Veränderungen der Vokalisation während der Kastration beim Hausschwein weisen auf Schmerzempfindung hin

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1 Züchtungskunde, 78, (1) S , 2006, ISSN Eugen Ulmer KG, Stuttgart Veränderungen der Vokalisation während der Kastration beim Hausschwein weisen auf Schmerzempfindung hin P. C. Schön*, B. Puppe*, A. Tuchscherer**, G. Manteuffel* 1 Einleitung Die Kastration junger männlicher Ferkel ist gängige Praxis in der Schweinehaltung vieler Länder. Sie wird angewandt, um zu verhindern, dass sich das Fleisch der Tiere mit Ebergeruch anreichert und damit für die Vermarktung unbrauchbar wird. Es ist jedoch anzunehmen, dass die Kastration mit starkem Stress für die Tiere verbunden ist und das Wohlbefinden der Ferkel beeinträchtigt, besonders wenn sie ohne Anästhetika ausgeführt wird, wie es von verschiedenen nationalen und europäischen Gesetzen erlaubt wird (z.b. EU-Richtlinien 91/630/EWG oder 2001/93/EG). Die vorliegende Arbeit wurde ausgeführt, um gegebenenfalls Indikatoren von Schmerz und Leiden in den Vokalisationen der Tiere nachzuweisen. Im positiven Fall sollten die Ergebnisse auch zu einem kritischen Überdenken der Grundlage von Gesetzen beitragen, die die Praxis der chirurgischen Kastration von Ferkeln regeln. In zahlreichen physiologischen und ethologischen Studien sind die schmerzbedingten Kastrationsreaktionen der Ferkel beschrieben worden (van Putten, 1987; McGlone et al., 1993; White et al., 1995; Horn et al., 1999; Lessard et al., 2002; Hay et al., 2003), und in den letzten Jahren gab es eine Reihe von Untersuchungen, die der Vokalisation, die bei den Tieren im Zusammenhang mit der Kastration auftritt, besondere Aufmerksamkeit widmeten (White et al., 1995; Weary et al., 1998; Taylor und Weary, 2000; Taylor et al., 2001; Marx et al., 2003). Die so genannten Regeln der Motivationsstruktur nach Morton (1977) besagen, dass in der Tonlage hohe Laute besonders in mit Angst assoziierten Situationen produziert werden. Angewandte Studien haben tatsächlich gezeigt, dass Ferkel während der Kastration mehr hochfrequente Laute (> 1000 Hz) produzieren als Kontrollferkel, die situationsgleich allerdings ohne operativen Eingriff (Scheinkastration) gehändelt wurden (Weary et al., 1998; Taylor und Weary, 2000; Taylor et al., 2001). Unabhängig von der angewendeten chirurgischen Methode rief das Herausziehen und Durchtrennen der Samenstränge die höchste Anzahl von hochfrequenten Lauten hervor (Taylor und Weary, 2000). Ferkel, die ohne örtliche Narkose kastriert wurden, produzierten eine höhere Anzahl von Schreien (Marx et al., 2003), die höhere Frequenzen mit höchster Energie enthielten (White et al., 1995), im Vergleich zu Ferkeln, die mit Narkose kastriert wurden. In den letzten Jahren wurde in unserem Institut ein akustisches Analysesystem (STREMODO: STREss-MOnitor und DOkumentations Einheit) entwickelt, das auf die durch Stress verursachten Veränderungen der akustischen Merkmale der Resonanzfrequenzen des Vokaltraktes beim Schwein anspricht (Schön et al., 2001, 2004). Diese Resonanzfrequenzen (oder formantähnlichen Strukturen), die durch die Anspannungen des Vokaltraktes verursacht werden, können verlässliche Informationen über eine bestimmte Situation oder einen bestimmten Zustand der Tiere liefern (sog. honest signalling, Fitch und Hauser, 1995). In der Praxis kann STREMODO eingesetzt werden, um ** Forschungsinstitut für die Biologie landwirtschaftlicher Nutztiere Dummerstorf, Forschungsbereich Verhaltensphysiologie, ** Forschungsinstitut für die Biologie landwirtschaftlicher Nutztiere Dummerstorf, Forschungsbereich Genetik und Biometrie

2 Veränderungen der Vokalisation während der Kastration beim Hausschwein 45 zuverlässige Angaben über den Status der Tiere in Abhängigkeit von der Stressbelastung in potentiell kritischen Situationen, so wie sie in der realen Tierhaltungspraxis vorkommen, zu liefern (Manteuffel und Schön, 2004; Schön et al., 2004). Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Veränderungen in komplexen Eigenschaften der Vokalisation zu finden, die mit den verschiedenen Phasen des Kastrationsverfahrens verbunden sind. Sollten diese spezifisch beim operativen Eingriff auftreten, könnte dadurch eine schmerzspezifische Lautgebungscharakteristik beim Schwein aufgedeckt werden. Dem vermeintlichen Schmerz während des Verfahrens der Kastration zufolge sind drei Phasen getrennt analysiert worden: eine voroperative Behandlungsphase (vor Kastration = VK), der eigentliche chirurgische Eingriff (während Kastration = WK) und eine nachoperative Behandlungsphase (nach Kastration = NK). Die Hypothese war, dass es zu Vokaltraktänderungen kommt, die durch den Schmerz verursacht werden. Diese Veränderungen sollten vorwiegend während des eigentlichen chirurgischen Eingriffs auftreten. Für die Betrachtung der komplexen Veränderungen der Struktur der Laute wurde der Algorithmus zur Parametergewinnung von STREMODO genutzt. Weiterhin wurden ausgewählte Parameter für eine multi-parametrische Analyse genutzt (Zahl der Laute pro Zeiteinheit, Dauer der Laute, Peakfrequenz (mittlere höchste Frequenz) der Laute, Verteilung der Energie im Frequenzspektrum, Zufälligkeit (Entropie) der Laute. 2 Material und Methoden 2.1 Tiere, chirurgisches Verfahren und Vokalisationsaufnahmen Für die Untersuchungen wurden neunzehn zufällig ausgewählte männliche Ferkel (Deutsche Landrasse) aus 6 verschiedenen Würfen im Alter von 14 Tagen und einem durchschnittlichen Körpergewicht von 4,90 ± 0.14 kg genutzt. Die Behandlung der Tiere erfolgte entsprechend den gesetzlichen Bestimmungen und dem in der Versuchsanlage durchgeführten Management (Versuchszeitpunkt: ). Die Ferkel wurden zusammen mit ihren jeweiligen Müttern in Abferkelbuchten (Stabenow und Manteuffel, 2002) in der experimentellen Schweineanlage unseres Institutes gehalten. Für die Aufnahme der Vokalisation beim Kastrationsverfahren verbrachte man die Tiere in eine besondere akustische Versuchskammer mit niedriger akustischer Reflexion durch die Wände, den Fußboden und die Decke (Schön et al., 1998). Die Aufnahmen wurden mit einem Mikrophon (Sennheiser MKE 46) ausgeführt, das ungefähr 1 m vom Kopf des Ferkels entfernt gehalten wurde. Die Abspeicherung der Vokalisationen erfolgte auf einem DAT-Kassettenrecorder (Sony DCT-790). Weiterverarbeitet wurden die Vokalisationen in digitalisierter Form mit einer Abtastrate von Hz. Diese deckt den Frequenzbereich des Hörvermögens von Schweinen (250 Hz Hz) nach Heffner und Heffner (1990) ab und stellt sicher, dass hochfrequente Schreie von Ferkeln, die bis zu Hz reichen (Weary et al., 1998), hinreichend genau analysiert werden können. Der Kastrationsprozess wurde in drei Phasen eingeteilt: 1. Die voroperative Behandlungsphase, in der die Ferkel für 1 Minute mit dem Kopf nach unten an den Hinterbeinen von einer erfahrenen, bei allen Vokalisationsaufnahmen gleichen Person gehalten wurden (VK). 2. Die chirurgische Phase ( ~ 1 Min.), während der das eigentliche Kastrationsverfahren durch Einschnitt des Skrotums mit einem scharfen Skalpell begann und die alle weiteren chirurgischen Schritte einschließlich der Entfernung der Samenstränge beinhaltete (WK). Alle chirurgischen Eingriffe wurden ohne Anästhetikum ausgeführt, so wie es in der praktischen Tierhaltung üblich ist. 3. Die nachoperative Behandlungsphase. Hier erfolgte eine Lautaufnahme über 1 Minute unter den gleichen Bedingungen wie in der voroperativen Phase (NK).

3 46 Schön u.a. 2.2 Lautzuordnung Eine Einzellautgebung wurde definiert als ein Vokalisationsereignis, das von kurzen Zeitabschnitten ohne Vokalisation (meistens verursacht durch das Luftholen) begrenzt wird. Die Gesamtanzahl solcher Einzellaute variierte in jeder Phase beachtlich zwischen 11 bis 171 Lauten. Um die geringfügig unterschiedlichen Dauern jeder Phase zu kompensieren ( ~ 1 Minute), wurde die Anzahl der Laute auf eine Zeiteinheit bezogen (Laute/s). Ähnlich dem Ansatz von Weary et al. (1998) teilten wir die aufgenommenen Vokalisationen abhängig von ihrer durchschnittlichen höchsten Frequenz in zwei Klassen ein. Die Einteilung erfolgte mit dem Lautanalyseprogramm Avisoft SASLab Pro (2003) automatisch in niederfrequente Laute ( Grunzen oder Quiek-Grunzen ) von weniger als 1000 Hz und in hochfrequente Laute ( Schreie oder Quieken ) mit mehr als 1000 Hz. Die hochfrequenten Vokalisationen wurden dann nochmals vom automatischen Analysesystem STREMODO klassifiziert (Big Dutchman GmbH, Vechta, Deutschland), welches die mathematische Modellierung der Laute mittels eines Linearen Vorhersage Modells (Linear Prediction Coding = LPC) mit einem künstlichen neuronalen Netzwerk zur Identifizierung von hochfrequenten Stresslauten von Schweinen kombiniert. Der Aufbau und die Funktion von STREMODO ursprünglich in unserer Forschungsgruppe entwickelt wurden bereits im Detail beschrieben (Schön et al., 2001, 2004; Manteuffel und Schön, 2004). 2.3 Lautmodellierung und Klassifikation Wie in früheren Arbeiten genauer beschrieben (Schön et al., 2001, 2004; Hillmann et al., 2004), wurde zur Modellierung der Laute ein Lineares Vorhersage Modell (LPC) genutzt. Dieses Verfahren modelliert Signaländerungen statt des eigentlichen Signals. Es kann nachgewiesen werden, dass die LPC-Verfahrensweise äquivalent zum Quelle-Filter-Modell der Lautproduktion nach Fant (1970) ist, wobei die ermittelten Modellparameter, die LPC-Koeffizienten, den Filter-Koeffizienten des Vokaltraktes entsprechen. Für die Charakterisierung von Stressschreien von Schweinen haben sich 12 LPC-Koeffizienten, gleichwertig den ersten 6 Resonanzfrequenzen, als ausreichend erwiesen (Schön et al., 2001). Die LPC-Koeffizienten wurden jeweils für Zeitfenster von ms Dauer berechnet (2048 Datenpunkte mit einer Abtastrate von Hz). Die 12 LPC-Koeffizienten modellieren also einen Lautabschnitt von jeweils ca. 100 ms und bilden selbst einen LPC-Vektor. Alle LPC-Vektoren über alle Zeitfenster des Lautes beschreiben das LPC-Modell des Lautes. Die Analysen und Berechnungen wurden mit dem graphischen Programmiersystem LabVIEW (LabVIEW, 1999) ausgeführt, das an unserem Institut seit mehreren Jahren für die Lautanalyse bei Schweinen genutzt wird (Schön et al., 1998, 1999). Für die statistische Analyse und Klassifizierung der LPC-Vektoren jedes aufgenommenen Lautes in den verschiedenen Kastrationsphasen erfolgte eine nichtparametrische Diskriminanzanalyse (SAS Verfahren DISCRIM). Dabei wurde die Nächste-Nachbarn- Methode mit k = 2 und die Option der Kreuzvalidierung benutzt (SAS, 2001). Das Ziel war die Bestimmung des Prozentsatzes der korrekten Klassifizierung von Lauten in Bezug auf die einzelnen Kastrationsphasen (VK, WK oder NK). 2.4 Spezielle Lautparameter Während die LPC-Analyse ein komplexes Modell des Lautes liefert, wurden die folgenden Lautparameter benutzt, um bestimmte Eigenschaften der Laute zu beschreiben: die Anzahl von Lauten pro Zeiteinheit, die Dauer und die Peakfrequenz des Lautes, der Abstand zwischen dem 75 %- und 25 %-Frequenzquartil und die Zufälligkeit (Entropie). Während die Anzahl, die Dauer und die Peakfrequenz von Lauten relativ einfache Parameter sind und bereits erfolgreich in anderen Arbeiten angewandt wurden (Weary et

4 Veränderungen der Vokalisation während der Kastration beim Hausschwein 47 al., 1998; Marx et al., 2003), führten wir den Abstand zwischen dem 75 %- und 25 %- Frequenzquartil und die Entropie als neue Parameter ein, um die Variabilität der Frequenzverteilung (Reinheit oder Zufälligkeit) in einem Laut zu charakterisieren (Tchernichovski et al., 2000; Janata, 2001; Budde und Klump, 2003). Die Frequenzquartile charakterisieren die Verteilung der Energie innerhalb des Frequenzspektrums und sind ein Maß für die Reinheit eines Lautes. Zusätzlich benutzten wir das Verhältnis zwischen dem geometrischen Mittel und dem arithmetischen Mittel der Amplitude des Frequenzspektrums (Entropie) als Maß für die Zufälligkeit im Laut, die von der Verteilung der Frequenzen im Powerspektrum abhängt. Die Entropie ist (theoretisch) null für einen reinen Laut und eins für zufälliges Rauschen. Alle Lautparameter gewannen wir aus den WAV-Dateien der Laute (Abtastrate: Hz, 16 bit, mono). Es wurden die Spektrogramme (FFT-Länge: 1024, Fensterung: Hanning, Überlappung: 75 %) des Lautanalysesystems Avisoft-SASLab Pro (2003) genutzt. 2.5 Statistische Analysen Um die akustischen Parameter der drei Kastrationsphasen (Prozentsatz der korrekten Klassifizierung von Lauten in Bezug auf die einzelnen Kastrationsphasen sowie die speziellen Lautparameter der einzelnen Phasen) zu vergleichen, führten wir eine Varianzanalyse mit der MIXED-Prozedur durch, einer Komponente des SAS-Systems (SAS release 8.02, SAS, 2001). Dabei wurde ein ANOVA-Modell mit dem fixen Effekt Phase (voroperative, chirurgische und nachoperative Phase) genutzt. Die wiederholten Messungen an gleichen Tieren berücksichtigte das repeated-statement. Die Signifikanz des Haupteffektes wurde mit dem Typ 3-Test des fixen Effektes ( Phase ) getestet. Zusätzlich ermittelten wir die LS-means und die zugehörigen Standardfehler und testeten die paarweisen Differenzen mit dem Tukey-Test. 3 Ergebnisse 3.1 Lautzuordnung Die Häufigkeit des Auftretens von Lauten nach ihrer Peakfrequenz wird in Abbildung 1 dargestellt (Abb. 1). Die Mehrzahl der aufgenommenen Laute (86,2 %) waren hochfrequente Laute höher als 1000 Hz. Abbildung 2 zeigt ein typisches Beispiel eines solchen Lautes im Verlauf der drei untersuchten Phasen. Der Rest der Laute (13,8 %) war niederfrequent (weniger als 1000 Hz). STREMODO erkannte 96,6 % der hochfrequenten Laute als Stresslaute. Dies war signifikant nicht unterschiedlich (Mann Whitney U test). Im Folgenden wird deshalb nur noch auf hochfrequente Laute eingegangen, die auch von STREMODO erkannt wurden (Abb. 2). 3.2 Lautklassifikation Die chirurgische Phase beeinflusste den Prozentsatz der korrekten Zuordnung der hochfrequenten Laute (F 2,18 = 15.3, p < 0.001) signifikant (Tabelle 1). In der chirurgischen Phase war die Qualität der korrekten Zuordnung von hochfrequenten Lauten durch das DISCRIM-Verfahren (85,2%) wesentlich höher als in der nachoperativen Phase (t = 3.8, p < 0.01) und der voroperativen Phase (t = 4.0, p < 0.01). Das bedeutet, dass die Vokalisation während der eigentlichen Kastration als Stressvokalisation typischer wurde, was auch mit STREMODO nachgewiesen werden konnte. Die Anzahl von Lauten pro Zeiteinheit war nicht signifikant von der Phase abhängig (Tab. 1).

5 48 Schön u.a. Abb. 1. Die Häufigkeitsverteilung des Auftretens von Lauten über alle Phasen der Kastrationsprozedur nach ihrer Peakfrequenz. NIEDRIG = Laute tiefer als 1000 Hz, HOCH = Laute höher als 1000 Hz Frequency distribution of calls by the peak frequency throughout all phases of the castration process. NIEDRIG = calls lower than 1000 Hz, HOCH = calls higher than 1000 Hz Abb. 2. Lautbeispiel eines typischen hochfrequenten Lautes eines Ferkels im Verlauf der drei Phasen des Kastrationsverfahrens: voroperativ vor der Kastration (VK), während der eigentlichen Kastration (WK), nachoperativ nach der Kastration (NK). Die Beschränkung auf eine dominierende Frequenz während der chirurgischen Kastration ist auffällig Example of a typical high frequency call of a piglet in the course of the three phases of the castration procedure: presurgical, before castration (VK), surgical phase during castration (WK), postsurgical, after castration (NK). Note the restriction to one dominating frequency during the surgical castration

6 Veränderungen der Vokalisation während der Kastration beim Hausschwein Spezielle Lautparameter Der Kastrationsprozess verursachte auch eine beträchtliche Lautveränderung hinsichtlich der Peakfrequenz, der Dauer der Laute, des Abstandes zwischen dem 75 %- und 25 %-Frequenzquartil und der Entropie (Tabelle 1). In allen untersuchten Vokalisationsparametern (Peakfrequenz der Laute: F 2,18 = 48.5, p < 0.001; Dauer der Laute: F 2,18 = 4.6, p < 0.05; Abstand zwischen dem 75 %- und 25 %-Frequenzquartil: F 2,18 = 7.2, p < 0.01; Entropie: F 2,18 = 6.1, p < 0.01) war dieser Einfluss signifikant. Die paarweisen Vergleiche demonstrierten eindeutig, dass die meisten Veränderungen mit dem eigentlichen chirurgischen Eingriff in Verbindung standen. Dabei überstiegen generell die Peakfrequenz (t = 6.5, p < 0.001) und die Dauer der Laute (t = 2.9, p < 0.05) während der chirurgischen Phase die Werte nach dem chirurgischen Eingriff. Der Abstand zwischen dem 75 %- und 25 %-Frequenzquartil (t = 3.7, p < 0.01) und die Entropie (t = 3.5, p < 0.01) waren während des chirurgischen Eingriffs relativ zur nachoperativen Phase niedriger, d.h. die Laute während des eigentlichen chirurgischen Eingriffs wurden länger, höher in der Tonlage und reiner. Die beiden Parameter Abstand zwischen dem 75 %- und 25 %-Frequenzquartil (t = 2.8, p < 0.05) und Entropie (t = 2.9, p < 0.05) waren während der chirurgischen Phase niedriger als jene vor dem chirurgischen Eingriff. Weiterhin war die Peakfrequenz während der nachoperativen Phase niedriger als in der voroperativen Phase (t = 8.6, p < 0.001). Tab. 1. Prozentsatz richtig klassifizierter Laute, Anzahl, Dauer, Peakfrequenz, Abstand zwischen dem 75 %- und 25 %-Frequenzquartil (Q75-Q25) und Entropie (Mittelwert ± Standardfehler) von hochfrequenten Stresslauten, die durch STREMODO erkannt wurden während der drei Phasen des Kastrationsverfahrens: voroperativ vor der Kastration (VK), während der eigentlichen Kastration (WK), nachoperativ nach der Kastration (NK). Verschiedene Buchstaben indizieren signifikante Unterschiede Percentage of correct classification, number, peakfrequency, duration, range between the 75th and 25th frequency quartiles (Q75-Q25) and entropy (mean ± standard error) of highfrequency stress calls recognised by STREMODO during the three phases of the castration procedure: presurgical, before castration (VK), surgical phase during castration (WK), postsurgical, after castration (NK). Different letters indicate significant differences Parameter VK WK NK Prozent richtig klassifiziert (%) ± 2.86 a ± 1.93 b ± 3.70 a Anzahl der Laute pro s 0.78 ± 0.03 a 0.69 ± 0.04 a 0.76 ± 0.03 a Dauer der Laute (s) 0.99 ± 0.05 a 1.10 ± 0.07 a 0.93 ± 0.07 b Peakfrequenz (Hz) ± a ± b ± b Q75-Q25 (Hz) ± a ± b ± a Entropie 0.69 ± 0.01 a 0.66 ± 0.01 b 0.70 ± 0.01 a 4 Diskussion Die chirurgische Kastration männlicher junger Ferkel ist ein routinemäßig angewandtes Verfahren in der Schweinehaltung. Die vorliegende Untersuchung zeigt, dass akuter Schmerz, der vom eigentlichen chirurgischen Teil des Kastrationsprozesses erzeugt wird, sowohl zu komplexen als auch spezifischen Veränderungen bestimmter Parameter der Vokalisation führt. Die Kastration wird durch eine starke Vokalisation der Ferkel begleitet. Dabei tritt eine hohe Anzahl hochfrequenter Laute (86,2 %) auf, aber es sind auch einige niederfrequente Laute (13,8 %) zu registrieren. Das automatische System

7 50 Schön u.a. STREMODO ist in der Lage, die hochfrequenten Laute mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit (96,6 %) zu klassifizieren. Eine statistische Diskriminanzanalyse der LPC-Modelle der Laute wurde für die 3 Phasen des Kastrationsprozesses (voroperativ, chirurgischer Eingriff und nachoperativ) durchgeführt und lieferte die besten Klassifikationsergebnisse (85,2 %) für die Phase, in der der direkte chirurgische Eingriff erfolgte. Außer der Anzahl von Einzelvokalisationen pro Zeiteinheit veränderten sich alle anderen analysierten Parameter der hochfrequenten Laute signifikant in den drei Kastrationsphasen. Die Änderungen wiesen die höchste Signifikanz auf, wenn sie auf den eigentlichen chirurgischen Eingriff bezogen wurden. Die Veränderungen von hochfrequenten Lautparametern während der chirurgischen Phase sind unserer Meinung nach klare Anzeichen einer veränderten Wahrnehmung der Situation durch die Tiere. Man kann davon ausgehen, dass die Lautveränderungen vorwiegend vom Schmerz verursacht werden, der während der chirurgischen Phase der Kastration erlitten wird, da dieser der einzige Unterschied zu den beiden anderen Phasen der Prozedur ist. Damit ist eine eindeutige Zuordnung zu den Randbedingungen gegeben, wie sie für Interpretationen von tierischen Vokalisationen zu fordern sind (Manteuffel et al., 2004). Auch Taylor und Weary (2000) haben gezeigt, dass der eigentliche chirurgische Eingriff (z.b. das Durchtrennen der Samenstränge) die höchste Lautreaktion hervorruft, was zeigt, dass dieser der schmerzhafteste Bestandteil der Kastration ist. Eine örtliche Narkose konnte einige ethologische und vokale Reaktionen auf die Kastration reduzieren (White et al., 1995; Horn et al., 1999; Marx et al., 2003). Im Gegensatz zu vorhergegangenen Arbeiten (Weary et al., 1998; Taylor und Weary, 2000) konnte das Ergebnis, dass eine zunehmende Anzahl von hochfrequenten Lauten (Quantität) ein zuverlässiger Indikator von Schmerz durch die Kastration ist, nicht bestätigt werden. In den erwähnten Arbeiten wurde ein signifikanter Unterschied in der Lautrate zwischen scheinkastrierten und wirklich kastrierten Ferkeln gefunden. Dieser Unterschied beruhte aber hauptsächlich auf einem Rückgang der Laute der scheinkastrierten Ferkel nach der chirurgischen Scheinbehandlung und nicht auf einer merklichen Zunahme der Laute von kastrierten Ferkeln während der chirurgischen Phase. Die Ergebnisse der gegenwärtigen Arbeit hinsichtlich der Lauthäufigkeit lassen eher vermuten, dass die beschriebene Behandlung und der chirurgische Eingriff während der Kastration durch die Tiere als akut bedrohliche Situation interpretiert werden (vergleichbar mit dem Angriff eines Raubtieres), auf die sie generell mit beinahe maximalem Niveau an Vokalisation antworten. Hochfrequente Vokalisationen wie das Quieken oder Schreien von Schweinen können als Signale angesehen werden, die mit einem hohen Niveau von Stress (Kiley, 1972; Fraser, 1974) und der Aktivierung der endokrinen Reaktion (Schrader und Todt, 1998) in Verbindung zu bringen sind. Diese Schreie kommen hauptsächlich vor, wenn eine Situation gefühlsmäßig negativ von den Tieren bewertet wird (z.b. Disstress, Hunger, Schmerz, Angst). Dabei kann es zu einer Veränderung der Spannung im Vokaltrakt und damit auch zur Veränderung seiner Resonanzfrequenzen kommen. Diese unwillkürlichen Mechanismen sind an der ehrlichen Signalgebung (Fitch und Hauser, 1995) beteiligt und werden für die automatische Überwachung der Stressbelastung von Schweinen durch STREMODO genutzt (Schön et al., 2001, 2004; Manteuffel und Schön, 2004). Da wie in dieser Arbeit gezeigt die Zuordnung von Lauten in der chirurgischen Phase wesentlich besser als in den anderen Phasen ist, unterstellen wir, dass der Schmerz während der Kastration die Ferkel im Sinne einer ehrlichen Signalgebung vokalisieren lässt. Während der chirurgischen Phase tendierten die Laute dazu, länger und von einer höheren Frequenz zu sein. Die Reinheit der Laute ist ausgeprägter, und die Zufälligkeit (Entropie) wird verringert. Da feine, aber messbare und konsistente Veränderungen einiger Parameter der Lautqualität hervorgerufen werden, sind diese Veränderungen Anzeichen für die Schmerzempfindung des Tieres, weil sie eindeutig dem eigentlichen

8 Veränderungen der Vokalisation während der Kastration beim Hausschwein 51 chirurgischen Kastrationsprozess zugeordnet werden können. Die Erfassung und Klassifizierung solcher Vokalisationen ist möglich, indem bestimmte charakteristische und indikative Parameter der Lautproduktion benutzt werden. Aufgrund der mit der Kastration ohne Betäubung verbundenen Schmerzempfindung muss auch die ethische Rechtfertigung der Anwendung dieses Verfahrens in der Schweinehaltung in Frage gestellt werden. Auch die von der EU geforderte (EU-Richtlinie 91/630/EWG) und in der Praxis angewandte Verschiebung der betäubungslosen Frühkastration in die ersten 7 Lebenstage scheint aus Sicht der schmerzinduzierten Vokalisation wenig gerechtfertigt. So fanden Taylor et al. (2001) keinen Einfluss des Alters (3, 10 oder 17 Tage) auf die geäußerte Lautgebung der Ferkel in Reaktion auf die Kastration. Mögliche praktische Alternativen, die aktuelle Situation zu verbessern, werden zusammenfassend von Binder et al. (2004) und Baumgartner et al. (2004) beschrieben. Alternativen sind das Unterlassen der Kastration an sich (Ebermast), die weitere Entwicklung von geeigneteren Methoden örtlicher oder allgemeiner Anästhesie oder die Verwendung von nicht-chirurgischen Methoden, z.b. der Immuno-Kastration (Bonneau und Enright, 1995). Probleme treten vor allem bei der Betäubung auf, die durch Injektion ausgeführt wird, Ein Teilschmerz und der Stress während der Injektion bleiben bestehen, und es ergeben sich zum Teil sehr hohe Tierarztkosten. Abhilfe könnte hier eine Inhalationsnarkose (Schatzmann, 2004a, 2004b) schaffen. Es wird in Zukunft eine Aufgabe der europäischen Gesetzgeber sein, hier eine sowohl für den Tierschutz als auch für den Produzenten gangbare und akzeptable Lösung zu finden. Zusammenfassung Die chirurgische Kastration männlicher junger Ferkel ohne Anästhetika ist ein routinemäßig angewandtes Verfahren in der Schweinhaltung. Die verschiedenen Handling- Prozeduren und der chirurgische Eingriff rufen eine beträchtliche Anzahl von Vokalisationen hervor, die Anzeichen von Schmerz und Stress der Tiere zu sein scheinen. In der Arbeit wurden verschiedene Parameter dieser Vokalisation von 19 männlichen Ferkeln während der drei Phasen der Kastration (voroperativ, operativ, nachoperativ) untersucht. Die Tiere antworteten auf die Behandlung vorwiegend mit hochfrequenten Lauten (> 1000 Hz). Diese Laute wurden zuverlässig (96,6 %) durch einen automatischen Stresslautklassifikator (STREMODO) klassifiziert, der bestimmte Parameter der Lautproduktion nutzt, die an der ehrlichen Signalgebung beteiligt sind. Mit einer nachfolgenden statistischen Diskriminanzanalyse dieser Parameter erreichten wir signifikant die besten Klassifikationsergebnisse (82,2 %) für Laute, die während des chirurgischen Teils des Kastrationsverfahrens aufgenommen wurden. Dies bedeutet, dass die Stresseigenschaften der Laute am meisten in dieser Phase ausgeprägt sind. Außer der Anzahl von Lauten pro Zeiteinheit wurden auch alle anderen einzelnen Lautparameter der hochfrequenten Vokalisation (Lautdauer, Peakfrequenz, Reinheit und Entropie) signifikant von der chirurgischen Phase der Kastration beeinflusst. Zusammengefasst können die beobachteten Veränderungen der akustischen Parameter während der chirurgischen Phase als Indikatoren für den erlittenen Schmerz interpretiert werden. Wir schließen daraus, dass eine gründliche Analyse des Vokalisationsverhaltens der Tiere helfen kann, Fakten über den Schmerz und die Stressbelastung, die ein Tier empfindet, zu gewinnen. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern weitere Gründe für eine kritische Neubewertung der aktuellen Praxis der Kastration von Ferkeln ohne Betäubung. Schlüsselwörter: Kastration, Schmerz, Bioakustik, Vokaltrakt, Stress, Schwein

9 52 Schön u.a. Literatur Avisoft-SASLab Pro (2003): Sound analysis and synthesis laboratory. Version 4.2, Avisoft Bioacoustics, Berlin Baumgartner, J., R. Binder, W. Hagmüller, P. Hofbauer, C. Iben, U. S. Scala und C. Winckler (2004): Aktuelle Aspekte der Kastration männlicher Ferkel. 2. Mitt.: Alternativmethoden zur chirurgischen Kastration und zusammenfassende Bewertung. Tierärztl. Mschr. 91, Binder, R., W. Hagmüller, P. Hofbauer, C. Iben, U. S. Scala, C. Winckler und J. Baumgartner (2004): Aktuelle Aspekte der Kastration männlicher Ferkel 1. Mitt.: Tierschutzrechtliche Aspekte der Ferkelkastration sowie Verfahren zur Schmerzausschaltung bei der chirurgischen Kastration. Tierärztl. Mschr. 91, Bonneau, M. und W. J. Enright (1995): Immunocastration in cattle and pigs. Livest. Prod. Sci. 42, Budde, C. und G. M. Klump (2003): Vocal repertoire of the black rhino Diceros bicornis ssp. and possibilities of individual identification. Mamm. Biol. 68, Fant, G. (1970): Acoustic Theory of Speech Production. The Hague. Fitch, W. T. und M. D. Hauser (1995): Vocal production in nonhuman primates: Acoustics, physiology, and functional constraints on honest advertisement. Am. J. Primatol. 37, Fraser, D. (1974): The vocalizations and other behaviour of growing pigs in an open field test. Appl. Anim. Ethol. 1, Hay, M., A. Vulin, S. Génin, P. Sales und A. Prunier (2003): Assessment of pain induced by castration in piglets: behavioral and physiological responses over the subsequent 5 days. Appl. Anim. Behav. Sci. 82, Heffner, R. S. und H. E. Heffner (1990): Hearing in domestic pigs (Sus scrofa) and goats (Capra hircus). Hear. Res. 48, Horn, T., G. Marx und E. von Borell (1999): Verhalten von Ferkeln während der Kastration mit und ohne Lokalanästhesie. Dt. Tierärztl. Wschr. 106, Hillmann, E., C. Mayer, P. C. Schön, B. Puppe und L. Schrader (2004): Vocalisation of domestic pigs (Sus scrofa domestica) as an indicator for their adaptation towards ambient temperatures. Appl. Anim. Behav. Sci. 89, Janata, P. (2001): Quantitative assessment of vocal development in the zebra finch using self-organizing neural networks. J. Acoust. Soc. Am. 110, Kiley, M. (1972): The vocalizations of ungulates, their causation and function. Z. Tierpsychol. 31, LabVIEW (1999): Complete software documentation, National Instruments Corporation, Austin, TX. Lessard, M., A. A. Taylor, L. Braithwaite und D. M. Weary (2002): Humoral and cellular immune response of piglets after castration at different ages. Can. J. Anim. Sci. 82, Manteuffel, G. und P. C. Schön (2004): STREMODO, ein innovatives Verfahren zur kontinuierlichen Erfassung der Stressbelastung von Schweinen bei Haltung und Transport. Arch. Tierz. 47, Manteuffel, G., B. Puppe und P.C. Schön (2004): Vocalization of farm animals as a measure of welfare. Appl. Anim. Behav. Sci. 88, Marx, G., T. Horn, J. Thielebein, B. Knubel und E. von Borell (2003): Analysis of pain-related vocalization in young pigs. J. Sound Vibr. 266, McGlone, J. J., R.I. Nicholson, J. M. Hellman und D.N. Herzog (1993): The development of pain in young pigs associated with castration and attempts to prevent castration-induced behavioral changes. J. Anim. Sci. 71, Morton, E. S. (1977): On the occurrence and significance of motivation-structural rule in some birds and mammals sound. Am. Nat. 111,

10 Veränderungen der Vokalisation während der Kastration beim Hausschwein 53 SAS (2001): Statistical Analysis System, SAS/STAT user guide, version 8. SAS Institute Incorporation, Cary, NC. Schatzmann, U. (2004a): Ferkel müssten nicht leiden. Unipress 121, Schatzmann, U. (2004b): Ferkel müssen nicht mehr leiden. Unipress 123, Schön, P. C., B. Puppe und G. Manteuffel (1998): A sound analysis system based on LabVIEW applied to the analysis of suckling grunts of domestic pig Sus scrofa. Bioacoustics 9, Schön, P. C., B. Puppe, T. Gromyko und G. Manteuffel (1999): Common features and individual differences in nursing grunting of domestic pigs (Sus scrofa): A multi-parametric analysis. Behaviour 136, Schön, P. C., B. Puppe und G. Manteuffel (2001): Linear prediction coding analysis and self-organizing feature map as tools to classify stress calls of domestic pigs (Sus scrofa). J. Acoust. Soc. Am. 110, Schön, P. C., B. Puppe und G. Manteuffel (2004): Automated recording of stress vocalisations as a tool to document impaired welfare in pigs. Anim. Welfare 13, Schrader, L. und D. Todt (1998): Vocal quality is correlated with levels of stress hormones in domestic pigs. Ethology 104, Stabenow, B. und G. Manteuffel (2002): A better welfare for nursing sows without increased piglet loss applying peri-parturition short term crating. Arch. Tierz. 45, Taylor, A. A. und D. M. Weary (2000): Vocal responses of piglets to castration: identifying procedural sources of pain. Appl. Anim. Behav. Sci. 70, Taylor, A. A., D. M. Weary, M. Lessard und L. Braithwaite (2001): Behavioural responses of piglets to castration: the effect of piglet age. Appl. Anim. Behav. Sci. 73, Tchernichovski, O., F. Nottebohm, C. E. Ho, B. Pesaran und P. P. Mitra (2000): A procedure for an automated measurement of song similarity. Anim. Behav. 59, van Putten, G. (1987) Verhalten als ein möglicher Indikator von Schmerz bei Ferkeln. In: Aktuelle Arbeiten zur artgemäßen Tierhaltung 1986, Darmstadt: KTBL-Schrift 319, Darmstadt, pp Weary, D. M., L. A Braithwaite und D. Fraser (1998): Vocal response to pain in piglets. Appl. Anim. Behav. Sci. 56, White, R. G., J. A. DeShazer, C. J. Tressler, G. M. Borcher, S. Davey, A. Waninge, A. M. Parkhurst, M. J. Milanuk und E. T. Clemens (1995): Vocalization and physiological response of pigs during castration with or without a local anaesthetic. J. Anim. Sci. 73, Changes of the vocalization during the castration of the domestic pig are indicators of pain by P. C. Schön*, B. Puppe*, A. Tuchscherer** and G. Manteuffel* The surgical castration of male young piglets without local anaesthetics is a routinely applied process in the pig industry. The different handling procedures and the surgical intervention evoke a considerable number of vocalizations, that seem to indicate pain and stress. In the present approach we examined various parameters of the vocalization of 19 male piglets during the three phases of the castration process (presurgical, surgical, postsurgical). The animals predominantly responded with high-frequency calls (> 1000 Hz). These calls were reliably detected (96.6 %) by an

11 54 Schön u.a. automatic stress call monitoring system (STREMODO) using vocal cues of sound production which are thought to be involved in honest signalling. With a following statistical discrimination analysis based on these vocal cues we achieved the significantly best call assignment to the respective handling or surgical phase at the surgical part of the castration procedure (85.2 %). Hence, the stress characteristic of the calls was most pronounced in this phase. Besides the number of calls per time unit also all other single call parameters (call duration, peak frequency, pureness and entropy of the sound) were significantly influenced by the surgical phase of the castration. Together, the observed changes of the acoustic parameters can be interpreted as vocal indicators for experienced pain of the piglets. We conclude that a careful analysis of the vocal behaviour of animals may help to gain deeper knowledge of pain and stress that an animal perceives. The results of this work deliver further causes for a further critical re-evaluation of the current practice of piglet castration without anaesthetics. Keywords: castration, pain, bioacoustics, vocal tract, stress, pig

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