维度、陈萍机器之心报道

马厩中的马更容易抑郁,新型头戴式设备通过脑电波探索动物的精神世界

了解动物的行为和情绪是动物饲养以及保障动物福利中的重要组成部分。对此,法国雷恩第一大学和法国科学研究中心的研究者设计了一种适用于马的可穿戴式头带,它可以接收马的脑电波,并获得了不同活动场景中马的情绪行为变化。

动物福利(animal welfare)是 1976 年美国人休斯(Hughes)提出的,它是指农场饲养中的动物与其环境协调一致的精神和生理完全健康的状态。动物福利所强调的,不是我们不能利用动物,而是应该怎样合理、人道地利用动物,要尽量保证那些为人类做出贡献和牺牲的动物,享有最基本的权利。

此外,考虑到主观个体认知和情感加工,对动物福利进行评估成为了一项挑战。脑电图(EEG)频谱分析已经证明了一种可用于评估人类脑部活动和情感或认知状态之间联系的生态学上有效的记录情况:较高的慢波 / 快波比值与积极的内部状态息息相关。特别地,theta 功率的高产生(3-8Hz)与积极情绪有关。另一方面,有假设认为,大脑左半球(LH)占据主导地位可能会带来更好的福利状态。

在英国作家安娜 · 休厄尔于 1877 年完成的著名小说《黑美人》(Black Beauty)中,主角一匹黑马向读者分享了它的喜怒哀乐。现在,科学家们表示,他们可以直接从马的口中得知它们的感受。来自法国雷恩第一大学和法国科学研究中心(CNRS)的研究者设计了一种检测马脑电波的可穿戴式头带,并且这种头带最终可以用于其他物种。相关研究已经发表在了《应用动物行为科学》期刊上。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168159121000587

为马安装可移动头戴设备,这一想法来自于动物行为学家、论文作者之一 Martine Hausberger,她在调查承压力状态下的马是否更难学会打开食物箱上的滑动门时萌生了这个想法。剧透警告,结果的确如此。此外,她还注意到,一些动物,尤其是那些生活在狭小空间里的动物,注意力会减退。这不仅让人遐想,它们真的会处于沮丧状态吗?

康奈尔大学的兽医行为学家 Katherine Houpt 表示,「这是一个真正的突破,这种可移动头戴设备能够客观且不妄加猜测地「进入到动物的思想中。」

可移动头带的设计过程

自二十世纪早期以来,科学家就开始使用可以记录大脑中电脉冲波的脑电图来研究人类的癫痫和睡眠模式。近来,有研究发现,人们可以通过脑电图来发现抑郁、焦虑甚至满足感。与此同时,脑电图研究也从人类迁移至啮齿动物、农场动物和宠物,并揭示了动物在被人触摸或被麻醉时的反应。所以,从理论上讲,脑电图可以捕捉到马的精神状态

但遗憾的是,截止目前,还没有找到一种方法可以记录动物活动时的脑电波。有人认为,这是因为记录脑电图需要将电极放置在头部特定位置,并将导线从电极连接到记录器(recording machine)。但在这一过程中,人们需要约束或者强行使动物镇静。与此同时,为了获取准确的读数,要么必须剃光动物的头部,要么通过外科手术将电极植入动物的头皮下。

在这种情况下,Hausberger 求助于她在雷恩第一大学的同事、神经物理学家 Hugo Cousillas。最初,Cousillas 选择使用可穿戴式 EEG 头带,这种设备可以通过追踪脑电波来展示人类的睡眠或冥想中的状态。

Hugo Cousillas 在马的头部测试了这种可穿戴式头带。

Cousillas 前后花费六年时间研发了一种适用于马的穿戴式头带。与人类可能具有数十甚至数百个电极的电脑图不同,马的头带只需要四个电极,即可以从马的桃子大小的大脑左右半球中接收电波。该头带的整体设计图如下所示:

图源:https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fvets.2017.00057/full

据资料显示,该头带可以将读数传输 20 码,并且由于电极嵌套在装有弹簧的凝胶袋中,只需要使用微小的针头轻轻地戳在马的皮肤上,毛发可以保持完好。下图为头带的针头装置:


测试过程和结果

Cousillas、Hausberger 与雷恩第一大学动物行为学家兼论文通讯作者 Mathilde Stomp 合作获取了 18 匹马的 EEG 记录。其中一半的马放在封闭马厩里,另一半则在开阔的牧场

数据显示,两组马得到的 EEG 结果不同,马厩里马的大脑右半球 gamma 波比开阔牧场里马平均高出 2.5 倍。对人类来说,这种电波通常是焦虑、分心或抑郁的信号。不仅如此,那些在户外度过大部分时间的马的大脑左半球 theta 波是平均水平的两倍,这通常是一种冷静和专注的信号。

对此,Hausberger 表示:「这些结果真正令人兴奋的是,我们得到了一种罕见的衡量动物是否『开心』的方法。」不过,也有人表达了不同意见。德国 Nürtingen-Geislingen 大学的认知生态学家 Konstanze Krueger 认为,人类对脑电波的解释并不一定适用其他物种。

圣地亚哥动物园的动物行为学家 Greg Vicino 则表示,这是一种衡量圈养动物心理健康的不错方法。为了监测动物园里数百只动物的行为和情绪,他的团队需要对花费非常长的时间。所以,这种可穿戴头带或许能够成为一种很好的替代品。

参考链接:https://www.sciencemag.org/news/2021/03/how-horse-feeling-new-mobile-brain-wave-reader-could-tell
理论频谱分析脑电波穿戴式设备
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