Nichtinvasive Überwachung bei Schimpansen vorantreiben

Die Messung der Herzfrequenz von Menschenaffen in Gefangenschaft ist sowohl für das Gesundheitsmanagement als auch für Tierstudien von entscheidender Bedeutung. Die meisten bestehenden Methoden sind jedoch entweder invasiv oder ungenau.

Nun haben Forscher aus Japan das Potenzial der Verwendung von Millimeterwellenradartechnologie zur Schätzung der Herzfrequenz bei Schimpansen anhand subtiler Körperbewegungen untersucht. Ihre Bemühungen werden hoffentlich den Weg für bessere Praktiken und Techniken zur Überwachung der Herzfrequenz bei wilden und in Gefangenschaft lebenden Primaten ebnen. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht im Amerikanisches Journal der Primatologie.

Genau wie beim Menschen ist die Herzfrequenz bei Primaten ein äußerst wichtiger und informativer Vitalparameter. Herzkrankheiten zählen zu den häufigsten Todesursachen bei Primaten in Gefangenschaft. Eine regelmäßige Überwachung der Herzfrequenz kann Tierärzten dabei helfen, Symptome frühzeitig zu erkennen.

Abgesehen von den offensichtlichen gesundheitlichen Gründen ist die Überwachung der Herzfrequenz auch in kognitiven Studien an Tieren sehr nützlich. So ist beispielsweise gut dokumentiert, dass sich die Herzfrequenz eines Schimpansen unter psychischem Stress, bei emotionaler Erregung durch Bilder oder bei der Begegnung mit vertrauten Menschen ändert.

Daher ist es kein Wunder, dass mehrere Techniken entwickelt wurden, um die Herzfrequenz von Menschenaffen zu messen. Neben den Standardkontaktmessungen besteht die gängigste Methode darin, dem Tier ein drahtloses Gerät anzulegen, um seine Herzfrequenz ferngesteuert zu überwachen und zu übertragen. Die Anbringung des Geräts erfordert jedoch häufig eine Narkose, was mit Risiken verbunden ist. Darüber hinaus kann das Gerät selbst Stress für das Tier oder andere Tiere in der Gruppe verursachen.

Ein weniger invasiver Ansatz ist die Schätzung der Herzfrequenz anhand von Videoaufnahmen, die bei einigen Primatenarten getestet wurde. Allerdings ist die Genauigkeit dieser Methoden recht empfindlich gegenüber den Lichtverhältnissen und der Bewegung der Tiere.

Vor diesem Hintergrund machte sich ein Forschungsteam, dem auch Assistenzprofessor Takuya Matsumoto von der Shinshu-Universität in Japan angehörte, auf die Suche nach einer besseren Alternative.

In ihrer neuesten Studie untersuchten die Forscher, ob ursprünglich für Menschen entwickelte Millimeterwellenradartechniken zur Messung der Herzfrequenz bei Schimpansen eingesetzt werden könnten. Zu den Co-Autoren gehören Dr. Itsuki Iwata, Dr. Takuya Sakamoto und Dr. Satoshi Hirata, alle an der Universität Kyoto tätig.

Im Wesentlichen besteht der vorgeschlagene Ansatz darin, hochfrequente elektromagnetische Impulse auf die Brust des Tieres auszusenden und die resultierenden Echos aufzufangen. Anhand dieser Echos lassen sich subtile Körperbewegungen erkennen, die schließlich mithilfe spezieller Algorithmen zur Schätzung der Herzfrequenz verwendet werden.

Dr. Matsumoto hebt die Motivation der Studie hervor: „Die Millimeterwellenradartechnologie wurde bereits umfassend für Anwendungen im automatisierten Fahren und in der Medizin entwickelt. Nach einem Gespräch mit einem Radarforscher bei einem Empfang auf einer akademischen Konferenz waren wir jedoch der Meinung, dass sie ein neues Forschungsfeld eröffnen könnte, wenn sie auf andere Primaten als den Menschen angewendet würde. Daher begannen wir mit unserer gemeinsamen Forschung.“

Um ihren Ansatz zu testen, führten die Forscher Experimente während der jährlichen Gesundheitsuntersuchungen zweier erwachsener Schimpansen im Kumamoto Sanctuary, Wildlife Research Center, Universität Kyoto durch. Während dieser Untersuchungen wurden die Tiere betäubt und das Radarsystem etwa einen halben Meter über ihrer Brust aufgehängt. Herkömmliche Elektrokardiographie-Signale (EKG) wurden ebenfalls aufgezeichnet und zur Bewertung der Genauigkeit der radarbasierten Technik verwendet.

Glücklicherweise stimmten die per EKG aufgezeichneten Herzfrequenzen bei beiden Schimpansen weitgehend mit den per Millimeterwellenradar ermittelten Frequenzen überein, was die vorgeschlagene Strategie bestätigte.

„Obwohl Schimpansen einen muskulösen Körper haben, was Zweifel daran aufkommen ließ, ob ihre Herzfrequenz auf ähnliche Weise wie beim Menschen gemessen werden kann, zeigten die Ergebnisse dieser Studie, dass berührungslose Herzfrequenzmessungen durch die Analyse subtiler Bewegungen der Körperoberfläche möglich sind“, sagt Dr. Matsumoto.

Er fügt hinzu: „Diese Erkenntnisse könnten die potenziellen Anwendungen solcher Techniken in Studien zur Tierpsychologie und Wildprimatologie erweitern.“

Die Verwendung von Millimeterwellenradar-basierten Methoden zur Herzfrequenzüberwachung bietet gegenüber herkömmlichen Verfahren erhebliche Vorteile. Diese Techniken sind völlig nichtinvasiv und können häufig angewendet werden, ohne dass die Tiere dadurch gestresst werden.

Die Herzfrequenz kann auch aus der Ferne durch Videoanalyse mit einer digitalen Lichtkamera gemessen werden. Dazu ist keine Spezialausrüstung erforderlich und es können vorhandene Videos wiederverwendet werden.

Dabei kommen zwei Haupttechniken zum Einsatz: die bildgebende Photoplethysmografie zum Erkennen von Blutvolumenänderungen und die periodische Bewegungsextraktion zum Messen der Herz- und Atemfrequenz anhand von Körperbewegungen. Beide wurden bei nichtmenschlichen Primaten validiert, unterliegen jedoch gewissen Einschränkungen.

Die Forscher hoffen, dass die Erkenntnisse dieser Arbeit den Weg für weitere Innovationen bei den Methoden zur Überwachung der Vitalfunktionen in Gefangenschaft lebender Tiere, einschließlich Herz- und Atemfrequenz, ebnen.

„Wenn es möglich wird, die Herzfrequenz gefährdeter Menschenaffen aus der Ferne zu messen, könnten sich ihre Gesundheit und ihr Wohlergehen in Gefangenschaft, beispielsweise in Zoos, verbessern“, schlussfolgert Dr. Matsumoto.

Um die Anwendung der vorgeschlagenen Methode in der regulären Praxis zu validieren, in der sich die Tiere frei in ihren Gehegen bewegen können, sind weitere Machbarkeitsstudien erforderlich.

Die Forscher sagen, dass diese Techniken uns nicht nur dabei helfen könnten, unsere nächsten Verwandten gesund zu halten, sondern auch zu einem besseren Verständnis von ihnen führen könnten. Dieser Fortschritt eröffnet Möglichkeiten für eine tiefere Erforschung des Verhaltens und der Physiologie von Primaten, was sowohl in Gefangenschaft als auch in freier Wildbahn lebenden Primaten zugutekommt und unser Verständnis dieser Lebewesen und ihrer Umwelt verbessert.