Termografi til Studieinformationen Stress Ikke-invasivt i Hæmningsløse Birds

Neuroscience
 

Summary

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.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

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.

Introduction

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

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.

Protocol

Etik Statement:

Arbejdet indebar en rutinemæssig fældefangstmetode af fritlevende små spurvefugle er godkendt af den britiske Trust for Ornithology og capture-protokollen fremkalde en mild stress i fuglen blev udført under UK hjemmekontor licenser.

1. Set-up til at filme

  1. Opret en filme set-up, hvor fuglene opfordres til at positionere sig i foran kameraet (Figur 1). Fuglen ind i opsætningen gennem et hul i den ene ende væg og har adgang til fødevarer tæt til den modsatte endevæg.
  2. For at vænne fuglene til opsætning, giver en passende mad (f.eks jordnøddekerner) ved feeder i flere uger før optagelse. Bortset fra levering af maden, forlader opsætningen uforstyrret. I denne periode, skal du placere en dummy stativ foran feeder at lade fuglene også vænne til kameraet.
  3. På dagen for optagelsen, reducere availabiheden af ​​jordnøddekerner i opsætningen ved at fjerne alle resterende mad fra feeder og erstatte det med mad, der er indeholdt i en gennemsigtig beholder med kun et lille hul i midten på toppen, hvorigennem fugle kan få adgang til fødevarer. Anbring dette fødevarebeholder i midten af ​​buret ved enden modsat til indgangshullet.
  4. Placer en lille firkant sort isoleringstape med kendt emissivitet til den for naturlig Integument i et af hjørnerne i masken af ​​kassen, så det vises i alle billeder. Fastgør den sorte isoleringstape til et termoelement forbundet med en temperaturlogger der registrerer temperaturen af ​​den sorte isoleringstape med en opløsning på 0,1 ° C hver 1 sek.
  5. Anbring termisk kamera 50 cm fra centrum af kassen fælden, så alle kassen passer ind i kameraets synsfelt, og fugle fodring fra den klare beholder vil blive placeret i kameraets zone af fokus. Slut kameraet til en bærbar computer, skal du indstille kameraet til at optage billeder på i gennemsnit på 7,5 billeder pr sekund (med et tidsstempel), og sende billeder til den bærbare harddisk, der skal gemmes der.
  6. Vedhæft en fiskesnøre til den roterende døren til opsætning og rul den ud til en position, hvor forsøgslederen er skjult af fuglene, men opsætningen kan stadig observeres - omkring 20 m fra opsætningen.

2. Filme fuglens reaktion på en mild akut stress

  1. Når en fugl kommer ind foderboksen, lad fuglen uforstyrret i boksen i ca. 5 sek.
  2. Træk snøren efter at fuglen havde tilbragt ca 5 sek i boksen for at lukke foderboksen. Pas på, at fuglen er stadig i den fjerneste ende af kassen for at minimere risikoen for skade på fuglen.
  3. Umiddelbart nærmer foderboksen og stå ubevægelig bag kameraet i ca. 3 minutter. Derefter hente fuglen ud af kassen og lad det gå.
"> 3. Ekstraktion af Eye-region Temperatur fra termiske billeder

  1. Uddrag maksimale temperatur fra hver ramme. Bemærk: Den maksimale temperatur blev næsten altid registreres fra regionen omkring øjet, der afgrænses af den eksponerede hud periophthalmic ring (figur 2), er i det følgende benævnt eye-regionen temperatur.
    1. I Thermal Imaging Analysis Software højreklikke på billedet, "tilføje" en ny plot for den maksimale billedet. Derefter skal du højreklikke på grunden, der eksporterer dataene (eye-regionen temperatur og tiden rammen blev taget) til en CSV-fil.
  2. Slet fra CSV-filen alle linjer fra frames hvor øjet-regionen af ​​fuglen ikke var synlig.
  3. Plot maksimale temperatur mod tiden i R 27, identificere manuelt peger hvor temperaturen pigge> 0,2 ºC mellem to på hinanden aflæsninger når blinkhinden blev trukket over øjet (blinker) og punkter med lave værdier outside rækken af kropstemperatur for fugle 28 (dvs., når øjet-regionen var synlige, men sløret gennem beslutningsforslag flere rammer), og fjern derefter de relevante linjer fra CSV datafilen produceret under trin 3.1.
  4. Mål omgivelsestemperatur.
    1. Hent data (tid og logger temperatur) fra temperaturen logger på en computer og eksport i et regneark.
    2. For at få den omgivende temperatur fra den termiske billede, i det termiske billede Analysis Software tegne en firkant over den sorte isolering tape, der dækkede temperatur logger sonde, derefter højreklikke på pladsen og vælg 'tilføje nye plot "for pladsen gennemsnitlige temperatur.
    3. Derefter skal du højreklikke at plot, at eksportere data (tid og IRT temperatur) til en CSV-fil. Flet serie de to resulterende temperatur tid for temperatur logger og termisk billede matching for tiden i en regneark.
  5. Korrekt øje-region tempere mod omgivelsestemperatur. Eksportere regneark oprettet i trin 3.4 i CSV-filen matcher til tiden. Hver af de tilbageværende eye-regionen temperatur tilføje forskellen mellem temperaturen logger og de termiske-afledte temperaturværdier (logger temp - IRT temp) målt på samme tid.
  6. Udfør automatiseret filtrering for at fjerne mindre nøjagtige lave eye-region temperatur værdier ved hjælp peak søgealgoritme (se Supplemental Code File) til at udtrække den højeste (og derfor mest præcise) peger i data automatisk.
    Bemærk: Den maksimale søgealgoritme reorganiserer temperaturdata i en vektor med en brugerdefineret bredde (span), anbefales span = 3, ekstraktion af centrale værdi i rækker, hvor tallene enten side er lavere, dvs. toppene.
  7. Brug lineær interpolation til at lukke de huller efterladt af sekvenser, når nogen top blev ekstraheret, og når øjet-regionen ikke var synlig. Brug kommandoen na.approx (zoo pakke v1.7-11 i R27) til opnåelse af en enkelt temperaturværdi per sekund for den enkelte.
  8. I CVS datafil, tilføje en værdi på 0,2 til hvert øje-region temperaturen for at korrigere for effekten af ​​at tage billeder gennem en sigte.
    Note: Tests viste, at når et sort legeme, opvarmes til indbyrdes betyder bird kropstemperatur på ~ 41 ºC i sin aktive fase 28 blev afbildet gennem masken vindue med samme maskestørrelse som anvendt i optagelserne set-up, temperaturer registreret af den termisk kamera i områder, der ikke skjult af ledningerne var 0,2 ºC lavere end værdier opnås uden den mellemliggende mesh (betyde forskel = -0,2 ºC ± 0,085 SD, n = 30, temperaturområde sort legeme = 41,6-42,5 ° C).
    Bemærk: Dette er korrektionsfaktoren specifik for betingelserne i denne undersøgelse og vil sandsynligvis variere med instrumentet gøre, og type og bredde masken mellem dyret og kameraet, og i hver situation skal etableres for specific undersøgelse forhold.
  9. Fra den maksimale eye-region temperaturer optaget fra før kassen blev lukket vælge den højeste værdi, som vil udgøre baseline eye-region temperatur den uforstyrrede fugl. Tilføj denne baseline øje-region temperatur som en ny kolonne til CVS-fil (baseline). Derefter trække baseline værdi fra hver beholdt maksimal øje-region temperatur værdi, genererer en ny kolonne i CVS datafil.
    Bemærk: Denne nye værdi nu udtrykke fuglens reaktion på mild akut stress som afvigelse fra dets uforstyrrede baseline temperatur.
  10. Plot afvigelserne i maksimal øje-region temperatur fra baseline øje-region temperatur alle personer fra efter fælden blev lukket ved hjælp af kommandoen ggplot (pakke ggplot2 v1.0.0 i R 27). Generer bootstrapped 95% konfidensintervaller ved hjælp af indstillingen mean_cl_boot (pakke ggplot2 v1.0.0 i R 27). For detaljer se supplerende kode fil.

Representative Results

Resultater fra 9 fritlevende blå bryster præsenteres der illustrerer de oplysninger, der kan fås fra termografi og vise, at den forventede signal om stress i fugleperspektiv-region temperatur kan påvises i fritgående dyr. Hver fugl blev filmet til et gennemsnit på 5,1 ± 0,9 sek (n = 9) inden boksen 'døren blev lukket. Dette tillod beregningen af ​​den uforstyrrede fugleperspektiv-region temperatur (baseline temperatur), hvortil alle efterfølgende foranstaltninger kan henvises til. I forsøg udført på 20 sek termisk videoklip af uforstyrrede blå bryster ankommer og fodring i en fælde (n = 9 fugle er forskellige fra dem, der anvendes for at anvende en mild stressor), korrelationer af r> 0,7 blev konstateret mellem den maksimale eye-region temperatur registreres under de første 5 sek, og den maksimale optaget i den første 10, 15 og 20 sek (figur 3). Dette blev fortolket som angiver, at den maksimale vaLue registreret i de første par sekunder efter fælde post var repræsentativ for den langsigtede niveau, og den gennemsnitlige øje-region temperatur under ca. 5 sek umiddelbart forud kasse lukning blev brugt som baseline-værdi. De blå bryster i denne prøve, havde en gennemsnitlig baseline eye-regionen temperatur på 38,4 ± 0,5 ° C (gennemsnit ± SE) og varierede fra 35,8 til 39,9 ° C (n = 9). Når fuglen fodres i 5 sekunder for at tillade beregning af baseline eye-regionen temperatur blev boks døren lukket af forsøgslederen. Alle fugle bemærket lukning af boksen som det fremgår af deres forsøg flugt flyvninger.

Ved lukning af fælden, øjet-regionen faldt temperaturen hurtigt og nåede et minimum øje-region temperatur ~ 1,3 ° C under grundlinjen temperatur efter ~ 10 sek (figur 4). Figur 4 viser den sammensatte kurve baseret på den maksimale øje- region temperatur alle ni individer gennemsnit for hvert sekund. Somtiming og størrelsen af ​​øjet-regionen temperaturfald varierer mellem individer de sammensatte kurve maskerer den sande omfang af temperaturen respons. Den gennemsnitlige temperaturfald beregnes for hver enkelt separat er 2,0 ± 0,2 ° C, og det laveste punkt nås efter 9,4 ± 2,8 sek (gennemsnit ± SE). Fra da af eye-region temperaturen gradvist tilbage mod deres hidtidige eye-region temperatur over følgende 2-3 min, men ikke helt nå baseline ved udgangen af ​​forsøget.

Figur 1
Figur 1. optagelserne arena. Opsætningen på området er designet til at tiltrække fuglene til synsfeltet af kameraet, hvor en mild akut stressor kan anvendes ved hjælp af en foderboksen. Det set-up bestod af en 25 med 14 cm og 16,5 cm høj kasse bygget fra krydsfiner, med en front panel af galvaniseret trådnet med en åbning size på 1 med 2,5 cm. Nettet giver infrarød stråling at passere igennem, gør det muligt at filme fugle mens inde i opsætningen. Trådnet blev valgt, da glas og de fleste plastmaterialer ikke sender infrarød stråling. Et hul med en diameter på 60 mm blev skåret i venstre endevæg at tillade fuglen ind i opsætning og få adgang til fødevarer placeret i højre ende af kassen. En temperatur logger sonde klemt inde mellem to kvadrater af sort isoleringstape (markeret med sort pil) er fastgjort til det øverste højre hjørne af frontpanelet for at optage en reference temperatur. Den milde akutte stressor påføres fuglen inde ved at lukke kassen. Trække på en fiskesnøre fastgjort til en roterende dør ved indgangen hul tilladt forsøgslederen for at lukke kassen, når en fugl er inde. Den termisk kamera sæt foran fælden registrerer hele hændelsesforløbet. Klik her for at se en større version of denne figur.

Figur 2
Figur 2. Termisk Billede af en Blue Tit Størstedelen af en passerine krop. Er godt isoleret med fjer (eller til en mindre grad af ben skalaer), men huden omkring øjet er blotlagt og udstråler meste af varmen under normale omstændigheder og er omgivet af køligere integument eller baggrund. Dette er vist i denne termiske billede af den gule farve (højeste temperatur) omkring øjet, orange, rød, lilla og blå farve tilkendegiver køligere og køligere temperaturer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. repeterbarhed af baseline temperatur målt over forskellige perioder. Korrelationskoefficienter mellem den maksimale temperatur registreret i den første 1-8 sek af et klip, og den »gennemsnit af de beløbsgrænser« i 0,5º af de højeste værdier, der registreres for de første 10, 15 og 20 sek af klip (repræsenteret ved røde, blå og grønne linjer, henholdsvis). Alle klip var 20 sek varighed (n = 9). Under indledende analyse ved hjælp af en større datasæt, blev en række af de 'hjælp af de beløbsgrænser' beregnet ud fra kun 1 værdi, og gav den samme værdi for rho tværs af alle sammenligninger. Disse klip blev fjernet fra analysen, så kun dem, hvor midler blev beregnet ud fra mere end 3 målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Reaktionaf øjet-regionen temperatur til klemning. Der er en meget klar og udtalt signal fangstøjeblikket afspejles i ændringen af øjet-regionen temperatur over tid. At sammenligne på tværs af individer, der varierer i deres baseline temperatur, resterende eye-regionen temperatur, som forskellen i den aktuelle temperatur, og at individets baseline temperatur, er plottet på den lodrette akse. Dette er plottet mod tiden med lukningen af ​​fælden sat som 0 og fjernes fra fælden efter 3 min fugl. Den røde linje viser den gennemsnitlige resterende temperatur og det grå bånd repræsenterer 95% konfidensinterval. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

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 (

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 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.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics