Measuring Brain Activity of Cattle Under Stress, Using Temperature Sensing Technology to Improve Animal Welfare

Tiere fühlen, genau wie Menschen, Emotionen. Sie erleben Angst, Stress und Geborgenheit, und diese inneren Zustände lösen körperliche Veränderungen in ihrem Körper aus. Wenn ein Tier eine Bedrohung verspürt, fährt sein Nervensystem hoch, schüttet Hormone aus, die den Herzschlag beschleunigen und den Blutfluss verändern. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler versucht, einen Weg zu finden, diese Gefühle zu messen, ohne das Tier zu stören oder ihm noch mehr Stress zuzusetzen. Ein vielversprechender Weg führt über das Gehirn selbst. In vielen Arten verarbeiten die linke und die rechte Gehirnhälfte unterschiedliche Arten des Denkens und Fühlens. Die rechte Seite wird oft mit negativen Emotionen und plötzlichen Überraschungen in Verbindung gebracht, während die linke Seite Routine und positive Erfahrungen verwaltet. Da sich der Blutfluss zum Gehirn ändert, wenn diese verschiedenen Teile aktiv sind, kann sich die Temperatur der Haut in der Nähe des Gehirns leicht verschieben. Wenn es Forschern gelänge, diese winzigen Temperaturveränderungen präzise zu messen, könnten sie den emotionalen Zustand eines Tieres aus der Distanz „lesen“.

Die Frage, wie man tierliche Gefühle ohne Eingriff messen kann, steht im Mittelpunkt der Arbeit von Saphia Silverwood und Sean J. O'Hara von der University of Salford. Sie setzten sich zum Ziel zu testen, ob Temperatursensoren den emotionalen Zustand von Rindern offenbaren könnten, wobei sie speziell nach Anzeichen suchten, dass die linke und die rechte Seite des Kuhgehirns während eines stressigen Moments unterschiedlich arbeiteten. Die Forscher konzentrierten sich auf die Ohren, die reich an Blutgefäßen sind und nahe am Gehirn liegen, in der Hoffnung zu sehen, ob eines der Ohren wärmer werden würde als das andere, wenn eine Kuh gestresst war. Sie verwendeten zwei verschiedene Werkzeuge: ein Standardthermometer, das eine Sonde erforderte, die in den Gehörgang eingeführt wurde, und eine handgehaltene Wärmebildkamera, die die Oberflächentemperatur des Ohres aus kurzer Distanz fotografieren konnte. Ihr Ziel war es zu sehen, ob diese Methoden nicht nur feststellen konnten, dass eine Kuh gestresst war, sondern auch genau, wie ihr Gehirn diesen Stress verarbeitete.

Die Studie fand an einem Gemeinschaftshof in Manchester, Vereinigtes Königreich, an einem kalten Dezembertag statt. Die Forscher arbeiteten mit fünfunddreißig Kühen verschiedener Rassen, darunter Herefords und Limousins, die von Kälbern bis hin zu ausgewachsenen Tieren reichten. Die Tiere waren bereits an die Handhabung gewöhnt, waren jedoch zuvor noch nie Teil eines wissenschaftlichen Tests gewesen. Das Team zeichnete zuerst die Herzfrequenz und die Temperatur jeder Kuh auf, während sie ruhig in ihrer Gruppe stand. Dann bewegten sie die Tiere einzeln in eine Gabelrinne (Cattle Crush), einen engen Metallkanal, der dazu dient, sie für die routinemäßige tierärztliche Versorgung ruhigzustellen. Diese Einengung ist für Rinder stressig und führt dazu, dass ihre Herzfrequenz steigt. Während die Kühe in der Gabelrinne gehalten wurden, wiederholten die Forscher schnell die Messungen und überprüften die Herzfrequenz sowie die Temperatur beider Ohren sowohl mit dem Thermometer als auch mit der Wärmebildkamera.

Die Ergebnisse bestätigten, dass die Kühe tatsächlich gestresst waren. Jede Altersgruppe zeigte einen Anstieg der Herzfrequenz, wenn sie in die Gabelrinne gebracht wurde. Die ausgewachsenen Kühe, die mit einer durchschnittlichen Herzfrequenz von etwa 98 Schlägen pro Minute starteten, sahen einen Anstieg ihrer Herzfrequenz auf etwa 135 Schläge pro Minute. Auch die jüngeren Tiere zeigten ähnliche Zunahmen. Dies bestätigte, dass die Situation stressig genug war, um eine deutliche körperliche Reaktion auszulösen. Als die Forscher die Ohrtemperaturen untersuchten, stellten sie fest, dass die Ohren der Kühe während des stressigen Ereignisses wärmer wurden. Die Temperatur im Gehörgang stieg in beiden Ohren um etwa 1,1 Grad Celsius an. Die Wärmebildkamera registrierte ebenfalls einen Anstieg der Oberflächentemperatur, insbesondere im rechten Ohr, das im Durchschnitt um etwa 2 Grad Celsius wärmer wurde.

Die Studie fand jedoch nicht das spezifische Muster, auf das die Forscher gehofft hatten. Sie hatten vorhergesagt, dass, wenn die Kühe negative Emotionen verarbeiten würden, die rechte Seite ihres Gehirns aktiver wäre, was dazu führen würde, dass das linke Ohr wärmer als das rechte wird. Stattdessen stieg die Temperatur in beiden Ohren gleichermaßen an. Es gab keinen klaren Unterschied zwischen der linken und der rechten Seite, der darauf hindeuten würde, dass eine Gehirnhälfte intensiver arbeitete als die andere. Die Daten zeigten einen symmetrischen Temperaturanstieg, was bedeutete, dass der Stress das gesamte Gehirn oder den allgemeinen Blutkreislauf des Körpers auf eine Weise beeinflusste, die keine Seite bevorzugte. Dieser Befund deutet darauf hin, dass die Kühe zwar definitiv gestresst waren, ihre Gehirne jedoch nicht die Art von einseitiger Aktivität zeigten, die manche Theorien über Emotionen vorhersagen.

Die Forscher verglichen auch die beiden Messwerkzeuge, um zu sehen, ob sie übereinstimmten. Sie fanden heraus, dass das Thermometer im Ohr konsistent etwa 5 bis 6 Grad Celsius höhere Werte anzeigte als die Wärmebildkamera, die auf die Oberfläche blickte. Diese Differenz war zu erwarten, da die Luft in der Scheune kalt war, was die Außenseite des Ohres abkühlte, während das Thermometer die Hitze tief im Inneren maß. Trotz dieser Differenz bei den absoluten Zahlen stimmten beide Werkzeuge im Kern überein: Die Temperatur stieg an, wenn die Kühe gestresst waren. Die Wärmebildkamera war in der Lage, die Veränderung zu detektieren, aber die kalte Umgebung und die Dicke des Kuhfells machten die Messungen der Kamera weniger präzise als die des Thermometers. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die Wärmebildtechnik zwar ein nützliches, nicht-invasives Werkzeug ist, um allgemeinen Stress zu erkennen, aber noch nicht präzise genug ist, um die subtile, einseitige Gehirnaktivität zu erfassen, die spezifische emotionale Zustände bei Rindern offenbaren könnte.

Letztendlich unterstreicht diese Forschung sowohl das Potenzial als auch die Grenzen der Nutzung von Temperatur, um tierische Emotionen zu verstehen. Die Studie bewies, dass Rinder tatsächlich Stress erleben, der ihre Körpertemperatur erhöht, was bestätigt, dass sie ein reiches emotionales Leben führen, das physisch messbar ist. Die in diesem Experiment verwendeten Methoden waren jedoch nicht empfindlich genug, um die spezifische Aktivität der linken und rechten Gehirnhälfte abzubilden. Die kalte Umgebung und die physische Struktur der Kuhohren machten es schwierig, die feinen Details zu erkennen. Die Autoren schlagen vor, dass zukünftige Studien sich vielleicht auf andere Teile des Gesichts, wie die Augen, konzentrieren oder auf eine bessere Technologie warten sollten, die unter kälteren Bedingungen funktioniert. Vorerst dient diese Arbeit als Erinnerung daran, dass wir zwar immer besser darin werden, auf Tiere zu hören, aber immer noch viel darüber lernen müssen, wie ihr Geist funktioniert und wie wir sie am besten versorgen können.