关于运动强度和持续时间对狗的胃肠道温度及气味检测能力影响的初步研究

《Applied Animal Behaviour Science》：A preliminary study on the impacts of exercise intensity and duration on gastrointestinal temperature and odor detection performance of dogs

工作犬在持续中强度运动后嗅觉检测能力显著下降，且该变化与运动强度和持续时间直接相关，而非心率或胃肠道温度升高。实验通过可调节强度的嗅闻跑步机，验证了运动强度和持续时间是影响嗅觉敏感性的主要因素，心率未显示预测作用。摘要分隔符：

　　

Liza Rothkoff|J?rg Schultz|Edgar O. Aviles-Rosa|Michele N. Maughan|Eric Best|Nathaniel J. Hall

德克萨斯理工大学动物与食品科学系，美国德克萨斯州卢博克市印第安纳大道1308号，邮编79409

摘要

工作犬经常被部署在要求体力的环境中，如搜救或军事行动。人们普遍认为，长时间或高强度的运动会降低它们嗅觉的能力——但导致这种下降的生理机制尚未明确。为了研究这一点，我们使用了一个受控实验设置，让犬只在电动嗅觉跑步机上执行“去/不去”嗅觉任务。该设置使我们能够调节运动强度和持续时间，同时测量嗅觉表现以及心率、胃肠道温度等生理反应。在实验1中，犬只在恒定速度下运动——要么步行（低强度），要么小跑（中等强度）——持续33分钟。步行时的嗅觉表现保持稳定，但在中等强度运动21分钟后急剧下降。在这种情况下，胃肠道温度变化成为了一个强有力的预测因素。为了验证这种效应是否具有因果关系，实验2引入了运动过程中的速度变化。这使得胃肠道温度与运动强度和持续时间分离。在中等强度运动期间，表现下降，并且在转为低强度运动后仍然较低。从步行转为小跑的犬只表现下降最为明显。在这种更具诊断性的设计中，运动强度和持续时间——而不是胃肠道温度——是嗅觉敏感度的最强预测因素。在这两个实验中，心率并不能预测嗅觉敏感度。这些发现表明，嗅觉表现会随着体力消耗而下降，但揭示了其根本原因并非心率或体温升高，而是活动的强度和持续时间。这种多层次的分析强调了受控实验在设计生理机制中的作用，并表明简单的、非侵入性的指标（如速度和持续时间）可能为管理工作犬的嗅觉表现提供实用工具。

引言

工作犬在许多人类活动中发挥着重要作用，从检测爆炸物（Furton & Myers, 2001）和毒品（Adams & Johnson, 1994）到支持搜救行动（Jones et al., 2004）。这些任务通常需要持续的体力消耗，同时伴随着复杂的认知和感官要求（Gazit & Terkel, 2003）。特别是，某些检测任务可能会同时对犬只的嗅觉系统和体温调节系统造成压力，在体力消耗或疲劳的情况下维持嗅觉准确性是一个独特的操作挑战。

已知体力消耗会引发一系列生理变化，包括核心体温升高、心率加快和剧烈喘息（Angle and Gillette, 2011, Baker et al., 2020, Carter and Hall, 2018, O’Brien et al., 2017, Robbins et al., 2017, Rovira et al., 2008）。这些反应可能会干扰嗅觉功能，无论是通过改变嗅闻时的气流动态，还是通过更系统的代谢或神经机制（Gazit & Terkel, 2003）。因此，了解体力消耗如何影响嗅觉表现对于评估和优化工作犬的操作准备状态至关重要。

多项研究已经开始探讨这个问题（表1），早期证据表明，在检测任务之前的剧烈体力活动会损害嗅觉表现（Altom et al., 2003, Angle et al., 2014, Gazit and Terkel, 2003）。例如，在搜索任务之前在跑步机上运动的犬只表现出更剧烈的喘息和减少的嗅闻次数，从而导致较差的检测结果（Gazit & Terkel, 2003）。值得注意的是，在Gazit & Terkel（2003）的研究中，随着任务的进行，表现有所改善，这暗示运动后嗅觉表现有可能恢复，但由于缺乏关于时间或任务持续时间的详细报告，这种恢复的性质和速度仍不清楚（Gazit & Terkel, 2003）。其他研究也记录了类似的运动后嗅觉表现下降（Altom et al., 2003, Angle et al., 2014），但由于方法上的显著差异（例如，运动和测试之间的长时间延迟，以及犬只的身体状况差异），很难在不同研究之间比较嗅觉表现并准确确定嗅觉变化的原因。

基于这些研究，我们团队最近的工作引入了一种新方法，直接评估持续体力消耗对嗅觉表现的影响（Aviles-Rosa et al., 2024）。使用定制设计的跑步机与自动嗅觉仪结合，让犬只在运动过程中接触气味刺激（Aviles-Rosa et al., 2024）。这种设计首次实现了在持续体力负荷下的实时检测能力评估，消除了潜在的未考虑的恢复期（例如，从运动结束到嗅觉任务开始的时间），这些恢复期可能会掩盖表现缺陷。与早期发现一致（Angle et al., 2014, Gazit and Terkel, 2003），我们观察到在持续中等强度运动后，对于接近阈值的气味，检测准确性显著下降。相比之下，对于浓度较高的气味以及在较低运动强度下，表现基本保持不变（Aviles-Rosa et al., 2024）。

这些发现对于那些目标气味因隐藏或其固有的物理或化学性质（例如，低蒸气压、数量少等）而气味可用性有限的操作环境具有重要意义，在这些环境中，犬只需要在整个搜索任务中保持体力消耗。由于我们的实验将运动强度直接与表现下降联系起来，而没有休息期，因此它提供了更真实和实时的野外条件下的功能嗅觉能力评估（Aviles-Rosa et al., 2024）。

然而，关于运动期间观察到的嗅觉下降的原因仍有一些重要问题（Aviles-Rosa et al., 2024）。我们之前的研究没有包括体温等生理测量数据，这些数据可能对于理解随时间变化的嗅觉表现下降机制至关重要。此外，每次实验的持续时间根据犬只的表现略有不同，引入了潜在的混杂变量。最后，由于每次实验中的运动强度保持不变，因此无法将强度的影响与持续时间区分开来（Aviles-Rosa et al., 2024）。

本研究通过使用标准化持续时间协议、通过胃肠道温度（T_gi）进行生理监测，以及实验过程中的运动强度调节，复制并扩展了我们之前的发现（Aviles-Rosa et al., 2024），从而解决了我们之前工作的局限性。这种方法使我们能够系统地研究体力消耗的强度和持续时间如何影响嗅觉表现，以及这些效应如何与潜在的生理状态相对应。

动物使用和研究批准

该研究在德克萨斯理工大学犬类嗅觉研究与教育（CORE）实验室进行，并获得了德克萨斯理工大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）以及美国陆军动物护理和使用审查办公室（ACURO）的批准。

参与者

四只2-4岁的犬只（N=4）参与了这项研究（表2）。其中一只犬只（Charles）也参与了我们之前的跑步机研究（Aviles-Rosa et al., 2024）。

嗅觉跑步机

我们在之前的研究中使用的同一款嗅觉跑步机（图1 A）也被用于本实验

统计分析

实验分为7分钟的块，每个块大约进行20次试验，以充分测量每个时间段的性能。对于实验2，创建了一个3分钟的块（9次试验），作为运动强度之间的过渡期。尽管实际的过渡期更快，但我们允许犬只用3分钟来适应新的速度。

对于每个块，我们计算了非参数信号检测指标A’和B’’（Stanislaw & Todorov, 1999）

气味检测结果——实验1：固定速度运动

实验1在之前的工作基础上进行了改进（Aviles-Rosa et al. 2024），包括：（1）修改了ITI，使每个实验的持续时间相同；（2）增加了T_gi监测；（3）保持实验期间气味浓度一致，以评估接近阈值检测与实验持续时间之间的关系。与之前的结果一致（Aviles-Rosa et al., 2024），犬只在中等强度运动期间表现出嗅觉检测性能下降

发现总结及对性能监测的启示

本研究探讨了运动强度和持续时间如何影响犬只的检测表现，重点关注可能与嗅觉表现变化相关的生理机制（心率和T_gi）。通过两个实验，我们在不同的运动强度下评估了犬只在跑步机检测任务中的嗅觉敏感性。我们还评估了生理变量——特别是胃肠道温度（T_gi）和心率

资助

这项研究由美国陆军通过化学生物先进材料与制造科学（CBAMMS）计划（PE 0601102 A Project VR9）在战斗能力发展司令部化学生物中心（DEVCOM CBC）资助。

CRediT作者贡献声明

Liza Rothkoff：写作——审阅与编辑，撰写初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理。Nathaniel J. Hall：写作——审阅与编辑，可视化，验证，监督，软件资源，项目管理，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。Eric Best：写作——审阅与编辑。Michele N. Maughan：写作——审阅与编辑，监督，资源管理，项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作

致谢

我们感谢所有帮助照顾犬只的本科生助手，以及实验室技术员Angelica Juarez。我们还要感谢Andrea Mancha、Amy Hunt、Karina Avila和Jessica Higdon在训练和测试犬只方面提供的帮助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

数据声明

用于分析的数据可以在//data-exchange.irondog-project.com/找到