Beurteilung der Stressbelastung für Rinder im Rahmen praktischer Übungen zur Künstlichen Besamung und Evaluation der Einbindung von Simulatoren in den Ausbildungsprozess

Teaching artificial insemination in cattle: Assessment of the stress level and evaluation of a simulator-supplemented training

According to the Animal Breeding Act Course Ordinance (TierZG1989LehrgV), practical training on animals is required by law to study artificial insemination in cattle. To date, the well-being of the cattle used in these exercises has not been assessed. The present work dealt for the first time with the exposure of stress in cows as test animals in practical AI exercises. It should also be investigated if the repeated use of the animals in an AI exercise leads to habituation in the situation. Finally, the added value of training supplemented by simulators for cattle and humans was assessed.

For the assessment of the stress level, 31 exercise animals of the breeds Holstein-Friesian, German Schwarzbuntes Niederungsrind (DSN), Simmental cattle, Brown Swiss, Danish-Holstein, and a DSN x Belgian blue cross between the ages of 15 months and twelve years from the herd of the institute for reproduction of farm animals Schönow e.V. (IFN) were accompanied over 15 exercises within one year. For a differentiated analysis, the animals were randomly grouped into inexperienced (used in ≤ 8 exercises, UK), experienced (used in ≥9 exercises, EK), and resting animals (RK). RK animals were fixed in the feed fence without further use during the AI exercises. The determination of cortisol concentrations was carried out in serum (SCK) and saliva samples (SpCK) 60 and 30 min before the start of the exercise as a basal sample (B1 and B2), 30 and 60 min after the start of the exercise (Ü1 and Ü2) and finally 30 min after the end of the exercise (Be). The heart rate variability (HRV) was derived on the left side of the thorax using a sensor belt (equine belt® H7,) and evaluated using Kubios software (version 3.1.0). The HRV was determined 60 and 30 minutes before the start of the course, in the beginning, in the middle and at the end of an exercise and finally 30 minutes after the end of the course. Additionally, rumination time was recorded (Heatime® Pro v 15.2.10.0). Sampling of the SCK and Dihydroepiandrostendione (DHEA) concentration was carried out on separate dates after a four- or eight-week course or rest phase. On these dates, cell smears were taken additional from the uterus using the Cytobrush method. The assessment of a simulator-added training took place in separate IFN courses with 57 participants without previous experience in artificial insemination. These were randomly divided into three groups: A, B, and C. Before the first practical exercise with the cow, two basal samples were taken from each animal to determine SCK and SpCK. During the exercise, each participant had the opportunity to practice the correct insertion of the AI gun with a cow for 15 minutes. Questionnaires were collected before and after the practical AI exercise rated the improvement of training by contributing a simulator. Also, the performance and learning success of the course participants were assessed objectively by the course instructor.

The analyses of the SCK, SpCK, and DHEA samples were carried out in the endocrinological laboratory of the cattle clinic of the University of Veterinary Medicine Hannover.

The evaluation of the parameters for acute stress showed an increase in the SCK of all animal groups during the exercise times (n = 156, B1 to Ü1: P = 0.000, B2 to Ü1: P = 0.013, B1 to Ü2: P = 0.002, B2 to Ü2: P = 0.022) and a significant recovery to the basal level 30 min after the end of the insemination exercise (Ü1 to Be: P = 0.000, Ü2 to Be: P = 0.01). These results could also be reproduced in the evaluation of the SpCK (n = 156) and the netSCK (n = 155). The chewing time increased significantly during the fixation and exercise interval (n = 237, P = 0.000). The course of the HRV showed no significant difference between the measurement times B1, B2, Ü1, Ü2, and Be. In a comparison of the animal groups RK, UK, and EK, the values of the RK concerning “area under the curve” of the SCK were significantly (P = 0.007) below the results of the UK group. The long-term evaluation showed no difference in DHEA (n = 100 / 77) or cortisol concentrations (n = 102 / 77) after a course or rest phase. Also in the cell smear, there was no difference in the proportion of polymorphonuclear neutrophils between the animal groups. Cows manipulated by only theoretically taught participants (group A) showed a significant increase in SCK during the time of exercise (P = 0.01). Once participants had previously practiced on slaughter organs (Group B) or simulators (Group C), the cows showed no significant increase in SCK during the 15-minute exercise.

In summary, the stress load on cattle, which arises during training exercises to learn artificial insemination, is to be regarded as low due to the rapid calming down after the insemination exercises. Furthermore, habituation of the animals can be determined in the exercise situation. Repeated exercises do not cause permanent activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis or an immunological defense reaction of the uterus of the test animals. Furthermore, the results of this study show the positive potential of training supplemented by a simulator to reduce the stress level of the training cows. Nach der Tierzuchtgesetz-Lehrgangsverordnung (TierZG1989LehrgV) ist die praktische Ausbildung am Tier zum Erlernen der Künstlichen Besamung am Rind gesetzlich vorgeschrieben. Das Wohlbefinden der Rinder, die bei diesen Übungen zum Einsatz kommen, wurde bisher keiner näheren Bewertung unterzogen. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich erstmalig mit der Fragestellung, welchem Stresslevel Kühe als Versuchstiere zum Erlernen der Künstlichen Besamung ausgesetzt sind. Zusätzlich wurde untersucht, inwiefern durch den wiederholten Einsatz der Tiere eine Habituation an die Situation eintritt. Schließlich erfolgte die Einschätzung des potenziellen Mehrwertes einer durch Simulatoren ergänzten Ausbildung für Rind und Mensch.

Für die Beurteilung des Stresslevels wurden 31 Übungstiere der Rassen Holstein-Friesian, Deutsches Schwarzbuntes Niederungsrind (DSN), Fleckvieh, Brown Swiss, Dänisch-Holstein sowie eine DSN x Weißblauer Belgier-Kreuzung im Alter zwischen 15 Monaten und 12 Jahren aus der Herde des Institutes für Fortpflanzung landwirtschaftlicher Nutztiere Schönow e.V. (IFN) in 15 Übungen über ein Jahr begleitet. Für eine differenzierte Analyse erfolgte eine randomisierte Gruppierung der Tiere in unerfahrene (< 9 Übungseinsätze, UK) und erfahrene Rinder (≥ 9 Übungseinsätze, EK) sowie Ruhetiere (RK). RK wurden während der Besamungsübungen ohne weitere Nutzung im Fangfressgitter fixiert. Die Bestimmung von Cortisol-Konzentrationen erfolgte in Serum- (SCK) und Speichelproben (SpCK) 60 und 30 min vor Beginn der Übung als Basalprobe (B1 und B2), 30 und 60 min nach Beginn der Übung (Ü1 und Ü2) und final 30 min nach Ende der Übung (Be). Die Herzratenvariabilität (HRV) wurde an der linken Thoraxseite mittels Sensorgurt (equine belt® H7) abgeleitet und am PC mittels Kubios Software (Version 3.1.0) ausgewertet. Die HRV-Bestimmung erfolgte 60 und 30 min vor Kursbeginn, zu Beginn, in der Mitte sowie am Ende einer Übung sowie 30 min nach Kursende. Zusätzlich wurde das Wiederkauverhalten erfasst (Heatime® Pro v 15.2.10.0). Die Beprobung der SCK und Dehydroepiandrostendion- (DHEA) Konzentrationen wurde an gesonderten Terminen nach einer 4- oder 8-wöchigen Kurs- oder Ruhephase durchgeführt. An diesen Terminen erfolgte zusätzlich die Entnahme von Zellabstriche aus dem Uterus nach der Cytobrush-Methode. Die Beurteilung eines simulatorergänzten Trainings erfolgte in separaten Kursen des IFN mit 57 Teilnehmern ohne bisherige Erfahrung in der Künstlichen Besamung. Diese wurden randomisiert in drei Gruppen unterteilt (A, B, C). Vor der ersten praktischen Übung an der Kuh fand die Entnahme von zwei Basalproben je Tier zur Erhebung der SCK und SpCK statt. Während der Übung hatte jeder Teilnehmer 15 min lang die Möglichkeit, an einer Kuh das korrekte Platzieren des Besamungsinstrumentes zu üben. Die Erhebung jeweils eines Fragebogens vor und nach der praktischen Besamungsübung diente der Bewertung, inwiefern ein Simulatoreinsatz die Ausbildung verbessern kann. Zusätzlich wurden die Leistungen und der Lernerfolg der Kursanten objektiv durch den Kursleiter beurteilt.

Die Analysen der SCK, SpCK und DHEA-Proben erfolgten im endokrinologischen Labor der Rinderklinik der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover.

Die Kurzzeitauswertung ergab einen Anstieg der SCK aller Tiergruppen während der Übungszeitpunkte (n = 156; B1 zu Ü1: P = 0,000; B2 zu Ü1: P = 0,013; B1 zu Ü2: P = 0,002; B2 zu Ü2: P = 0,022) und eine signifikante Wiederberuhigung auf Basalniveau 30 min nach Beendigung der Besamungsübung (Ü1 zu Be: P = 0,000; Ü2 zu Be: P = 0,01). Diese Ergebnisse ließen sich ebenso in der Auswertung der SpCK (n = 156) sowie der Netto-Cortisol-Konzentrationen (n = 155) nachvollziehen. Die Wiederkauzeit stieg während des Fixierungs- und Übungsintervalles signifikant (n = 237, P = 0,000) an. Der Verlauf der HRV zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen den Messzeitpunkten B1, B2, Ü1, Ü2 und Be. Im Vergleich der Tiergruppen RK, UK und EK lagen die Werte der RK bezüglich der area under the curve der SCK signifikant (P = 0,007) unter den Ergebnissen der UK-Gruppe. Die Langzeitauswertung ergab keinen Unterschied der DHEA-(n = 100 / 77) oder Cortisol-Konzentrationen (n = 102 / 77) nach einer Kurs- oder Ruhephase. Auch im Zellausstrich fand sich kein Unterschied im Anteil polymorphkerniger neutrophiler Granulozyten zwischen den Tiergruppen. Kühe, an denen Kursteilnehmern arbeiteten, die zuvor lediglich theoretisch unterrichtet worden waren (Gruppe A), wiesen während des Übungszeitpunktes einen signifikanten Anstieg der SCK auf (P = 0,01). Sobald die Teilnehmer zuvor an Schlachtorganen (Gruppe B) oder Simulatoren (Gruppe C) geübt hatten, zeigten die Kühe keinen signifikanten Anstieg der SCK während der15-minütigen Übung.

Zusammenfassend ist die Stressbelastung von Rindern, die bei Ausbildungsübungen zum Erlernen der Künstlichen Besamung entsteht, aufgrund der schnellen Wiederberuhigung nach den Besamungsübungen als gering zu betrachten. Darüber hinaus lässt sich eine Habituation der Tiere an die Übungssituation feststellen. Wiederholte Übungen verursachen weder eine andauernde Aktivierung der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenachse noch eine immunologische Reaktion des Uterus der Versuchstiere, sofern diese Übungen lege artis durchgeführt werden. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse dieser Studie das positive Potential einer Simulator-ergänzten Ausbildung zur Reduktion des Stresslevels der Übungskühe.