neuroscience Akutt stress blåmeis fangst stress-indusert hypertermi kroppstemperatur stress vurdering
Termografi å studere Stress Non-invasiv i Uhemmet Birds
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