D9 Physiologische Telemetrie

Thema

Ein implantierbarer Herzrekorder, ein EKG-Gerät mit einem Gewicht zwischen einem und fünf Gramm, ermöglicht es Forschern, den Stoffwechsel eines Vogels im Freiflug unter natürlichen Bedingungen zu bestimmen. Dies geschieht ohne die Einschränkungen eines Windkanals, der eine direkte Messung der Stoffwechselleistung mittels Respirometrie erfordert. Im Gegensatz zur Open-Flow-Respirometrie, die nur im Windkanal durchgeführt werden kann, begleitet der implantierbare Herzrekorder den Vogel während des Fluges in seiner natürlichen Umgebung.

Das physikalische Prinzip dieser Methode lässt sich in drei Schritten beschreiben: Die Herzfrequenz des Vogels ist ein indirekter Indikator für sein Herzzeitvolumen, also die Blutmenge, die das Herz pro Zeiteinheit pumpt. Dieses Herzzeitvolumen wiederum bestimmt, wie schnell Sauerstoff den Brustmuskel erreicht. Diese Sauerstoffversorgung des Brustmuskels bestimmt schließlich die Stoffwechselleistung, die der Vogel in diesem Flugmoment erbringen kann.

Der Zusammenhang zwischen Herzfrequenz und Stoffwechselleistung ist nicht linear und variiert von Art zu Art, weshalb er nicht im Voraus angenommen werden kann. Bevor ein implantierbarer Herzfrequenzmesser bei einem Wildvogel eingesetzt wird, muss diese artspezifische Beziehung im Windkanal ermittelt werden. Dabei werden Herzfrequenz und tatsächliche Stoffwechselleistung gleichzeitig mittels offener Flussrespirometrie gemessen.

Sobald diese Beziehung im Windkanal kalibriert ist, ermöglicht die im Freiland gemessene Herzfrequenz eine ausreichend genaue Schätzung der Stoffwechselleistung des Vogels. So lassen sich die verschiedenen Flugmuster des Vogels während eines realen, längeren Fluges untersuchen – etwas, das weder die offene Flussrespirometrie noch irgendeine andere Methode außerhalb eines Windkanals leisten kann.

Dieselbe kalibrierte Herzfrequenz erlaubt es Forschern auch, zu erkennen, wann ein Zugvogel beginnt, Proteine ​​zu verbrennen: Wenn der Vogel aufgrund unzureichender Fettreserven auf Proteinabbau zurückgreift, steigt die Herzfrequenz unverhältnismäßig zu seiner theoretischen Stoffwechselkapazität an. Denn die Proteinverbrennung erfordert mehr Anstrengung vom Herz-Kreislauf-System als die Fettverbrennung, um die gleiche Sauerstoffmenge zu den Brustmuskeln zu transportieren.

Dasselbe Herzsignal offenbart auch eine andere neuromuskuläre Störung: Wenn ein Nervengift die autonome Steuerung des Herzens durch das Nervensystem verändert, ändert sich die Variabilität des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Herzschlägen, unabhängig von der Anstrengung des Vogels in diesem Moment. Diese veränderte Variabilität zwischen aufeinanderfolgenden Herzschlägen ist daher ein Indikator für eine neuromuskuläre Störung, die nicht davon abhängt, ob die durchschnittliche Herzfrequenz steigt oder fällt, sondern vielmehr davon, wie regelmäßig oder unregelmäßig der Herzrhythmus von Schlag zu Schlag ist.

Schließlich verbindet dieser implantierbare Herzrekorder das Herz-Kreislauf-System des Vogels mit der Grenze der verfügbaren Muskelkraft, die er im vollen Flug aufrechterhalten kann, und damit, wie diese Grenze sinkt, wenn der Vogel extremen Umweltbedingungen ausgesetzt ist: Die gleiche Kreislaufschwierigkeit, die starke Hitze oder extreme Höhe dem Herzen auferlegen, um die Brustmuskulatur mit Sauerstoff zu versorgen, spiegelt sich direkt in der vom Rekorder gemessenen Herzfrequenz wider. Dadurch wird die Verbindung zwischen der Schätzung der Stoffwechselleistung im Freiland und der physiologischen Leistungsgrenze, die der Vogel erreichen kann, hergestellt.

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