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

동물들도 사람처럼 감정을 느낍니다. 그들은 공포, 스트레스, 안락함을 경험하며, 이러한 내부 상태는 신체적 변화를 유발합니다. 동물이 위협을 느끼면 신경계가 고도로 활성화되어 심박수를 높이고 혈류를 변화시키는 호르몬을 분출합니다. 수십 년 동안 과학자들은 동물을 방해하거나 더 큰 스트레스를 주지 않고 이러한 감정을 측정할 방법을 찾기 위해 노력해 왔습니다. 한 가지 유망한 방안은 뇌 자체를 이용하는 것입니다. 많은 종에서 뇌의 왼쪽과 오른쪽은 서로 다른 유형의 사고와 감정을 처리합니다. 오른쪽은 흔히 부정적인 감정 및 갑작스러운 놀람과 연결되는 반면, 왼쪽은 일상적이고 긍정적인 경험을 관리합니다. 이러한 다양한 부분들이 활성화될 때 뇌로 가는 혈류가 변하기 때문에, 뇌 근처 피부의 온도가 미세하게 변할 수 있습니다. 만약 연구자들이 이 미세한 온도 변화를 정확하게 측정할 수 있다면, 멀리 떨어진 곳에서도 동물의 정서 상태를 "읽어낼" 수 있을지도 모릅니다.

동물을 방해하지 않고 어떻게 감정을 측정할 것인가라는 문제는 솔퍼드 대학교(University of Salford)의 사피아 실버우드(Saphia Silverwood)와 숀 J. 오하라(Sean J. O'Hara)의 연구에서 핵심적인 과제입니다. 그들은 온도 센서가 소의 정서 상태를 드러낼 수 있는지, 특히 스트레스를 받는 순간에 소의 좌뇌와 우뇌가 서로 다르게 작동하는지 확인하기 위해 실험을 설계했습니다. 연구진은 뇌와 가깝고 혈관이 풍부한 귀에 주목하여, 소가 스트레스를 받을 때 한쪽 귀가 다른 쪽보다 더 따뜻해지는지를 확인하고자 했습니다. 그들은 두 가지 도구를 사용했습니다. 하나는 프로브를 외이도 안에 넣어야 하는 표준 체온계였고, 다른 하나는 짧은 거리에서 귀 표면 온도를 촬영할 수 있는 휴대용 열화상 카메라였습니다. 그들의 목표는 이 방법들이 단순히 소가 스트레스를 받고 있다는 사실뿐만 아니라, 그 스트레스를 뇌가 정확히 어떻게 처리하고 있는지를 감지할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

연구는 영국 맨체스터의 한 공동 농장에서 추운 12월의 어느 날 진행되었습니다. 연구진은 헤리퍼드(Hereford)와 리무진(Limousin)을 포함한 다양한 품종의 송아지부터 성체까지 총 35마리의 소를 대상으로 연구했습니다. 동물들은 이미 사람의 손길에 익숙해져 있었지만, 과학적 테스트에 참여한 적은 없었습니다. 팀은 먼저 각 소가 무리 속에서 차분하게 서 있을 때의 심박수와 체온을 기록했습니다. 그 후, 연구진은 일상적인 수의 진료를 위해 소를 가두는 좁은 금속 통로인 스트럽(cattle crush)으로 소를 한 마리씩 이동시켰습니다. 이러한 구속은 소에게 스트레스를 주는 것으로 알려져 있으며, 심박수를 상승시킵니다. 소들이 스트럽에 갇혀 있는 동안, 연구진은 심박수와 양쪽 귀의 온도를 체온계와 열화상 카메라를 사용하여 빠르게 반복 측정했습니다.

결과는 소들이 실제로 스트레스를 받고 있음을 확인해주었습니다. 모든 연령대에서 스트럽에 들어갔을 때 심박수가 상승했습니다. 평균 약 98회/분이었던 성체 소의 심박수는 약 135회/분까지 치솟았습니다. 어린 동물들도 유사한 증가를 보였습니다. 이는 상황이 명확한 신체적 반응을 일으킬 만큼 충분히 스트레스가 넘쳤음을 확인시켜 주었습니다. 연구진이 귀 온도를 관찰했을 때, 스트레스 상황 중에 소의 귀가 더 따와졌다는 것을 발견했습니다. 외이도 내부의 온도는 양쪽 귀 모두에서 약 1.1도 섭씨 상승했습니다. 열화상 카메라 또한 표면 온도의 상승을 포착했는데, 특히 오른쪽 귀가 평균 약 2도 섭씨 정도 더 따뜻해졌습니다.

하지만 연구진이 기대했던 특정한 패턴은 발견되지 않았습니다. 연구진은 만약 소가 부정적인 감정을 처리하고 있다면 우뇌가 더 활성화되어 왼쪽 귀가 오른쪽보다 더 따뜻해질 것이라고 예측했습니다. 그러나 실제로는 양쪽 귀의 온도가 똑같이 상승했습니다. 한쪽 뇌 반구가 다른 쪽보다 더 활발하게 작동하고 있음을 시사할 만한 좌우 측의 명확한 차이는 없었습니다. 데이터는 대칭적인 온도 상승을 보여주었는데, 이는 스트레스가 뇌 전체 또는 신체의 일반적인 순환에 영향을 미쳐 어느 한쪽을 편중되게 만들지 않았음을 의미합니다. 이 결과는 소들이 분명히 스트레스를 받고 있었지만, 그들의 뇌가 일부 감정 이론이 예측하는 것과 같은 일방적인 활동을 보여주지는 않았음을 시사합니다.

또한 연구진은 두 측정 도구가 서로 일치하는지 비교했습니다. 그들은 귀 내부의 체온계가 표면을 측정하는 열화상 카메라보다 일관되게 약 5~6도 섭씨 높게 측정된다는 것을 발견했습니다. 축사의 공기가 차가웠기 때문에 외부 귀가 식어 있었던 반면, 체온계는 내부의 열을 측정했기에 이러한 차이는 예상된 것이었습니다. 이러한 절대적인 수치의 차이에도 불구하고, 두 도구 모두 스트레스를 받을 때 온도가 올라간다는 핵심적인 결론에는 동의했습니다. 열화상 카메라는 변화를 감지할 수 있었지만, 추운 날씨와 소의 두꺼운 털 때문에 체온계보다 정밀도는 떨어졌습니다. 연구는 열화상 이미징이 일반적인 스트레스를 포착하는 데는 유용한 비침습적 도구이지만, 가축의 특정 정서 상태를 드러낼 수 있는 미세하고 일방적인 뇌 활동을 감지하기에는 아직 정밀도가 부족하다고 결론지었습니다.

궁극적으로 이 연구는 동물의 감정을 이해하기 위해 온도를 사용하는 것의 잠재력과 한계를 동시에 보여줍니다. 이 연구는 소가 체온을 높이는 스트레스를 경험한다는 것을 입증함으로써, 그들이 물리적으로 측정 가능한 풍부한 정서적 삶을 살고 있음을 확인했습니다. 그러나 이번 실험에 사용된 방법들은 좌뇌와 우뇌의 특정 활동을 지도화할 만큼 예민하지 못했습니다. 추운 환경과 소의 귀 구조가 세부적인 사항을 관찰하는 데 어려움을 주었습니다. 저자들은 향후 연구가 눈과 같은 얼굴의 다른 부위에 집중하거나, 더 추운 조건에서도 작동할 수 있는 더 나은 기술을 기다려야 할 수도 있다고 제안합니다. 현재로서는 이 연구가 우리가 동물의 목소리에 귀를 기울이는 법을 점점 더 잘 배워가고 있지만, 여로 그들의 마음이 어떻게 작동하는지, 그리고 그들을 돌보는 최선의 방법이 무엇인지에 대해 여전히 배울 것이 많다는 점을 상기시켜 주는 역할을 합니다.