Diagnostische Bildgebung wie Röntgenaufnahmen, MRTs und CT-Scans sind wichtige Instrumente zur Überwachung der Gesundheit von Menschen und Tieren. Aber für Forscher auf diesem Gebiet ist es schwierig, diese üblichen Tests an Wildpopulationen durchzuführen.
Jetzt arbeiten Wissenschaftler der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) mit Kollegen des Cincinnati Zoo & Botanical Garden und anderen Zoos und Aquarien zusammen, um die Verwendung von thermischer Video- und Bildanalyse zur Messung der Herz- und Atemfrequenz bei einer Vielzahl von Tieren zu testen eine stabile Einstellung.
Das Ziel, so die Forscher, ist es, diese kontrollierten Daten zu nutzen, um die Entwicklung von nicht-invasiven Methoden zur Bewertung der Tiergesundheit in freier Wildbahn voranzutreiben, insbesondere von bedrohten und gefährdeten Arten, für die die Risiken im Zusammenhang mit invasiveren Diagnosetechniken unerschwinglich hoch sein könnten.
Ein neues Papier, das ihre Arbeit detailliert beschreibt, wurde heute in der Zeitschrift veröffentlicht BMC-Biologie.
Die Fähigkeit, die Stoffwechselrate oder den Energieverbrauch eines Tieres zu messen und zu überwachen, bietet einen Einblick in die Fortpflanzungs- und Überlebenschancen einer Art. Es ist jedoch logistisch schwierig und oft invasiv, diese Benchmark-Messungen in Wildpopulationen zu sammeln. Selbst einfachere Tests wie das Ermitteln von Herz- und Atemfrequenzen erfordern oft eine Ruhigstellung der Tiere, was mit Risiken verbunden ist. Das Anbringen von Ortungsgeräten kann kostspielig und invasiv sein.
Caroline Rzucidlo, eine Doktorandin im MIT-WHOI Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Science & Engineering, leitete die Studie mit Kollegen, darunter Michelle Shero, eine assoziierte Wissenschaftlerin bei der WHOI.
Das Team machte sich daran, den Nutzen der Infrarotthermografie (IRT) in Verbindung mit der Eulerschen Videovergrößerungssoftware (EVM) bei der Messung der Vitalraten exotischer Wildtierarten zu untersuchen, um die Technik schließlich auf die Untersuchung von Weddellrobbenpopulationen in der Antarktis anzuwenden festzustellen, ob die Tiere physiologisch darauf vorbereitet sind, in einer sich schnell verändernden Umgebung zu überleben und sich fortzupflanzen.
„Herz- und Atemfrequenz werden oft als Näherungswerte zur Bestimmung der Stoffwechselrate verwendet“, erklärte Rzucidlo. „Wärmebildkameras können Änderungen der Hauttemperatur im Zusammenhang mit dem Blutfluss und Änderungen der Lufttemperatur im Zusammenhang mit der Ausatmung erkennen. Daher war die Feststellung, ob Wärmebildkameras diese Temperaturänderungen bei Tieren nicht-invasiv erfassen können, der erste Schritt.“
Eine Wärmebild-Videokamera kann leicht Wärme und Körpertemperatur messen, wie die Technologie, die verwendet wird, um Menschen am Flughafen auf Fieber zu untersuchen, aber könnte sie auch auf exotische Tiere angewendet werden? Es war keine Option, ihre Arbeit direkt ins Feld zu bringen, da sie zuerst die Genauigkeit und Präzision der Methode validieren mussten und diese ersten Schritte eher für eine kontrollierte Umgebung geeignet waren. „Wir hatten keine Ahnung, wie effektiv wir Temperaturschwankungen mit der Wärmebildkamera messen können, einschließlich der Entfernung oder Entfernung zum Tier, die wir benötigen, und wie sich Fell, Fett oder Schuppendicke auf die Messwerte auswirken würden“, fügte sie hinzu.
Der Cincinnati Zoo & Botanical Garden bot eine ideale Umgebung, um eine Reihe von Tieren unter verschiedenen Bedingungen zu testen und ihre Methoden zu verfeinern. In Zusammenarbeit mit Erin Curry, Reproduktionsphysiologin, und anderen Tierpflegeexperten verbrachte Rzucidlo Monate eingebettet in der Einrichtung, um Wärmebildvideos von einer Vielzahl von Land- und Meerestieren zu sammeln. Einige der Arbeiten fanden in anderen Einrichtungen statt, darunter im Louisville Zoo (Kentucky), im Columbus Zoo and Aquarium (Ohio) und im Salisbury Zoo (Maryland). Insgesamt nahmen 58 einzelne Tiere an der Studie teil – vom Komodowaran bis zum Eisbären.
„Die Möglichkeit, einzelne Tiere unter menschlicher Obhut zu überwachen, hat eine kontrollierte Umgebung geschaffen, um diese Technologie zu validieren, die in freier Wildbahn unmöglich zu replizieren ist“, sagte Rzucidlo.
„Zoos bieten ein einzigartiges Umfeld, um Technologien zu entwickeln, die zur Erhaltung von Wildtierpopulationen beitragen können. Tiere in Zoos werden regelmäßig tierärztlich untersucht, und einige Personen werden sogar darauf trainiert, freiwillig an Wellness-Untersuchungen teilzunehmen, also mit einem Stethoskop, um währenddessen die wahren Herzfrequenzen zu erhalten Das gleichzeitige Sammeln von Infrarotvideos einer Vielzahl von Arten war ein sehr erreichbares Ziel“, fügte Curry hinzu.
Das Team stellte schnell fest, dass das Wärmebildvideo allein nicht ausreichte. „Die Erfassung von Wärme und Temperatur ist ein Schritt, aber wir brauchten die EVM-Computersoftware, um Temperaturänderungen im Zusammenhang mit Atemfrequenz und Herzschlag zu verstärken“, erklärte Rzucidlo. „Die Kombination aus beiden war die überzeugende Kombination und bot uns einen beispiellosen Einblick in die Tiergesundheit.“
Obwohl Wärmebildkameras verwendet wurden, um Vitalwerte bei einer Handvoll Arten (meistens ohne Haare) zu extrahieren, ist dies die erste Studie, die diese Technologie auf eine breite Palette exotischer Tiere anwendet und identifiziert, welche Eigenschaften eine Art zu einem guten Kandidaten für den Erhalt machen Messungen über Wärmebildkameras.
„Diese neue Studie nimmt Wärmebilddaten in einer kontrollierten Umgebung auf und ermöglicht es uns, Benchmarks für eine Reihe von Arten zu erstellen. Nachdem wir diese Methoden in der zoologischen Umgebung entwickelt und verfeinert haben, können wir diese Bildgebungstechniken verwenden und sie anwenden, um viele Antworten zu geben breitere ökologische Fragen in freier Wildbahn“, sagte Shero vom WHOI.
„Wir haben diese Methode sogar in der Antarktis verwendet, um die Energiedynamik in Weddellrobbenpopulationen zu untersuchen. Mit diesen neu entwickelten Methoden können wir anfangen zu fragen, wie sich der Energieaufwand eines Tieres ändern kann, wenn sich die Umweltbedingungen ändern, oder wie hoch der Energiebedarf für die Fortpflanzung ist .“
„Darüber hinaus können wir mit nicht-invasiven und schnell erfassten Bildgebungswerkzeugen bessere Messungen mit weniger Störungen und für viel mehr Tiere durchführen, als dies mit herkömmlichen Techniken jemals möglich gewesen wäre. Das ist es, was wir wirklich brauchen, um anzufangen Fragen zur Bevölkerungsgesundheit stellen.“
Mehr Informationen:
Caroline L. Rzucidlo et al, Nicht-invasive Messungen der Atmung und Herzfrequenz bei Wildtierarten mit Eulerscher Videovergrößerung von Infrarot-Wärmebildern, BMC-Biologie (2023). DOI: 10.1186/s12915-023-01555-9