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Vorrichtuno zur 9avegunosmessuno von Tieren
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mit Hilfe von induzierten Spannungen Die Erfindung bezieht sich auf
eine Vorrichtung zur Bswegungsmessung von Tieren mit Hilfe von induzierten Spannungen,
wobei durch die Bewegungen eines mit einem Permanentmagneten versehenen Tieres in
einer Induktionsspule Spannungsstöße erzeugt werden1 nach Patent- Nr. 2 o13 698.
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Der Hauptanmeldung lag die Aufgabe zugrunde, die Bewegungen von Tieren
insbesondere quantitativ und störungsfrei zu erfassen, wobei Tierart und Bauform
des Käfigs keine Rolle spielen, und andere Untersuchungen am Tier gleichzeitig vorgenommen
werden kbnnen.
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Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch die
Bewegungen eines am Versuchstier unbeweglich befestigten Permanentmagneten in einer
Induktionsspule SpannungsstöRe induziert werden0 Zur Durchfuhrung dieses Verfahrens
wurde in der Hauptanmeldung eine Vorrichtung beschrieben, bei der sich das mit einem
Permanentmagneten versehene Versuchstier in einem Behälter bewegt, der von einer
an Meßgeräte angeschlossenen Induktionsspule umgeben ist, und die Drahtwindungen
der Spule so um den Behälter gelegt sind, daß Jede Tierbewegung innerhalb der Spule
stattfindet.
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Die in der Hauptanmeldung beschriebene Vorrichtung wird nunmehr dahingehend
weiter ausgebildet, daß sich der an dem Versuchstier an einer geeigneten Körperstelle
unbeweglich befestigte Permanentmagnet im sensiblen Bereich der Induktionsspule
bewegt. Hierdurch wird klargestellt, daß sich das mit dem Permanentmagneten versehene
Tier innerhalb bestimmter Grenzen auch außerhalb der Induktionsspule befinden kann.
Die konstruktive Ausgestaltung der Induktionsspule sowie deren räumliche Zuordnung
zu dem magnetmarkierten Tier sind dabei recht verschieden. Sie werden jeweils auf
die zur experimentellen Bearbeitung einer bestimmten Fragestellung notwendige Versuchsanordnung
abgestimmt. Der Permanentmagnet wird dem Versuchstier entweder äuRerlich befestigt
oder implantiert. Die Implantation des Magneten ist vor allem für länger andauernde
Untersuchungen von Vorteil. Der dazu notwendige, operative Eingriff ist einfach
auszuführen und wird von den Tieren erfahrungsgemäß ohne auffällige Komplikationen
überstanden. Bei Beachtung gewisser Kautelen heilt dEr Magnet relativ rasch in das
Körpergewebe ein und belastigt dann die Tiere nicht mehr. Dies bestätigt sich dadurch,
daß solchermaßen mit Magneten markierte Versuchstiere gegenüber unbehandelten Kontrolltieren
keine Abweichungen in bezug auf das Wohlbefinden aufweisen. Bei Versuchsratten ist
beispielsweise die Implantation des Magneten subkutan in der Nackengegend gut möglich.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in
der unbegrenzten Verwendunysmöglichkeit der Vorrichtung. Aufgrund der Tatsache,
daß die tierische Aktivität durch entsprechende Spannungsstöße registriert wird,
wenn sich der an dem Versuchstier befestigte Magnet im sensiblen Bereich
einer
Induktionsspulc bewegt, muB sich das Tier nicht unbedingt in der Spule aufhalten,
sondern kann sich auch außerhalb, also entweder neben, über oder unter der Spule
befinden. Der maximal zulässige, räumliche Abstand des Tieres zu der Spule ist dabei
lediglich dadurch limitiert, daß die von dem Magneten ausgehenden, magnetischen
Kraftlinien die Drahtwindungen der Spule in noch solcher Anzahl schneiden, daß bei
jeder Bewegung des Magneten (= Tierbewegung) ein meßbarer Spannungsstoß in der Spule
induziert wird.
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Vor diesem Hintergrund ergibt sich die Möglichkeit zu einer weitgehend
beliebigen, konstruktiven Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bewegungsmessung von
Tieren. Die Induktionsspule kann insbesondere in beliebig viele Teilspulen aufgeteilt
werden. Hierdurch ist erreichbar, daß der sensible Bereich der Spule durch die mögliche
räumliche Anordenbarkeit der Teilspulen beliebig erweitert werden kann, wobei zudem
eine gleiche, mittlere Sensibilität im gesamten Meßraum zu erzielen ist. Letzteres
ist dann von Bedeutung, wenn es darauf ankommt, die tierische Aktivität nicht nur
hinsichtlich der Bewegungshäufigkeit (= Anzahl der Spannungsstöße), sondern auch
nach der Intensität der Einzelbewegung (durch die Amplitude des induzierten Spannungsstbßes
quantifiziert) zu beurteilen.
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Die Teilspulen können beispielsweise in geringem Abstand nebeneinander
in einer Ebene angeordnet werden. Es ergibt sich in diesem Fall eine sensible Meßplatte,
die man durch Verwendung entsprechend vieler Teilspulen beliebig lang oder breit
machen kann. Mit solch einer Meßlatte lassen sich Untersuchungen anstellen, die
bisher nicht durchführbar waren. Hier ist vor allem
an Versuche
mit größeren Tiergruppen zu denken. Will man die Gesamtmotilität von beispielsweise
20 Ratten messen, bringt man diese auf eine ausreichend große Meßlatte. Damit die
Tiere mit ihren Magneten im sensiblen Bereich der Induktionsspule, d.h. hier auf
der MeSplatte, verbleiben, ist die Platte mit einem genügend hohen Rand versehen.
Die Tiers können sich in dem Behälter (= sensibler FteRraum) völlig frei bewegen.
Von jedem Versuchstier wird die körperliche Aktivität, und zwer infolge der Aufteilung
der Induktionsspule, an jeder Stelle des Behälters registriert. Dabei wird sowohl
Jede Bewegung mit Ortsveränderung (Lokomotion) als auch jede Bewegung am Ort (Lokalm3tilitat)
erfaßt. Bei Ausgestaltung der Meßplatte als Gitterrost. können zudem der von den
Tieren abgesetzte Harn und Kot unter dem Behälter getrennt aufgesarnmelt werden
was z.B. für die Bearbeitung verschiedener Fragestellungen in der Ernährungsphysiologie
notwendig ist.
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Die genannten Versuchsparameter lassen sich andererseits auch ermitteln,
wenn die Heizplatte in nicht allzu großem Abstand über den Vsrsuchsratten installiert
ist, und als Boden das Tierbehälters ein gewöhnlicher Gitterrost fungiert.
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Denkbar ist bei anderen Tierversuchen eine Vorrichtung, bei der die
Teilspulen beliebig im bzw. auch um den Meßraum angeordnet sind.
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Eins besonders aktuelle, und deshalb im folgenden ausführlicher beschriebene
Anwenduns;nöglichkeit ergibt sich als Vorrichtung zur Durchführung eines sogenannten
"Fischtests", der darauf abzielt, das Auftreten von Schadstoffen in natürlichen
Gewässern zu registrieren.
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Eine solche Kontrolle ist bekanntlich dringend erforderlich geworden,
da
durch die ständig fortschreitende Industrialisierung immer größere
Mengen giftiger Substanzen unterschiedlicher Provenienz in unsere Flüsse, Seen und
Meere gelangen, und damit die darin lebenden Organismen in zunehmendem Maße bedroht
sind. Beim heutigen Stand der Meßtechnik ist aber eine kontinuierliche Überwachung
der Gewässer auf toxische Inhaltsstoffe mit Hilfe rein chemischer oder physikalischer
Analysenverfahren allenfalls nur in beschränktem Umfang möglich. Ein Ausweg besteht
darin, die im Wasser lebenden Fische selbst als Schadstoffindikatoren zu benutzen.
Zeigen die Fische die Anwesenheit von Schadstoffen an, können Wasserproben entnommen
und im Laboratorium genauer analysiert werden.
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Die Grundlage des Fischtests ist die Feststellung des sich bei Auftreten
eines Schadstoffes ändernden Bewegungsverhaltens von geeigneten Testfischen.
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Eine direkte Beobachtung der Tiere in einem entsprechenden Versuchsbecken
ist selbstverständlich unzulänglich, da dies einerseits die nahezu ständige Anwesenheit
einer Beobachterperson erfordert, und andererseits fehlt dabei jedes objektive Maß
für die tierische Aktivität.
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Eine meßtechnische Erfassung des durch Schadstoffe gestörten Bewegungsverhaltens
von Testfischen wird beim "Automatisierten Fischtestgerät, Modell AFT 37 BIOSENS
- System MBB" (Wissenschaftlich- technische Werkstätten GmbH, Weilheim i.OB., BRD)
wie folgt versucht: Ein besonders konstruiertes Versuchsbecken wird von dem zu prüfenden
Wasser in Horizontalrichtung durchströmt. Bei schadstofffreiem Wasser schwimmen
die Testfische aufgrund ihres rheotaktischen Verhaltens gegen diese Wasserströmung
an und verbleiben in dem Becken infolge entsprechender körperlicher Aktivität weitgehend
auf der Stelle. Verlieren die Fische jedoch durch die Einwirkung von Giftstoffen
ihr
rheotaktisches Verhalten, werden sie von der Wasserströmung zum Auslaßgitter am
Ende des Versuchsbeckens abgetrieben und unterbrechen eine dort installierte Ultraschallschranke.
Das dadurch ausgelöste elektrische Signal wird registriert und gibt (bei mehrfacher
Wiederholung) Veranlassung zur Entnahme von Wasserproben für spezielle Analysen.
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Der schwerwiegende Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß ein
im Wasser auftretender Schadstoff erst dann registriert wird, wenn dessen toxische
Wirkung auf die Testfische bereits soweit fortgeschritten ist, daß diese ihr rheotaktisches
Verhalten eingebüßt haben, d.h. mit anderen Worten, wenn die Fische schon nahezu
gelähmt sind. Hinzu kommt, daß der Test nur in einem speziell konstruierten Behälter
durchführbar ist, und die Testfische dabei unphysiologischen Bedingungen ausgesetzt
sind. Die Fische können nämlich nicht unendlich lange gegen die Wasserströmung anschwimmen.
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Sie würden deshalb auch in Abwesenheit von Schadstoffen nach einiger
Zeit infolge Ermüdung in die Ultraschallschranke abgetrieben werden. Deshalb wird
der eigentliche Test mit horizontaler Wasserströmung intermittierend durchgeführt
und zwischen den einzelnen Testperioden das Wasser in Vertikalrichtung durch das
Becken geleitet, damit sich die Fische erholen können. Der zur Erzielung der unterschiedlichen
Wasserströmungen notwendige zusätzliche, apparative und regeltechnische Aufwand
(z.B. Programmsteuerung, Pumpen, Leitschaufeln im Versuchsbecken) ist erheblich.
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Ferner ist noch bekannt der "Aquatic Activity Monitor BIOPULSS' (Alpine
Geophysical Associates, Inc., Norwood,New Jersey,USA),der die Bewegungsaktivität
von Fischen registriert. Dieses Gerät könnte somit ebenfalls
zum
Fischtest herangezogen werden. Bei dieser Apparatur wird in einem Versuchsbecken
ein Feld -mit stehenden Ultraschallwellen erzeugt. Stehende Wellen sind bekanntlich
recht labil und brechen deshalb schon bei geringen Veränderungen des Systems zusammen.
Diese Tatsache wird bei dem genannten Gerät meßtechnisch zur Registrierung der Tierbewegungen
genutzt, ist andererseits aber auch der Grund, daß damit in der Praxis nur wenig
zuverlässige Resultate erhalten werden. Denn ein den Meßvorgang auslösender Effekt,
d.h.
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eine Störung des mittels eines Frequenzgenerators in dem Versuchsbecken
aufgebauten, stehenden Sonarfeldes, kommt auch zustande durch Bewegungen des Wassers
selbst (Strömungen, Wellen), aufsteigende Gasblasen, Änderungen der Wassertemperatur
sowie des Wasserstandes, usw. Durch die notwendige Benutzung eines relativ kleinen
Versuchsbeckens (bis etwa 200 Liter) sind aber solche Störungen aus verständlichen
Gründen kaum vermeidbar.
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Das Wasser in dem Behälter wird nämlich durch die Fische ziemlich
rasch "verbraucht" (Gaswechsel der Fische) bm; in seirer Zusammensetzung verändert
(Ausscheidungen der Fische), und muß deshalb entweder gegen Frischwasser ausgetauscht
oder mittels einer Luftpumpe belüftet sowie gefiltert werden. Hinsichtlich der Störanfälligkeit
des Gerätes ist schließlich noch zu vermerken, daß die Messung durch von außen ankommende
Schallwellen beeinflu.'3t wird.
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ErfindurgsgeZ kann als Fischtestvorrichtung folgende Anordnung vorgesehen
werden: Geeignete, nit kleinen Permanentmagneten versehene Testfische werden durch
einen Käfig im sensiblen Bereich einer an Meßgeräte ange-Sdh}255Rrtn Induk~ orzpule
gehalten. Der mit den Fischen besetzte Käfig
befindet sich direkt
in dem auf Schadstoffe hin zu kontrollierenden Gewässer. Zur Durchführung der Messungen
wird den Test fischen der Permanentmag net beispielsweise in die Bauchhöhle implantiert.
Der dazu notwendige operative Eingriff ist unschwer auszuführen und wird von den
Fischen erfahrungsgemäß gut Gberstanden. Nach Einheilung des Magneten fühlen sich
die Tiere durch diesen in ihrem Ilohlbefinden nicht beeinträchtigt.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung eines Fischtests
unter natürlichen Bedingungen wird im folgenden beschrieben: Die Vorrichtung stellt
einen nicht allzu hohen, Jedoch in Breite und Länge beliebig großen1 geschlossenen
Käfig der, der in geeigneter Weise in dem zu überwachenden Fluß oder See in beliebiger
Wassertiefe untergetaucht installiert ist. Der Käfig ist aus einem geeigneten Kunststoffgitter
gefertigt und besteht aus einem Bodenrost mit einem derubar befestigten Oberteil.
Der Bodenrost des Käfigs dient als Träger der Induktionsspule. Diese ist in mehrere,
über die gesamte Bodenfläche verteilte, quadratisch geformte, eng nebeneinander
liegende und zum Schutz gegen eventuelle mechanische Beschädigung mit Kunstharz
umgossene Teilspulen aufgeteilt. Die magnetmarkierten Testfische bewegen sich völlig
frei über dem Bodenrost und werden lediglich durch das Käfigoberteil daran gehindert,
sich aus dem sensiblen Bereich der Induktionsspule zu entfernen. Infolge der Aufteilung
der Induktionsspule werden sämtliche Bewegungen der Tiere - und zwar Lokalmotilität
und Lokomotionen - im ganzen Käfigbereich durch entsprechende Spannungs-Stöße registriert.
Da sich die Fische in dem Gitterkäfig unmittelbar in dem zu prüfenden Fluß- oder
Seewasser befinden, sind Vorrichtungen zur Beschickung des Tiertehälters mit dem
Wasser nicht erforderlich. Auch entfallen
spezislle Einrichtungen
zur notwendigen Belüftung und Filterung es Wassers wie bei einem im Laboratorium
aufgestellten Versuchsbecken. Die in den Drahtwindungen der Spule durch die Bewegungen
der magnetmarkierten Testfische induzierten Spannungsstöße werden der sich am Ufer
befindlichen Meßstation über ein verbindendes -;eßkabcl bzw. über einen kleinen,
am Gitterkäfig befestigten Sender auf telemetrischem Wege zugeführt und dort z.B.
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in analoger Form durch einen Kompensations - Linienschreiber oder
nach Umsetzung in entsprechende elektrische Impulse in digitaler Form durch ein
Zählwerk registriert.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile hinsichtlich der Durchführung
des Fischtests zur Registrierung von in natürlichen Gewässern auftretenden toxischen
Substanzen bestehen insbesondere darin, daß ein Schadstoff im Wasser bereits dann
registrierbar ist, wenn die Testfische durch diesen sich zunächst nur in ihrem Wohlbefinden
gestört fühlen, auf diesen Umstand aber sofort mit einer gut menbaren, körperlichen
Unruhe reagieren, und nicht erst dann, wenn die Tiere durch die Gifteinwirkung schon
geschwächt oder gar gelähmt sind. Ein weiterer, bedeutsamer Vorteil ist, daR der
Test direkt in dem auf eventuell auftretende Schadstoffe hin zu überwachenden Gewässer
angestellt werden kann. Hierbei werden die Testfische unter physiologischen Bedingungen
(Wasserzusammensetzung, Temperatur, Beleuchtung,usw.) in ihrer natürlichen Umgebung
gehalten. Störungen, die im Laborversuch auch bei größter Sorgfalt nicht zu vermeiden
sind, beeinflussen deshalb das Verhalten und damit auch die zu messende, körperliche
Aktivität der Fische nicht. Damit wird aber auch die mit dem Auftreten eines Schadstoffes
im
Wasser einsetzende Erhöhung der Bewegungsaktivität der Fische
deutlicher unterscheidbar gegenüber ihrer normalen Motilität in schadstofffreiem
Wasser. Hinzu kommt, daß für den Test beliebig viele Fische in einem entsprechend
großen Gitterkäfig eingesetzt werden können. Dies ist deshalb wichtig, da hierdurch
eine stets vorhandene, individuell unterschiedliche Reaktion der Testfische auf
einen Schadstoff weitgehend aufgefangen wird, und somit das Testergebnis mit weniger
Unsicherheiten verbunden ist.
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Bei anderen Untersuchungen muß aus versuchstechnischen Gründen die
Bewegungs -freiheit von Versuchstieren weitgehend eingeschränkt werden. Dies ist
z.B.
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bei sogenannten Stoffwechselversuchen der Fall, in denen das Versuchstier
in einem speziellen, relativ engen Käfig gehalten wird, damit der von dem Tier unkontrollierbar
abgesetzte Harn und Kot mittels mechanischer Separatoren getrennt gesammelt werden
können. Das Tier vermag in dem Käfig im wesentlichen nur Bewegungen ohne Ortsveränderung
auszuführen. Der Rahmen der Erfindung wird nicht verlassen, wenn zur Registrierung
der Lokalmotilität am Tier ein Elektromagnet angebracht wird. Die zu dessen Betrieb
notwendige elektrische Zuleitung wird wegen der geringen Bewegungsfreiheit des Versuchstieres
in dem Stoffwechselkäfig als nicht störend empfunden. Die mit einem Elektromegneten
gegenüber einem gleich großen und gleich schweren Permanentmagneten erzielbare,
höhere magnetische Feldstärke kann vor allem in Untersuchungen an größeren Versuchstieren
(z.B. Schweinen, Schafen Rindern, usw.) zu einer eventuell wünschenswerten Verbesserung
der Meßempfindlichkeit führen.
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Zur Beantwortung verschiedener Fragestellungen interessieren nicht
die Bewegungen des gesamten Tierkörpers, sondern nur die eines bestimmten Körperteiles
oder Ksrperorgans. Solche Bewegungen lassen sich ebenfalls erfindungsgemäß mit Hilfe
induzierter Spannungen registrieren, indem der betreffende Körperteil oder das Organ
mit einem Permanentmagneten markiert und am Tierkörper selbst eine Induktionsspule
so befestigt wird, daß der blagnet stets im sensiblen Bereich dieser Spule bewegt
wird. So lassen sich z.B. beim Rind die Bewegungen eines bestimmten Abschnitts des
Vormagensystems, des Pansens, aufzeichnen, wenn man an diesem Organ an einer geeigneten
Stelle auf operativem Wege einen kleinen Permanentmagneten anbringt und dann an
der dem Pansen benachbarten Hautstelle eine Induktionsspule unbeweglich aufsetzt.
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Mit Hilfe induzierter Spannungen lassen sich schließlich auch Körperbewegungen
von noch nicht geborenen Tieren registrieren. Hier ist u.a.
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auch an eine Aufzeichnung der bereits einige Zeit vor dem Eischlupf
einsetzenden Bewegungsaktivität von Küken gedacht, die bei verschiedenen Untersuchungen
einen bedeutsamen Versuchsparameter darstellt. Durch jede Körperbewegung des Kükens
im Innern des Eies erfährt das System (Küken + Eischale) einen Impuls, der bewirkt,
daß sich bei geeigneter Lagerung das ganze Ei bewegt. Wird auf die Eischale ein
kleiner Permanentmagnet aufgeklebt, und das Ganze in einer Induktionsspule untergebracht,
lassen sich diese Bewegungen mittels induzierter Spannungsstöße verfolgen.
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Denkbar ist aber auch eine Implantation des Magneten in das Ei, so
daß dieser von dem Küken direkt bewegt wird.