Värmekameror för att studera stress Icke-invasivt i sidostagade Fåglar

Neuroscience
 

Summary

Det finns ett behov för en icke-invasiv bedömning av stress. Detta dokument beskriver ett enkelt protokoll med hjälp av värmekameror för att upptäcka en signifikant svar i ögon region temperatur i vilda blåmesar till en mild akut stress.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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, ett centralt begrepp inom biologi, beskriver en serie akuta svar på utmaningar. Bland andra svar, leder spänning till en förändring i blodflödet som resulterar i en netto inflöde av blod till viktiga organ och en ökning av kärntemperaturen. Denna stressinducerad hypertermi används för att bedöma stress. Att mäta kärntemperaturen är invasiv. Såsom blodflödet omdirigeras till kärnan, kan periferin av kroppen svalna. Detta dokument beskriver ett protokoll där perifer kroppstemperatur mäts icke-invasivt i vilda blåmesar (Cyanistes caeruleus) med hjälp av termografi. Inom området har vi skapat en set-up föra fåglarna till en idealisk position framför kameran genom att använda ett baited låda. Kameran tar en kort termisk videoupptagning av ostörda fågeln innan en mild stress (stänga lådan och därför fånga fågeln), och fågel svar på att bli instängd registreras. Den nakna huden på ögon regionen ärvarmaste området i bilden. Detta möjliggör en automatiserad extraktion av den maximala temperaturen ögonområdet från varje bildram, följt av ytterligare åtgärder för manuell datafiltrering tar bort de vanligaste felkällorna (rörelseoskärpa, blinkande). Detta protokoll ger en tidsserie för ögontemperaturområdet med en fin tidsupplösning som tillåter oss att studera dynamiken i stress icke-invasivt. Ytterligare arbete måste visa nyttan av metod för att bedöma stress, exempelvis för att undersöka om ögon region temperatursvaret är proportionell mot styrkan i stress. Om detta kan bekräftas, kommer det att ge ett värdefullt alternativ metod för bedömning stress hos djur och kommer att vara till nytta för ett brett spektrum av forskare från ekologer, bevarandebiologer, fysiologer till forskare djurskydds.

Introduction

Stress är ett centralt begrepp i biologi, beskriver räddningsinsatser av en organism som svar på en miljöutmaning att försöka återställa homeostas 1,2. Under stress, blodsocker, fettsyror och aminosyror nivåer, puls, andningsfrekvens och ämnesomsättning allt ökar och blodet avleds från periferin till kärnan organ 2. Denna allmänna mönster av fysiologiska förändringar primtal djuret för att kunna reagera snabbt och adaptivt till en rad sociala och fysiologiska utmaningar. Samtidigt som man erkänner och förstå stress är i centrum för både ren och tillämpad djurförsök, bedömning av stress i ohämmad djur är fortfarande en utmaning.

En allmänt använd fysiologisk markör för stress är en ökning i nivåerna av cirkulerande glukokortikoid hormoner, såsom kortisol och kortikosteron 1,2. En stor styrka med denna metod är att deras koncentrationer ökar in proportion till stress intensitet, vilket gör att stress kvantifieras. Men glukokortikoider inte "stress" hormoner i sig, men mobilisers energi butiker 2. Som sådana glukokortikoid nivåer förändras också med energibehov, tid på dygnet, ålder och reproduktiva status 3,4, samt som svar på till synes positiva situationer, såsom passande tillfälle 5. Glukokortikoid nivåer måste därför tolkas med försiktighet och i ett sammanhang. Mätning av glukokortikoid respons på akut stress har också vissa begränsningar. En akut stress utlöser en dynamisk respons initialt öka glukokortikoid nivåer och därefter återgå till en basnivå 1,2. Glukokortikoid prover erhålles typiskt invasivt genom blodprovstagning som är en stressfaktor i sig och kan därför påverka de uppmätta glukokortikoid nivåerna 6. Dessutom glukokortikoid nivåer kan bara mätas på ett eller mycket få tid points, som inte får fånga variation i toppnivåer och timing eller svars varaktighet, vilket begränsar vår förmåga att undersöka förändringar genom tiden för den dynamiska stress inom individer. Icke-invasiva metoder för hormon provtagning, såsom från avföring 7, hår eller fjädrar 8, mäta de genomsnittliga glukokortikoid nivåer under en längre tidsperspektiv, av dagar eller månader, men nyttigt att studera kroniska stressfaktorer, är inte tillämpliga på studiet av akut stress . Eftersom även de mest etablerade metoder erbjuder endast ett begränsat perspektiv på variation i akut stress bland individer finns det ett behov av en alternativ metod i fysiologiska mätningar spännings.

Eftersom stress innebär en rad fysiologiska effekter finns andra kandidater som kan tyda på stress. Bland andra sympatiskt-medierad vasokonstriktion kanaler blod från periferin till kroppen kärnan. Denna koncentration av blod och följaktligen värme, tillsammans med olika formulärs av stressinducerade thermogenesis, värmer kärnan 9. Som sådan kärna uppvärmningen, benämnd stressinducerad hypertermi (SIH) har också använts som en markör av akut stress i farmaceutisk forskning 10. SIH höjer typiskt kroppstemperaturen med 0,5-1,5 ° C inom 10-15 minuter av en akut stress 10. Det är en relativt väl dokumenterat fenomen som en allmänt vedertagen experimentell stress att fånga och hantera ett djur kan höja kroppstemperaturen i en rad olika däggdjur och fågelarter 11 - 17. Viktigt, SIH korrelerar med andra etablerade indikatorer på stress, såsom hjärtfrekvensen 18, glukokortikoid nivå 19 och beteende 20,21. Och precis som glukokortikoid nivåer, kärntemperatur har linjärt relaterad till spänningsnivån i vissa arter 22. Men som med blodprovtagnings, är mätning av kärntemperatur invasiv i sig, vilket kräver insättnings or implantation av en sond 10. Baslinje kärntemperaturen ökar gradvis varje gång när stressen framkallande hantering eller sond införing måste upprepas 23. Den senaste utvecklingen i temperatur färdskrivare som tillåter åtkomst av data på distans kan vara en lösning, åtminstone för stora djur 24.

Inom samma mekanism som genererar SIH ligger dock ännu en potentiell markör av påfrestningen: den perifera vasokonstriktion som rör sig blod, och med det värme, till kärnan samtidigt kyler huden 17. Till skillnad från kärntemperatur, kan hudtemperatur mätas helt icke-invasivt genom termografi (IRT). IRT omvandlar den infraröda strålning som avges från ytan av ett objekt i temperatur 25. Som ett djurs yta har vanligtvis några kala fläckar som hudtemperatur kan härledas direkt, kräver tillgång till naturligt exponerad hud (t.ex. området kring than öga) eller skapa en bar fläck genom att klippa päls eller fjädrar. Gav tillgång till en lämplig exponerad hudyta och djuret kan förvaras i synfältet för kameran, kan IRT kameror användas för att fjärr samla kontinuerliga hudtemperaturmätningar, möjligen låta komplett respons temperaturen filmas och jämföras mellan individer . Även om det har redan visats i kycklingar som yttemperaturen svarar på akut stress 26, är det nya i denna studie att den mäter yta kroppstemperatur av vilda djur i en finare tidsupplösning än tidigare studier och även visar att den förväntade hudtemperaturen fall kan detekteras på fältet, där temperatur, fuktighet och väder är variabla. Syftet med denna artikel är att beskriva den nödvändiga metod för att mäta hudens temperatur av en obegränsad djur med hjälp av värmekameror. Vi använder fånga för att framkalla en mild akut stress i fritt levande blåmesar (Cyanistes caeruleus, Linné 1758

Studien genomfördes under perioden mellan den 17: e december 2013 och 4: e januari 2014 i en lövfällande ek (Quercus spp.) Skogen på den skotska Centrum för ekologi och naturmiljön (SCENE), University of Glasgow på östra stranden Loch Lomond, västra centrala Skottland (56,13 ° N, 4,13 ° W). Protokollet omfattar tre huvudsteg: (1) Ställa in lämpliga förhållanden under vilka att ta värmebilder från en frigående djur, (2) applying en akut stressfaktor när du tar en termisk video, och (3) extraktion och databehandling från värmebilder som sedan kan användas för att karakterisera djurets svar på den akuta stress. I vårt fall lockade vi en fritt levande tätting, den blåmes till en utfodringsbåset (filma set-up) där villkoren för termisk bildtagning har optimerats, och sedan tillämpat en capture stress genom fjärr stänga utfodringsbåset när fågeln var inne . Beskrivningen av termiska bildfångst och datautvinning är specifik för den utrustning som vi använde, och kan variera mellan termiska bildsystem. Databehandling beskrivs med en programvara med öppen källkod.

Protocol

Etik uttalande:

Arbetet innebar en rutinfångstmetod för fritt levande små tättingar som godkänts av British Trust for Ornithology och tillfångatagandet protokollet framkalla en mild stress i fågeln utfördes under brittiska hemmakontoret licenser.

1. Ställ upp för filmning

  1. Skapa en filmning set-up där fåglar uppmuntras att positionera sig framför kameran (Figur 1). Fågeln kommer in i uppställningen genom ett hål i en ändvägg och har tillgång till mat nära den motsatta ändväggen.
  2. För att vänja fåglarna till set-up, åstadkomma en lämplig föda (t.ex. jordnötskärnor) vid mataren under flera veckor före inspelning. Förutom tillhandahållandet av livsmedel, lämnar set-up ostört. Under denna period, placera en dummy stativ framför mataren att låta fåglarna också vänja till kameran.
  3. På dagen för inspelning, reducera availability av jordnötskärnor i set-up genom att ta bort alla kvarvarande mat från mataren och ersätta den med mat som finns i en genomskinlig behållare med endast ett litet hål i mitten på toppen genom vilka fåglar kan komma åt maten. Position denna matbehållare i mitten av buren vid änden motsatt till ingångshålet.
  4. Placera en liten fyrkant av svarta isoleringstejp av känd emissions till det naturliga integument i ett av hörnen på maskorna i rutan så det verkar i alla bilder. Fäst den svarta isoleringstejp för att ett termoelement i samband med en temperatur logger som registrerar temperaturen av den svarta isoleringstejp med en upplösning på 0,1 ° C varje 1 sekund.
  5. Placera värmekamera 50 cm från mitten av rutan fällan så att alla lådan passar in i kamerans synfält, och fåglar som livnär sig av den klara behållare kommer att placeras i kamerans zon fokus. Ansluta kameran till en bärbar dator, ställa in kameran att spela in bilder med i genomsnitt 7,5 bilder per sekund (med en tidsstämpel), och skicka bilder till den bärbara datorns hårddisk ska sparas där.
  6. Fäst en fiskelina till den roterande dörren till uppsättning och kavla ut till ett läge där laboratoriet är dolt från insyn av fåglarna, men kan fortfarande observeras uppställningen - ca 20 m från set-up.

2. Filmning Fågel svar på en mild akut stress

  1. När en fågel in i utfodringsbåset, lämna fågeln ostört i rutan under ca 5 sekunder.
  2. Dra fiskelinan efter fågeln hade tillbringat ca 5 sekunder i rutan för att stänga utfodringsbåset. Var noga med att fågeln är fortfarande vid den bortre änden av lådan för att minimera risken för skador på fågeln.
  3. Omedelbart närmar utfodringsbåset och stå stilla bakom kameran under ungefär tre minuter. Sedan hämta fågeln ur kartongen och låta det gå.
"> 3. Utvinning av Eye-region Temperatur från värmebilder

  1. Utdrag högsta temperatur från varje ram. Obs: Den maximala temperaturen var praktiskt taget alltid registreras från regionen runt ögat, som avgränsas av den exponerade huden på periophthalmic ringen (figur 2), och anges nedan kallade ögonregion temperatur.
    1. I Thermal Imaging Analysis Software högerklicka på bilden, "lägga till" en ny tomt för maximal bilden. Högerklicka sedan på tomten som exporterar data (ögon region temperatur och tiden ramen togs) till en CSV-fil.
  2. Radera från CSV-fil alla linjer från ramar där ögat-regionen av fågeln var inte synlig.
  3. Rita maxtemperatur mot tiden i R27, identifiera manuellt punkter där temperatur spikar> 0,2 ºC mellan två på varandra följande avläsningar när blinkhinnan drogs över ögat (blinkande) och pekar med låga värden outside utbudet av kroppstemperatur för fåglar 28 (dvs när ögat-regionen var synlig men suddig genom rörelse för flera ramar) och sedan ta bort de berörda linjerna från CSV datafil som produceras under steg 3.1.
  4. Mät rumstemperatur.
    1. Ladda ner data (tid och logger temperatur) från temperaturlogger på en dator och export till ett kalkylblad.
    2. För att få den omgivande temperaturen från värmebilden i Thermal bildanalys Software rita en fyrkant över den svarta isoleringstejp som täckte temperaturlogger sonden, sedan högerklicka på torget och välj "lägg till ny tomt" för torget medeltemperatur.
    3. Högerklicka sedan att tomten, för att exportera data (tid och IRT temperatur) till en CSV-fil. Slå ihop de två resulterande temperaturen tidsserier för temperaturlogger och värmebild matchning för tid i ett kalkylblad.
  5. Korrekt ögonregion tempere mot omgivningstemperatur. Exportera kalkylbladet skapade i steg 3.4 i CSV-fil matchar om tid. Till varje behöll ögonregion temperatur lägga till skillnaden mellan temperaturen logger och de termiska avbildningshärledda temperaturvärden (logger temp - IRT temp) mätt vid samma tidpunkt.
  6. Utför automatisk filtrering för att avlägsna mindre noggranna temperaturvärden låg ögon region med topp sökalgoritm (se Kompletterande kod File) för att extrahera högsta (och därför mest exakta) poäng i data automatiskt.
    Obs: Topp sökalgoritm omorganiserar temperaturdata i en vektor med en användardefinierad bredd (span), rekommenderas span = 3, extrahera den centrala värdet i rader där siffrorna endera sidan är lägre, dvs topparna.
  7. Använd linjär interpolation för att stänga luckor som sekvenser när ingen topp extraherades, och när ögonregionen var inte synlig. Använd kommandot na.approx (zoo paket v1.7-11 i R 27) för att ge en enda temperaturvärde per sekund för varje individ.
  8. I CVS datafil, lägger till ett värde av 0,2 till varje öga-temperaturområdet för att korrigera för effekten av att ta bilderna genom ett nät.
    Obs: Tester visade att när en svart kropp, värms att närma betyda fågel kroppstemperatur på ~ 41 ° C i sin aktiva fas 28, avbildades genom maskor med samma maskstorlek som användes vid inspelningen set-up, temperaturer som registrerats av värmekameran i områden som inte fördunklas av trådarna var 0,2 ° C lägre än värden som erhålls utan mellanliggande mesh (genomsnittlig skillnad = -0,2 ºC ± 0,085 SD, n = 30, temperaturområde av svart kropp = 41,6-42,5 ºC).
    Obs: Detta är korrektionsfaktorn specifika villkoren i denna studie och kan variera med instrument gör, och typ och bredd av nätet mellan djuret och kameran, och i varje situation måste fastställas för specific studievillkor.
  9. Från de maximala ögonregion temperaturer som spelats in från före boxen stängdes välj det högsta värdet, som kommer att utgöra baslinjen ögonregion temperaturen för ostörda fågeln. Lägg till detta baslinjen ögontemperaturområdet som en ny kolumn till CVS-fil (baslinje). Sedan subtrahera baslinjevärdet från varje behållen maximal ögon region temperaturvärde, generera en ny kolumn i CVS datafilen.
    OBS: Denna nya värdet nu uttrycka fågel svar på mild akut stress som avvikelse från sitt ostörda baslinjetemperatur.
  10. Rita avvikelserna i maxtemperatur ögonregionen från baslinjen ögontemperaturområdet av alla personer från efter fällan stängdes med kommandot ggplot (paket ggplot2 v1.0.0 i R 27). Generera bootstrapped 95% konfidensintervall med alternativet mean_cl_boot (paket ggplot2 v1.0.0 i R 27). För mer information se Supplemental Code fil.

Representative Results

Resultat från 9 fritt levande blåmesar presenteras som visar information som kan erhållas från värmekameror och visar att den förutsagda signalen stress i fågelperspektiv-temperaturområdet kan upptäckas i frigående djur. Varje fågel filmades i genomsnitt 5,1 ± 0,9 sek (n = 9) innan lådan "dörren var stängd. Detta möjliggjorde beräkning av den ostörda fågelperspektiv-temperaturområdet (baslinjetemperatur) till vilken alla efterföljande åtgärder kan refereras till. I tester utförda på 20 sek värme videoklipp av ostörda blåmesar anländer och utfodring i en fälla (n = 9 fåglar som skiljer sig från de som används för tillämpningen av en mild stress), korrelationerna r> 0,7 konstaterades mellan den maximala ögonregion temperatur registrerades under den första 5 sek, och den maximala registreras i den första 10, 15 och 20 sek (fig 3). Detta tolkades som att den maximala vaLue registreras i de första sekunderna efter fällan posten var representativ för långsiktiga nivå, och den genomsnittliga ögontemperaturområdet under cirka 5 sekunder omedelbart föregående box stängning användes som utgångsvärde. De blåmesar i detta prov hade ett genomsnittligt utgångsögonregion temperatur på 38,4 ± 0,5 ° C (medelvärde ± SE) och varierade från 35,8 till 39,9 ° C (n = 9). När fågeln matades under 5 sek för att tillåta beräkningen av baslinjen ögonregion temperatur avlägsnades låddörren stängd av försöksledaren. Alla fåglar märkte stängningen av lådan, vilket framgår av deras flyktförsök flyg.

Vid stängning av fällan, tappade ögon regionen temperaturen snabbt och nådde ett minimum ögon region Temperatur ~ 1,3 ° C under baslinjen temperaturen efter ~ 10 sek (Figur 4). Figur 4 visar den sammansatta kurvan baserat på det maximala ögon- temperaturområdet av alla nio personer i genomsnitt för varje sekund. Eftersomtidpunkt och storleken på ögonregionen temperaturfallet varierar mellan individer den sammansatta kurvan maskerar den verkliga omfattningen av kopplingstemperaturen. Medeltemperaturen droppe beräknas för varje enskilt för sig är 2,0 ± 0,2 ° C och den lägsta punkten uppnås efter 9,4 ± 2,8 sek (medelvärde ± SE). Från och med då, ögon region temperaturen gradvis tillbaka till det ursprungliga ögontemperaturområdet under följande 2-3 min men inte riktigt når baslinjen i slutet av rättegången.

Figur 1
Figur 1. Inspelningen arenan. Upplägget på området har utformats för att locka fåglar till synfält kameran där en mild akut stress skulle kunna tillämpas, med hjälp av en utfodringsbåset. Utformningen bestod av en 25 med 14 cm och 16,5 cm hög låda byggd av plywood, med en frontpanel av galvaniserad järntråd med en öppning size 1 med 2,5 cm. Nätet gör det möjligt för infraröd strålning att passera igenom, vilket gör det möjligt att filma fåglar medan insidan av set-up. Trådnät valdes, som glas och de flesta plaster inte sänder infraröd strålning. Ett hål på 60 mm diameter skars i vänstra gaveln för att tillåta fågel in i set-up och få tillgång till maten placeras längst till höger i rutan. En temperatur logger sond inklämt mellan två rutor av svart isoleringstejp (markerade med svart pil) är fäst vid det övre högra hörnet av frontpanelen för att spela in en referenstemperatur. Den milda akuta stressfaktor anbringas på fågeln inuti genom att stänga lådan. Dra på en fiskelina fäst vid en roterande dörr vid ingången hålet tillåtet försöks att stänga lådan när en fågel är inne. Den värmekamera som framför fällan registrerar hela händelseförloppet. Klicka här för att se en större version of denna siffra.

Figur 2
Figur 2. värmebilden av en blåmes. Huvuddelen av en tätting kropp är välisolerad med fjädrar (eller i mindre utsträckning av ben skalor), men huden runt ögat exponeras och utstrålar mest värme under normala förhållanden, och är omgiven av kallare integument eller bakgrund. Detta visas i denna värmebild av den gula färgen (högsta temperatur) runt ögat, orange, rött, lila och blå färg betyder svalare och svalare temperaturer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. repeterbarhet av baslinjetemperatur mätt over olika tidsperioder. Korrelationskoefficienter mellan den högsta temperatur som uppmätts i första 1-8 sek en klämma och "medelvärdet av maxima" inom 0.5º av högsta värdet för de första 10, 15 och 20 sekunder av klipp (representerad av röda, blå och gröna linjer, respektive). Alla klipp var 20 sekunder i längd (n = 9). Under första analys med hjälp av en större datamängd, har ett antal av "hjälp av maxima" beräknas från bara ett värde, och gav samma värde för rho i alla jämförelser. Dessa klipp togs bort från analysen, bara de där medel beräknades från mer än 3 mätningar lämnar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. Svari ögat-temperaturområdet till fångst. Det finns en mycket tydlig och uttalad signal av fångsten återspeglas i förändringen av ögontemperaturområdet över tiden. Att jämföra mellan individer som varierar i deras baslinjetemperatur, resterande ögontemperaturområdet, som skillnaden mellan den faktiska temperaturen och att individens baslinjetemperatur, är avsatt på den vertikala axeln. Detta är avsatt mot tid med stängningen av fällan in som 0 och fågeln avlägsnades från fällan efter 3 min. Den röda linjen visar den genomsnittliga återstående temperaturen och den grå bandet representerar 95% konfidensintervall. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Syftet med denna artikel är att beskriva den nödvändiga metod för att mäta förändringar i hudens temperatur en fritt levande djur som svar på en akut stress. Denna studie visade att snabba förändringar i hudtemperatur i samband med en akut stress hos vilda fåglar kan fångas icke-invasivt med hjälp av IRT. Denna procedur involverade fem viktiga steg (1) Utformning av lämpliga fält set-up med hjälp av en bärbar värmeavbildningssystem, (2) mätning av baslinjetemperatur, (3) applicering av en mild stress innebär fånga fågeln i set-up, (4) efterhand automatisk provtagning av ögontemperaturområdet och (5) kalibrering av extraherade temperaturdata. Den metod som beskrivs här var tillämpas på avskiljning av vilda blåmesar. Representativa baslinje ögonregiontemperaturer kunde fångas i så lite som 5 sekunder. Den uppskattade tid som krävs för att spela in en fågel i fältet var ca 1 h, med ytterligare en timme som krävs för att bearbeta3 min termisk videosekvens.

Samla bra data om ett djurs hudtemperatur kräver värmebilder av hög kvalitet. Värmekameror endast skiljer fundamentalt från synligt ljus kameror i termer av våglängden för den elektromagnetiska strålningen att de upptäcker och således många av de begrepp som gäller i fotografi (t.ex., synfält, skärpedjup) gäller även i termografi. Som allmänt praktiseras av naturfotografer, en plats som ett djur besök förutsägbart, där naturliga (t.ex. boplatser) eller artificiella (t.ex. matare), skulle kunna användas för att samla in värmebilder. Att locka djuren till kameran snarare än att försöka följa dem om deras livsmiljö har fördelen att tillåta oss att ställa in kameran i förväg, för att samla hög bildkvalitet med minimal störning så snart djuret kommer i sikte. Men är med detta synsätt är det viktigt att granska eller redogöra för effekterna avden särskilda situationen för mätning på stress eller hudtemperatur. Till exempel, här var fåglar mätt i en utfodrings sammanhang och mat användes för att aktivt locka blåmesar i set-up. Forskning på kycklingar visar att akuta positiva erfarenheter, såsom förväntan och konsumtion av ett livsmedel belöning i en associativ inlärning rättegång kan också lägre ögontemperatur 29. Som sådan kan "baslinjenivåer" av individer som kommer in denna uppsättning upp påverkas av associationen av denna lag med belöning. Denna möjlighet förtjänar ytterligare utredning, men om närvarande, skulle förväntas öka droppen från utgångsnivåer redan har påpekats. Dessutom sker thermogenesis med matsmältningen, om de specifika effekterna av mat som konsumeras under baslinjemätning inte förväntas avsevärt höja temperaturen i 3 min fångstperiod 30.

Denna begränsning ansåg att mäta alla djur medi detta sammanhang är också en stor styrka av denna strategi. De representativa Resultaten visade att det fanns en stor variation i ögontemperaturområdet mellan individer innan den akuta stress tillämpades (baseline ögontemperaturområdet). Variationen i baslinjen öga temperatur (variationskoefficient = 3,9%) kan delvis bero på mätfel eller en sann bild av mellan individuella skillnader. Perioden IRT kameran uppmätta temperaturen av den svarta isoleringstejp över 5 sekunder när bandet temperatur inte förändras, den genomsnittliga variationskoefficienten var 0,26% (intervall 0,08% till 0,59%). Även mätfel kommer sannolikt att vara större i ett rörligt fågel det ändå indikerar att det mesta av denna variation i baslinjen ögonregion temperaturen är verkligen mellan individer. Begreppet relativt små mätfel på rörliga fåglar stöds ytterligare av den höga repeterbarhet av ögon region temperatur över 20 sekunder under mätningarna baslinjen (

Som svar på en väletablerad akut mild stress till ett djur vi förväntade oss snabba förändringar i mönstret av blodflödet, från periferin till kärnan via sympatiskt medierad vasokonstriktion som minskar hudens temperatur 17. Den periorbital region valdes eftersom detta under förutsättning den enda regionen i kroppen som var oisolerad och är assoförbundna med ett rikt samsas nätverk av små blodkärl, den rete ophthalmicum som kan påverka värmeförlusten från ögat 31. Den snabba bildhastighet av värme videoing tekniken kunde visa en minskning av ögon region temperatur på ca 2 ° C i 10 sekunder, följt av en efterföljande ökning av temperaturen inom 0,5 ° C av baslinjen inom 3 minuter. Även perifer kyla som svar på mild stress har spelats in tidigare på cirka 1 min intervaller 17,26, 32, tekniken här visade att maximal temperaturfall kan vara extremt snabb. Med lägre tidsupplösning storleken på denna effekt kan missas. Detta kan vara viktigt när man jämför skillnader i stressrespons av olika individer. Åter uppvärmningen av fågeln efter den snabba "kamp eller flykt" svar kom inte tillbaka till grundnivån som fågeln kvar i rutan som anger att fågeln förblev fysiologiskt stressad. Fåglarna var frigörd från experimentuppställningen efter en godtyckligt vald brytpunkt av ca 3 min för att minimera de sitter fast i en fritt levande djur. Men i framtiden kan prövningar måste vara längre för att registrera fullständigt svar temperatur tills djurets öga-region temperaturen har återgått till basnivån, om logistiskt möjligt.

Detta nya protokoll som involverar en serie bilder som samlats in före och efter stress tillämpades nu möjliggör detaljerad studie av dynamiken i svaret på akut stress och jämförelser av flera tidpunkter mellan enskilda djur. Upprepa denna rättegång inom individer över olika årstider eller miljöförhållanden kan tillåta effekterna av miljön på baslinjen eller efter akut stress hudtemperaturen att redas ut, som en möjlig väg till kronisk stress bedömning liksom. .

Hudtemperatur av en fågel beror inte bara på metabolisk värmeproduktion ochblodflöde utan även på värmeväxling från solstrålning, vindhastighet och vätning 25. Detta utesluter våta och blåsiga förhållanden från exakta termo inspelningar. Ögat-temperaturområdet registreras av en värmekamera kan ibland antingen underskattas (negativ avvikelse) eller överskattas (positiva fel). Betydande positiva fel skulle kräva energitillförsel, men detta undveks genom fågeln i utfodringsbåset är avskärmad från solen. En annan källa till positiva fel med när fågeln blinkade. Ibland fågeln drar kort sin blinkhinnan över ögat-regionen och som det lagras internt vid en temperatur som ligger närmare kroppskärnan, blinkande ger en temperaturavläsning abnormt hög när det täcker ögongloben. Detta är dock lätt detekteras som det lämnar en mycket tydlig signatur och den drabbade Ramen kan avlägsnas. Den främsta orsaken till en negativ avvikelse i våra register var rörelseoskärpa. Varje förflyttning alltför snabba att fångas sharskikt av bildhastigheten på kameran confounds de data som samlats in från den lilla varma ögon område av bilden med det omgivande sval plats (rörelseoskärpa), vilket resulterar i en underskattning av ögontemperaturområdet. Således efter avlägsnande positiva fel detta gör den maximala temperaturen mätt från ögon regionen den mest exakta mätningar och en automatiserad filtrerings med kommandot toppar funktionen tar bort mindre sannolikt lägre värden på maxtemperaturer ögon region.

Dessutom, såsom infraröd strålning absorberas av vattenånga, yta uppmätta temperaturen kommer att påverkas av den relativa fuktigheten i miljön. Detta kan förklaras genom att ange lufttemperatur, luftfuktighet och avstånd till objektet till den analytiska Thermal bildanalys programvara. Men det är en mer korrekt och effektiv strategi (som genomförs här) att inkludera en referensorgan med känd temperatur och emissions inom synfältet. I vårt fall varen kvadrat med svart isoleringstejp med en emissions av 0,97, vilket är ungefär lika med den hos naturlig integument 33. Detta tillåter kalibrering av ögonregionen temperatur genom användning av skillnaden mellan den faktiska och den värmebildhärledda temperaturvärden som uppmäts för isoleringstejp. Yttemperaturen hos svartkropps kan sedan användas för att kalibrera bilder kontinuerligt under hela mätperioden.

Tack vare de tekniska framstegen i utvecklingen i värmekameror kan nu sättas som små lätta kameror som kan samla många bildrutor per sekund över långa tidsperioder. Även värmekameror är en allmänt använd teknik fågel forskning 25, har storlek och kostnader av termiska bildsystem begränsat dess användning i det vilda. I denna studie var systemet mycket bärbar, kostar ca. £ 6000 och termisk video tillhandahållen hög upplösning som kan icke-invasivt fånga exakt temperature data från fritt levande djur utan behovet av att hantera fåglar. Inspelning på flera bilder per sekund gör mätningar av hög upplösning tidsserier av omgivningstemperaturen och ger därmed möjlighet att utforska dynamiken i den akuta stressrespons. Detta är svårt att uppnå med konventionella glukokortikoid prov som begränsas av antalet prover som kan tas inom en tidsperiod. Här har vi extraherade en tidsserie av ögonregion temperatur med ett intervall av 1 sekund, vilket var tillräckligt för att visa ögat-temperaturområdet som svar på en akut stressfaktor (infångnings), men högre tidsupplösning skulle också vara möjligt. Ackumuleringen av ett stort antal bilder, kräver emellertid en viss grad av automatisering i utvinning av information från bilderna. Protokollet beskriver en enkel halv automatiserad process för att utvinna den maximala temperaturen från varje bild. Vi kunde göra detta eftersom regionen av intresse, ögon region, var alltid den varmaste platsen i bilden. Analys kan vara mer problematiskt om områden av intresse är mer komplexa och kan kräva specialdesignade erkännande programvara mönster (t.ex. 34). I denna studie krävdes viss manuell filtrering för situationer där ögat-temperaturområdet var över- eller underskattas, men dessa var lätt att upptäcka, men naturligtvis ytterligare automatisering är önskvärd. Mätningarna av stress-inducerad perifer kylning av värmekameror ger ett värdefullt tillskott till andra fysiologiska åtgärder av stress och icke-invasiv aspekt av denna teknik är mycket fördelaktigt för vidare studier med fångenskap och vilda djur.

Fånga hela stress, har uppenbarligen termografi stor potential som ett verktyg för att bedöma stress. För att bli en icke-invasivt alternativ till etablerade hormonell och kärntemperatur analyser men kommer det att bli nödvändigt att kors validera bland dessa åtgärder ochbestämma om hudtemperaturen visar samma proportionalitet med stressfaktor intensitet, dvs kan graden av reaktion för hudtemperatur reflektera styrkan i stressfaktor. Framtida forskning bör även omfatta om hudtemperaturen fångar kronisk stress. Medan SIH som svar på en akut stress förväntas vara övergående, återkommande exponering för fysiska eller psykiska akuta stress kan generera kronisk förhöjning av kroppstemperaturen 35,36. Oavsett om pågående kärlsammandragning bidrar till denna kärna höjd har inte testats explicit. Men korrelativa studier på människor som lider av kronisk stress relaterade sjukdomar göra visa reducerade fingertemperatur 37. En slutlig attribut att utforska är valens: förmågan att skilja positiva från negativa händelser. Hormonella analyser kan inte skilja valens 5, med glukokortikoida nivåer som förekommer för att återspegla nivån på excitation snarare än spänning specifikt. Forskning om kam humörratur i inhemska kycklingar som utsätts för aversiva och positiva stimuli tyder hudtemperatur kan vara lika besläktad med allmän upphetsning 22,29. Men hos människor, olika känslolägen framkallar regionalt specifika förändringar i hudtemperatur, till exempel periorbital uppvärmning och kinden kylning när skrämd 38, men minskade totalt sett hudtemperatur när skrattar 39. Jämförelser mellan olika regioner kan ändå avslöja känslomässiga tillstånd. Använda de rekommendationer som anges i detta dokument, blir det möjligt att ta itu med alla dessa frågor, och validera hudtemperatur som en icke-invasiv markör för 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