DOI: https://doi.org/10.3389/fvets.2025.1549100
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40171411
تاريخ النشر: 2025-03-18
المؤلف: Ádám Lenner وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات سلوك الحيوان ورفاهيته
نظرة عامة
تبحث ورقة البحث في الخصائص الصوتية للصوتيات في الأبقار الرمادية والجاموس المحلي، خاصة في سياق الضغط الناتج عن الانفصال عن صغارها. باستخدام تقنيات متقدمة لتسجيل الصوت والفيديو، تكشف الدراسة عن اختلافات كبيرة في ديناميات الصوت بين النوعين، حيث يظهر الجاموس صوتًا أكثر ديناميكية بثلاث مرات من الأبقار الرمادية على مقياس هيرتز اللوغاريتمي. بالإضافة إلى ذلك، تم ملاحظة تباينات في النغمة على مر الزمن لكلا النوعين، إلى جانب اختلافات ملحوظة في معاملات تردد الميل المصممة للصوتيات الحيوانية.
تؤكد الخاتمة على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف للمعلمات الصوتية المحددة لمختلف سلالات الأبقار لتعزيز فهم أصواتها، خاصة فيما يتعلق باستجابات الضغط خلال الفطام. يدعو المؤلفون إلى تحليل أكثر شمولاً لمجموعة الأصوات للأبقار لتسهيل التقدم في الممارسات الزراعية وتطبيقات البيوأكوستيك. تبرز الدراسة التحديات التي تواجه إجراء أبحاث علم الأعصاب على نطاق أوسع، مشيرة إلى أن مثل هذه التحقيقات قد تكون أكثر قابلية للتنفيذ مع عدد محدود من الأفراد في بيئات متخصصة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث هذه الضوء على الجداول الزمنية المميزة لتدجين الأبقار والجاموس، حيث تم تدجين الأبقار منذ حوالي 10,000 عام والجاموس منذ حوالي 3,000-7,000 عام. يلعب الجاموس المائي (Bubalus bubalis) دورًا مهمًا في إنتاج اللحوم والألبان على مستوى العالم، حيث بلغ عدد سكانه 202 مليون في عام 2020. على الرغم من أهميتها، كان هناك تحليل محدود لأصواتها، والتي تعتبر حاسمة للتواصل داخل القطعان. تناقش الورقة عوامل مختلفة تؤثر على أصوات الأبقار، بما في ذلك طرق الزراعة، والعمر، والهيمنة، والضغوط مثل الخصي والفطام. تعتبر الأصوات مؤشرات على الحالات العاطفية والتغيرات السلوكية، مع ترددات محددة مرتبطة بسياقات مختلفة، مثل المكالمات عالية التردد خلال الفطام.
تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى أدوات مبتكرة في الزراعة الدقيقة للحيوانات (PLF) لمراقبة رفاهية الحيوانات من خلال تحليل الأصوات. تشير إلى أن الفردية الصوتية تظل متسقة عبر سياقات عاطفية مختلفة، وقد لوحظت اختلافات كبيرة في ترددات الصوت بين السلوكيات وبين الأبقار الحلوب الناضجة والعجلات. تستخدم الدراسة معاملات تردد الميل المصممة (MFCC) لتحليل الصوت، مما يظهر دقة عالية في اكتشاف الحرارة. يدعو المؤلفون إلى مزيد من البحث في تحليل الأصوات لتعزيز تقييمات رفاهية الحيوانات، خاصة في الحالات التي يكون فيها التفاعل المباشر مع الماشية محدودًا. تهدف الورقة إلى تحليل أصوات الأبقار الرمادية والجاموس المائي خلال ضغط الفطام، ساعية لتحديد الاختلافات بين النوعين وبين الأفراد.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام طرق قائمة على الطيف لتحليل هيكل الصوتيات في الأبقار الرمادية والجاموس المائي. كانت الحروف المتحركة، التي تتميز بطبيعتها شبه الدورية، هي محور التركيز بسبب تردداتها الصوتية المميزة، والتي تعتبر حاسمة للتعرف على الصوت. حدد الباحثون خمسة ترددات صوتية لكل نوع، مضغوطين هيكل الصوت إلى سلسلة من 5-6 أزواج من قيم التردد والعرض، حيث كان التردد هو العنصر الأكثر أهمية. كشفت التحليلات أن الطيف يصل إلى ذروته عند نقاط معينة تتوافق مع هذه الترددات الصوتية، حيث تطغى الذروات على محيطها، مما يبرر التركيز على تحليل الذروة.
تقدم النتائج، الموضحة في الشكل 6، معلمات التوزيعات (C1، B1) ومتوسط الترددات الصوتية لكل من النوعين. تبرز الدراسة أنه يمكن مقارنة الأعمدة فقط التي تحمل نفس الفهرس ولا توجد اختلافات كبيرة. بينما تظهر الطريقة إمكانات للتعرف على الأفراد، فإن حجم العينة المحدود من كل فرد في هذه الدراسة يقيّد قابليتها للتطبيق.
النتائج
في هذا القسم، يناقش المؤلفون أهمية أصوات الأبقار كمؤشرات على رفاهية الأفراد ومستويات الضغط. يؤكدون أن فهم هذه الأصوات يمكن أن يعزز ممارسات الإدارة وتقييمات الرفاهية. على الرغم من الأبحاث الموجودة حول الخصائص الصوتية لأصوات الأبقار، هناك فجوة ملحوظة في الدراسات التي تحلل الأصوات في سياق العزلة. يمكن أن توفر مثل هذه التحليلات بيانات قيمة لأنظمة المراقبة التي تهدف إلى تقييم رفاهية الحيوانات.
تسلط الدراسة الضوء على أن أصوات الأبقار الرمادية والجاموس المائي تظهر تشابهات مع حروف العلة في الكلام البشري، والتي توصف بأنها إشارات شبه دورية تنقل النغمة. على عكس الحروف المتحركة الأقصر في الكلام البشري، توصف أصوات الحيوانات بأنها طويلة الأمد وشبه ثابتة، مع خصائص طيفية تتغير ببطء. يشير المؤلفون إلى أنه بينما تحدد التحليلات النموذجية للصوت ستة أشكال، فإن الثلاثة الأولى فقط هي الحاسمة لوصف أصوات الكلام. من أجل تحليلهم المقارن لأصوات النوعين، قرروا أن خمسة أصوات ستكون كافية، مستخدمين تحليل cepstrum القائم على مقياس الميل للجاموس والأبقار الرمادية.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحثنا في أصوات الجاموس المائي والأبقار الرمادية، مع التركيز على مكالماتهم الناتجة عن الضغط المسجلة خلال الشتاء في مزرعة Szamárhát. تم تحليل ما مجموعه 14 مكالمة من أبقار الجاموس و13 من أبقار الرمادية باستخدام تقنيات تحليل الصوت المختلفة في MATLAB، بما في ذلك الملاءمة متعددة الحدود، وتحليل الطيف، وتحليل cepstrum القائم على مقياس الميل. تم استحضار الأصوات في ظل ظروف محكومة حيث تم فصل الأمهات عن صغارها، مما أدى إلى أصوات مرتبطة بالضغط. كشفت تحليلاتنا الإحصائية عن اختلافات كبيرة في النغمة والديناميات بين النوعين، حيث أظهرت الأبقار الرمادية نغمة متوسطة أعلى (6.579 log2(Hz) أو 95.6 Hz) مقارنة بالجاموس المائي (5.887 log2(Hz) أو 59.18 Hz)، ومعدل أكبر لتغير النغمة في الجاموس (0.820 أوكتاف/ثانية) مقارنة بالأبقار الرمادية (0.259 أوكتاف/ثانية).
علاوة على ذلك، أشارت معاملات تردد الميل المصممة (MFCCs) إلى اختلافات كبيرة في المعاملات الرابعة والثامنة بين النوعين، مما يشير إلى خصائص صوتية مميزة. وجدت الدراسة أنه بينما لم تكن هناك اختلافات كبيرة في الأصوات داخل الأنواع، كانت الاختلافات بين الأنواع متسقة وبارزة. تسهم هذه النتائج في فهم أصوات الأبقار وإمكاناتها في تطبيقات البيوأكوستيك الزراعية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث في المعلمات الصوتية لمختلف سلالات الأبقار لتعزيز رفاهية الحيوانات وممارسات الإدارة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fvets.2025.1549100
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40171411
Publication Date: 2025-03-18
Author(s): Ádám Lenner et al.
Primary Topic: Animal Behavior and Welfare Studies
Overview
The research paper investigates the acoustic characteristics of vocalizations in grey cattle and domestic buffalo, particularly in the context of stress induced by separation from their calves. Utilizing advanced audio and video recording techniques, the study reveals significant differences in vocalization dynamics between the two species, with buffalo exhibiting a voice that is three times more dynamic than that of grey cattle on a logarithmic Hertz scale. Additionally, variations in pitch over time were observed for both species, alongside notable differences in mel frequency cepstral coefficients tailored for animal vocalizations.
The conclusion emphasizes the need for further exploration of the acoustic parameters specific to various cattle breeds to enhance understanding of their vocalizations, particularly in relation to stress responses during weaning. The authors advocate for a more comprehensive analysis of the sound repertoire of cattle to facilitate advancements in agricultural practices and bioacoustic applications. The study highlights the challenges of conducting neurobiological research on a larger scale, suggesting that such investigations may be more feasible with a limited number of individuals in specialized settings.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the distinct domestication timelines of cattle and buffalo, with cattle being domesticated around 10,000 years ago and buffalo approximately 3,000-7,000 years ago. The water buffalo (Bubalus bubalis) plays a significant role in global meat and dairy production, with a population of 202 million as of 2020. Despite their importance, there has been limited analysis of their vocalizations, which are crucial for communication within herds. The paper discusses various factors influencing cattle vocalizations, including farming methods, age, dominance, and stressors such as castration and weaning. Vocalizations serve as indicators of emotional states and behavioral changes, with specific frequencies associated with different contexts, such as high-frequency calls during weaning.
The research emphasizes the need for innovative tools in precision livestock farming (PLF) to monitor animal welfare through vocalization analysis. It notes that vocal individuality remains consistent across different emotional contexts, and significant differences in vocalization frequencies have been observed between behaviors and between mature dairy cattle and heifers. The study employs mel frequency cepstral coefficients (MFCC) for sound analysis, demonstrating high accuracy in detecting estrus. The authors advocate for further research into vocalization analysis to enhance animal welfare assessments, particularly in situations where direct interaction with livestock is limited. The paper aims to analyze the vocalizations of grey cattle and water buffalo during weaning stress, seeking to identify differences between the two species and among individuals.
Methods
In this study, spectral-based methods were employed to analyze the formant structure of vocalizations in grey cattle and water buffaloes. Vowels, characterized by their quasi-periodic nature, were the focus due to their distinct formant frequencies, which are crucial for sound recognition. The researchers identified five formant frequencies for each species, compressing the formant structure into a series of 5-6 frequency and width value pairs, with frequency being the more significant component. The analysis revealed that the spectrum peaks at specific points corresponding to these formant frequencies, with the peaks overshadowing their surroundings, thus justifying the focus on peak analysis.
The findings, illustrated in Figure 6, present the parameters of the distributions (C1, B1) and the median formant frequencies for both species. The study highlights that only columns with the same index and no significant differences can be compared. While the method shows potential for individual identification, the limited sample size from each individual in this study restricts its applicability.
Results
In this section, the authors discuss the significance of cattle vocalizations as indicators of individual welfare and stress levels. They emphasize that understanding these vocalizations can enhance management practices and welfare assessments. Despite existing research on the acoustic properties of cattle sounds, there is a notable gap in studies analyzing vocalizations in the context of isolation. Such analyses could provide valuable data for monitoring systems aimed at assessing animal welfare.
The study highlights that the vocalizations of grey cattle and water buffalo exhibit similarities to human speech vowels, characterized as quasi-periodic signals that convey pitch. Unlike the shorter vowels in human speech, animal sounds are described as long-lasting and quasi-stationary, with slowly changing spectral properties. The authors note that while typical speech formant analysis identifies six shapes, only the first three are crucial for characterizing speech sounds. For their comparative analysis of the vocalizations of the two species, they determined that five formants would suffice, employing a mel scale-based cepstrum analysis for the buffaloes and grey beef cows.
Discussion
In this study, we investigated the vocalizations of water buffaloes and grey cattle, focusing on their stress-induced calls recorded during winter at Szamárhát farm. A total of 14 calls from water buffalo cows and 13 from grey cattle cows were analyzed using various sound analysis techniques in MATLAB, including polynomial fitting, spectrum analysis, and mel-scale cepstrum analysis. The vocalizations were elicited under controlled conditions where the dams were separated from their calves, resulting in stress-related vocalizations. Our statistical analysis revealed significant differences in pitch and dynamics between the two species, with grey cattle exhibiting a higher mean pitch (6.579 log2(Hz) or 95.6 Hz) compared to water buffaloes (5.887 log2(Hz) or 59.18 Hz), and a greater average rate of pitch change in buffaloes (0.820 octaves/sec) compared to grey cattle (0.259 octaves/sec).
Furthermore, the mel frequency cepstral coefficients (MFCCs) indicated significant differences in the fourth and eighth coefficients between the two species, suggesting distinct acoustic characteristics. The study found that while individual variability in vocalizations was not significant within species, the differences between species were consistent and pronounced. These findings contribute to the understanding of cattle vocalizations and their potential applications in agricultural bioacoustics, emphasizing the need for further research into the acoustic parameters of different cattle breeds to enhance animal welfare and management practices.