Unveiling links between salmon physiology and online monitored behaviour

SalmonInsight er et fireårig forskningsprosjekt finansiert av Norges forskningsråd og utført av SINTEF Ocean AS, NINA, NTNU Institutt for Teknisk Kybernetikk og Institutt for Biologi, Göteborgs Universitet og Sveriges Landbruksuniversitet. Hovedformålet med prosjektet var å finne ny kunnskap om hvordan fysiologi og stress i laks gjenspeiles i observerbare atferdsuttrykk som grunnlag for å utvikle løsninger for sanntidsovervåking av laks i merd under produksjon. Dødeligheten gjennom tilvekstfasen i oppdrett av Atlantisk laks er for høy. Det første trinnet i å forbedre denne situasjonen er å overvåke fysiologi og stress hos laks under krevende operasjoner (f.eks. trenging) og under normal produksjon. Utvikling av teknologier til dette krever kunnskap om hvordan fysiologi og stress hos laks gjenspeiles i data som kan overvåkes elektronisk med moderne sensorer. SalmonInsight hadde som mål å svare på disse spørsmålene gjennom en serie forsøk hvor fysiologi- og adferdsdata ble samlet samtidig med data som kan samles i sanntid i oppdrettsmerder ved hjelp av moderne sensorer. SalmonInsight-prosjektet inkluderte en ph.d.-kandidat som utviklet et nytt implantat for samtidig måling av akselerasjon, rotasjonsrater, kompassretning, magnetfelt, temperatur, elektrokardiogram (EKG) og fotopletysmogram (PPG). Dette muliggjør utregningen av en aktivitetsindikator, samt en mer robust metode for å estimere hjerterate basert på to uavhengige måleprinsipper. PPG-målingene har også blitt vist å kunne benyttes til estimering av oksygenmetningen i arterielt blod, noe som aldri har blitt gjort for fisk tidligere. Det første eksperimentet i prosjektet var et kontrollert laboratoriestudium der individlaks ble utstyrt med sensormerker som målte hjerterate og svømmeaktivitet. Fisken ble utsatt for kunstig stress ved at oppholdskarene ble tappet ned gjentatte ganger. Fysiologiske prøver ble samlet inn før merking, før og etter indusert stress, og i den påfølgende rekonvalesensperioden for å kunne relatere sensordata til fysiologisk tilstand. Resultatene viste at fiskens respons på stresshendelser medførte endringer i hjerterate og svømmeaktivitet som var konsistente med deres fysiologiske stressrespons målt gjennom blodprøver. Dette understreker at det finnes et potensial for å bruke fiskemerker til sanntidsovervåkning av stress hos oppdrettsfisk. I tillegg gav disse resultatene verdifull informasjon om rekonvalesens hos laks etter kirurgisk implantering av merker. Kunnskapen samlet i labforsøkene var sentral i planleggingen og gjennomføringen av de påfølgende forsøkene. Her ble det brukt et likt forsøksoppsett der merket fisk og umerkede kohabitanter ble observert før, under og etter trengeoperasjoner i mesoskala-merder. I tillegg til merkedata ble fysiologiske data samlet inn via blodprøver. Data viste en klar økning i fiskens svømmeaktivitet i respons mot trenging, noe blodparametere bekreftet å være en stressrespons, og som stemte godt overens med labforsøkene. Hjerterate var imidlertid vanskeligere å tolke i dette forsøket ettersom en ikke så de samme klare mønstre for denne parameteren i respons mot stress som i det foregående tankforsøket. I det siste forsøket ble laks implantert med datalagringsmerker og samtidig utstyrt med intravaskulært arterielt kateter som muliggjorde gjentatte blodprøver fra samme fisk, noe som tillater tettere sammenlikning mellom sensorverdier fra merkene og fysiologiske blodparametere. Fisken ble plassert i en svømmetunnel og utsatt for forskjellige hastigheter. Data for hjerterate, akselerasjon og blodfysiologi ble så sammenliknet med parametere samlet inn via videoanalyse, bl.a. munnåpningsfrekvens og gjellefrekvens, samt fiskens oksygenforbruk målt med sensorer i tunellen. Resultatene viser at data fra slike biologgere kan brukes til å ekstrapolere flere stressrelaterte hendelser når disse inkluderer økt aktivitet, noe som understreker potensialet ved å bruke biosensorer for overvåkning av fiskevelferd. Oppsummert har prosjektet bidratt vesentlig til feltet for biosensorikk og implantater for fisk gjennom utviklingen av et nytt implantat, kunnskapsoverføring mellom institutter, installasjon av tilpasset infrastruktur og tilrettelegging av oppfølgingsprosjekter. Med tanke på formidling har prosjektet resultert i 10 publiserte artikler, ytterligere 3 under fagfellevurdering og enda 3 under utarbeidelse for innsending i løpet av de kommende ukene. I tillegg er resultater presentert på flere nasjonale og internasjonale konferanser og er kommunisert i populærvitenskapelige tidsskrifter.

The most tangible outcome of the SalmonInsight project is the novel biosensing implant developed by the PhD candidate. The implant has the ability to measure a photoplethysmogram (PPG), allowing the assessment of arterial blood oxygenation and enabling a more robust heart rate measurement. This is especially relevant as the project outcomes showed that current heart rate measurements can be difficult to use as stress indicators. By supplementing PPG data collection in combination with measurements of acceleration, rotation rates, compass direction, magnetic field strength, temperature, and electrocardiogram (ECG) this novel tool may help to bridge the knowledge gap between measured behavioural and physiological parameters and stress. This offers new opportunities for research on the topic of stress, fish welfare, and fish physiology. As such it may support increased sustainability in aquaculture. For the collaborators, the project activities have held many advantages such as the transfer of knowledge between institutes as well as generations, ensuring sustained competence and recruitment into the research community. Moreover, the project created the opportunity to collaborate with institutes/universities in and outside of Norway, establishing good contacts between leading research specialists on the topic. The project has caused interest in the biosensing community through numerous publications and presentations at relevant conferences, leading to visits to relevant research groups outside the project group. Finally, the project facilitated the expansion of existing infrastructure for husbandry and experimentation of fish as well as the installation of new equipment (e.g., fish raceway including its own RAS system) which will accommodate future experiments in the field and increase the competitive advantage of the project partners. The far-reaching impacts of the project include the opportunity for follow-up projects, with some that have already been realised during the project period, building on the acquired competence. This competence further creates the foundation for future collaborations outside the project group. The novel biosensing implant is a tool that will not only be relevant in a basic research context but can facilitate testing of novel aquaculture technology while satisfying the recent regulatory requirements for such testing. As such it may be an important tool for the industry on their quest for future aquaculture technology. The combination of the large number of relevant sensors will eventually make the implant a good candidate for use on sentinel fish, i.e., individuals equipped with a biosensing implant to inform on the conditions experiences by the fish group as a whole. Moreover, the multi-sensory equipment will also make the implant attractive for use in species other Atlantic salmon, opening up for use in a wide range of fresh- and saltwater species.

Although Norwegian salmon aquaculture is a successful and economically efficient industry, cumulative mortality during the grow-out phase has been estimated to about 19%. This indicates a strong need to improve farming processes, and has stimulated a demand for new technologies that can help farmers to better understand and monitor fish health and welfare. In SalmonInsight we will use sensors and acoustic telemetry under laboratory conditions to identify how the physiological and stress dynamics of salmon are linked with behavioural expressions possible to monitor in the field. This knowledge will ultimately be used to design algorithms for acoustic telemetry tags carrying e.g. accelerometers such that they will be sensitive to parameters reflecting variations in fish physiology and stress. The work will feature two laboratory studies aimed at unveiling the relationships between physiological and behavioural expressions in detail. The first laboratory study will feature a simulated crowding operation, where the fish are equipped with sensors of the same type as those used in telemetry tags. Physiological blood parameters will then be manually sampled, while behavioural data will be obtained using visual observation and established computer vision methods. The second laboratory study will be conducted in a swim tunnel using respirometry and cannulation methods in addition to the methods used in the crowding experiments. These studies will uncover links between physiological dynamics, behavioural expressions and sensor data in more detail. We will then develop novel algorithms for acoustic telemetry solutions based on state-of-the-art sensors aimed at detecting the behavioural aspects identified to be most strongly linked with the physiological dynamics of the fish. This will verify the industrial applicability of the method, and produce new knowledge for sustainable and safe farming procedures.