Studio dell'interazione emotiva tra cavallo ed essere umano

UNIVERSITÀ DI PISA

DIPARTIMENTO DI SCIENZE VETERINARIE

CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI

Studio dell’interazione emotiva tra cavallo ed essere umano

Relatore Candidato

Prof.ssa Sgorbini Micaela Alletto Alessia

Correlatore

Dott. Baragli Paolo

INDICE

RIASSUNTO ... 1

PARTE GENERALE ... 2

1. INTRODUZIONE ... 3

1.1 Definizioni... 3

1.2 Evoluzione dell’interazione uomo-animale ... 3

1.3 Percezione dell’ambiente e dell’interazione negli animali ... 4

1.4 Riconoscimento delle emozioni negli animali ... 5

1.5 Stima delle emozioni negli animali ... 7

1.5.1 Valutazione del comportamento ... 8

1.5.2 Valutazione dei parametri fisiologici ... 10

1.5.3 Valutazione dei bias cognitivi ... 11

1.6 Capacità di percezione e comunicazione delle emozioni negli animali ... 13

1.7 Approfondimenti sull’interazione interspecifica uomo-cavallo ... 16

1.7.1 Capacità cognitive nei cavalli ... 16

1.7.2 Dall’interazione alla relazione uomo-cavallo ... 18

1.8 Possibili implicazioni pratiche ... 19

PARTE SPERIMENTALE ... 21

2. SCOPO DELLO STUDIO DI TESI ... 22

3. MATERIALI E METODI ... 22

3.1 Sede di svolgimento e approvazione OBA ... 22

3.2 Animali e criteri di inclusione ... 22

3.3 Materiali ... 24 3.3.1 Elettrodi tessili ... 24 3.3.2 Telecamera ... 25 3.3.3 Robot ... 25 3.4 Metodi ... 26 3.4.1 Abituazione... 26

3.4.2. Protocollo dei test ... 27

3.4.3 Metodica di analisi dei tracciati – parametro fisiologico ... 29

3.4.4 Metodica di analisi dei video – parametri comportamentali ... 30

3.4.5 Analisi statistica ... 32

4. RISULTATI ... 32

DISCUSSIONE... 36

CONCLUSIONI ... 39

RIASSUNTO

Il riconoscimento delle emozioni rappresenta la capacità dell’individuo di codificare stimoli sensoriali che forniscono informazioni sullo stato emotivo di un altro individuo. Questa capacità non è esclusiva degli umani. Anche alcuni animali domestici sembrano averla, sia nei confronti dei conspecifici sia nell’ambito della comunicazione interspecifica. I cavalli sono animali che, da millenni, sono a stretto contatto con l’uomo. È dunque importante capire la loro capacità di percezione degli stimoli che proprio dall'uomo gli derivano. Pertanto, nel presente studio, è stato testato se i cavalli sono in grado di discriminare tra diverse espressioni facciali (felice, arrabbiata, triste) riprodotte dal robot umanoide FACE e se la visione di queste espressioni suscita risposte fisiologiche e comportamentali rilevanti. I comportamenti di attenzione ed esplorazione dei cavalli nei confronti del robot non si sono dimostrati statisticamente differenti in relazione alle diverse espressioni. Inoltre, la variabilità cardiaca, indice non invasivo del bilancio simpato-vagale, in linea con i parametri comportamentali, non ha evidenziato cambiamenti al variare dell’espressione somministrata. I risultati suggeriscono quindi che i cavalli coinvolti nello studio si trovassero in una situazione di equilibrio tra manifestazioni comportamentali e stato emotivo interno e che la visione delle diverse espressioni facciali non inducesse un discostamento da tale equilibrio. Questo studio, basato su dati e analisi preliminari, apre la via ad ulteriori ricerche nel campo della comunicazione interspecifica uomo-cavallo. Comprendere la capacità della specie equina di percepire lo stato emotivo umano porta al miglioramento dell'interazione con l’animale, della sua gestione routinaria e ad una possibile riduzione degli incidenti nel campo dell'equitazione.

Parole chiave: emozione, cavallo, espressione facciale, FACE, Variabilità Cardiaca, comunicazione interspecifica

ABSTRACT

The recognition of emotions represents the individual's ability to encode sensory stimuli that provide information about the emotional state of another individual. This ability is not unique to humans. Some domestic animals seem to recognize emotional states, during both intra- and interspecific communication. Horses are animals that have been in close contact with humans for millennia. Therefore, it is important to understand their ability to perceive interspecific human-made stimuli. In the present study, it was tested whether horses are able to discriminate between different facial expressions (happy, angry, sad) reproduced by the humanoid robot FACE and whether viewing these expressions elicits relevant physiological and behavioral responses. Horses’ Attention and Exploration behaviors towards FACE were not statistically different in relation to the different expressions. In addition, Heart Rate Variability (HRV), a non-invasive index of the sympathetic-vagal balance, showed no change when changing the administered expression. Results suggest that the horses involved in the study were in a situation of balance between behavioral manifestations and internal emotional state. The vision of the different facial expressions did not induce a deviation from this balance. The present study reports preliminary data and analysis, which open the way for further research in the field of interspecific human-horse communication. Understanding the ability of equine species to perceive human emotional state might improve the quality of the interaction with this animal, its routine management and leading to a possible reduction of accidents occurring in equestrian world.

1. INTRODUZIONE

1.1 Definizioni

Nel linguaggio delle scienze sociali, l’interazione è la reciproca influenza tra individui o gruppi, tramite processi di comunicazione verbale, gestuale, e via dicendo [1]. In particolare, nel rapporto uomo-animale, l’interazione implica “il verificarsi di un incontro diadico, in cui i due soggetti sono riconoscibili e familiari tra loro” [2]. Questo concetto richiama la definizione [3] di “relazione”, intesa come il legame emergente da una serie di interazioni: i soggetti hanno aspettative sulla futura interazione, sulla base dei risvolti della precedente.

1.2 Evoluzione dell’interazione uomo-animale

La storia evolutiva dell’uomo e degli animali domestici, è stata segnata da interazioni dettate da motivazioni comuni e condivise. Relazionandosi con il cane e con il gatto, predatori, l’uomo ha trovato dei validi alleati nella caccia, con vantaggi reciproci. Anche il rapporto con il cavallo si è istaurato, inizialmente, su base utilitaristica: l’uomo lo ha utilizzato prima come fonte di sostentamento e, in seguito, come coadiuvante nel lavoro [4]. Successivamente, tuttavia, il cavallo ha acquisito un ruolo misto, divenendo progressivamente un importante ''mezzo'' di trasporto e, di recente, un animale da compagnia, fino all’impiego in programmi di equitazione terapeutica [3]. I cavalli domestici costituiscono quindi un modello unico, intermedio tra animali da reddito e da compagnia [5].

L’evoluzione del rapporto uomo-animale viene riassunta dall’affermazione di Claude Lévi-Strauss: “L'animale non è buono soltanto da mangiare, ma anche da pensare”. L'uomo ha da sempre osservato l'animale per costruire la propria cultura e per capire sé stesso. Questo ideale nasce dalla consapevolezza che la stessa cultura non è chiusura dell'

uomo su di sé e sulla propria specie, ma apertura verso altre alterità, che vedono, vivono, conoscono ed operano nel mondo in maniera diversa [6].

In accordo con quanto teorizzato da Bowlby - “il legame uomo-animale è una relazione reciprocamente vantaggiosa e dinamica tra persone e animali, influenzata da comportamenti essenziali per la salute e il benessere di entrambi” [7] - così numerosi studi [2, 3] hanno individuato tre fattori principali per lo sviluppo di un’efficace legame uomo-animale:

 La natura, la qualità e la frequenza del contatto;

 Il periodo di tempo in cui si verifica la manipolazione;

 L’ambiente sociale in cui si verifica la manipolazione;

Le interazioni quotidiane uomo-animale, che sfociano in un rapporto più o meno equilibrato, sono molto varie e includono sia quelle positive (ad es. alimentazione) che quelle negative (ad es. ispezioni e trattamenti veterinari).

1.3 Percezione dell’ambiente e dell’interazione negli animali

Come per l'uomo, anche negli animali le esperienze soggettive si accompagnano a cambiamenti neurali, comportamentali e fisiologici (espressioni facciali, attivazione di processi neurali, variazione della frequenza cardiaca) che possono essere misurati oggettivamente.

In questa prospettiva, a seconda della valenza dell'incontro percepita (positiva/negativa), il rapporto uomo-animale può spaziare dalla rassicurazione alla paura, coinvolgendo l'attivazione di processi cerebrali che rafforzano le emozioni positive o negative [2]. L’elemento centrale dell’apprendimento sta nell’evitare le situazioni percepite come negative e, al contrario, cercare o accettare quelle positive. Ciò significa, necessariamente, che la natura della prima interazione determina le aspettative per gli incontri successivi [8]. In base al tipo di esperienza che l’animale vive, ogni tipo di informazione verrà immagazzinata nella memoria e che sarà richiamata ogni qual volta che la medesima situazione si ripresenta. Ogni successivo incontro diventa automaticamente influenzato dal precedente.

Se un’esperienza positiva si verifica una prima volta e si ripresenta verrà a crearsi una sorta di “amplificatore” di questa esperienza, che permette di raggiungere un certo livello di benessere. Perciò, se le interazioni precedenti sono positive, il comportamento dell’animale sarà tranquillo e si avranno prevalentemente relazioni di tipo affiliativo. Se le interazioni precedenti sono negative, l’animale cercherà di evitare quelle situazioni, con comportamenti di evitamento [9].

Nonostante negli ultimi anni sia aumentato l’interesse per la sensibilità animale non vi è ancora un accordo su come valutare le esperienze positive. Pertanto, rimane una questione centrale riuscire ad individuare e comprendere se e quando queste esperienze si verificano. Il benessere non è semplicemente l'assenza di esperienze negative, ma anche, prevalentemente la presenza di situazioni positive. Ciò significa che è importante favorire condizioni e situazioni positive oltre ai soli comportamenti che soddisfino bisogni ai fini di evitare la sofferenza.

Pertanto, una nuova sfida per la scienza del benessere animale è comprendere meglio il legame tra la capacità di esprimere emozioni positive e uno stato affettivo positivo persistente. Tuttavia, l'etologia applicata si occupa di una vasta gamma di specie animali, con diversi repertori emotivi e diversi modelli comportamentali. Un'ulteriore sfida sta quindi nel descrivere la gamma di possibili emozioni positive in ciascuna delle specie di animali d’interesse [10].

1.4 Riconoscimento delle emozioni negli animali

Gli ultimi due decenni hanno visto un enorme aumento dell’interesse scientifico riguardo le emozioni animali in relazione al processo cognitivo. L’elaborazione cognitiva è necessaria per suscitare risposte emotive. Allo stesso tempo, le risposte emotive modulano e guidano la cognizione per consentire risposte adattative all’ambiente. [11] Gli studi dei processi cognitivi in ambito animale si sono avvalsi di “modelli animali”, ai fini di ricercare parallelismi tra cognizione umana e animale e di comprendere i processi cognitivi come risposta ai vincoli etologici ed ecologici in correlazione all'evoluzione. Queste indagini sulla cognizione animale mirano a comprendere il modo in cui gli animali percepiscono,

elaborano, acquisiscono, immagazzinano e agiscono in base alle informazioni provenienti dal loro ambiente.

Esiste un'abbondante letteratura, in biologia ed in psicologia, sul concetto di emozione, ma non esiste una definizione generale. Un'emozione, dal latino «ex movere», «uscire» dallo stato normale, può essere definita come una “risposta affettiva di breve durata, piacevole o dolorosa, suscitata da cambiamenti improvvisi interni o esterni, associati a specifici cambiamenti del corpo e che forniscono agli animali la capacità di evitare la punizione o di cercare risorse preziose” [5].

La durata di un'emozione è una questione molto dibattuta, ma la brevità sembra una caratteristica ampiamente accettata [10].

L'emozione nasce in base al modo in cui l'individuo valuta e percepisce l'evento piuttosto che all'evento stesso. In quanto tali, le esperienze emotive possono differire tra gli individui in base alle loro caratteristiche intrinseche come razza, sesso, età, temperamento, ma anche alla propria esperienza. L'emotività, chiamata anche reattività emotiva, è la propensione degli individui a reagire a situazioni difficili con reazioni comportamentali intense (es. scuotimento del corpo, vocalizzi ecc…) associate ad altrettanto intense risposte fisiologiche (es. aumento della frequenza cardiaca).

Emozioni negative come paura, rabbia o frustrazione possono essere indotte da una minaccia, un'aggressione [12], la perdita di un partner sociale [13] o la difficoltà di raggiungere una risorsa preziosa [14], indipendentemente dal fatto che gli eventi siano effettivi o attesi, e spingono gli animali a evitare o risolvere tali situazioni.

In alternativa, le emozioni positive possono essere indotte dalla rimozione di una minaccia o aggressione, dal ricongiungimento con le parti sociali o dalla ricezione di oggetti preferiti [15], indipendentemente dal fatto che gli eventi siano reali o attesi, e spingono gli animali a cercare risorse preziose o situazioni positive [5].

Nonostante il forte interesse verso lo studio delle emozioni, quest’ultimo si è maggiormente incentrato sulla comprensione delle emozioni negative rispetto alle loro controparti positive. Ciò è valido sia per gli animali che per l’uomo.

La ragione principale di questo pregiudizio è che le espressioni di esperienze negative sono, solitamente, molto più intense delle manifestazioni positive e quindi più facili da studiare. Le esperienze positive sono comunemente considerate meno significative, poiché più labili e la loro espressione più sottile. Tuttavia negli ultimi anni sono stati fatti sempre

più studi riguardo l’esplorazione delle emozioni positive, poiché sono una componente fondamentale di un buon benessere animale [10].

Donald Hebb ha scritto che “l’uomo è il più emotivo di tutti gli animali”, sostenendo che il grado di emotività aumenta tra le specie con lo sviluppo di sistemi nervosi più sofisticati [11]. In questa prospettiva, lo studio dei sistemi emotivi degli animali può aiutare a comprendere scientificamente i fondamenti della mente umana, in quanto i circuiti emotivi di base del cervello dei mammiferi mostrano coerenza lungo la scala evolutiva [5].

Non c'è modo di sapere se gli animali provano emozioni simili a quelle umane. Tuttavia, il comportamento, la struttura e la chimica del cervello sono simili tra esseri umani e un gran numero di specie animali [10].

1.5 Stima delle emozioni negli animali

Paul Ekman, nel 1992, fu uno dei primi scienziati ad occuparsi dello studio e della classificazione delle emozioni con la “teoria delle emozioni”. Ekman proponeva un sistema di classificazione in categorie, dove le emozioni sono classificate come entità discrete, indipendenti le une dalle altre e facilmente distinguibili. Questo sistema tassonomico presenta però dei limiti [16], lasciando alcuni stati emotivi, inclusi quelli positivi [10], poco studiati. Manca un quadro generale, o "struttura dell'emozione", che possa spiegare l'ampia gamma di possibili stati emotivi e fornire previsioni a priori, applicabili a tutte le specie, su come questi stati si manifestino e su come possano essere misurati. Tale quadro potrebbe però essere offerto da teorie " dimensionali", che sono diventate sempre più importanti nello studio delle emozioni umane [17]. Il “modello circonflesso delle emozioni”, emerso in questi ultimi anni, sostiene come gli stati effettivi siano riconducibili a due principali sistemi neurofisiologici: uno spiega la valenza dell’emozione (lungo un continuum di piacevolezza-sgradevolezza) sull’asse orizzontale ed un altro si riferisce al livello di “arousal” o attivazione fisiologica corrispondente, situato sull’asse verticale (Fig. 1). Secondo questa teoria, ogni emozione può essere spiegata come la combinazione lineare tra le due dimensioni, variando per valenza (positiva/negativa) e intensità di attivazione (alta/bassa).

Fig. 1. Rappresentazione grafica del modello circonflesso delle emozioni (Basile, 2012).

La comunità scientifica ha riconosciuto, sempre più, che la valutazione del benessere degli animali richiede una migliore comprensione dei loro stati affettivi. Questi includono non solo emozioni “acute”, ma anche stati d'animo di lunga durata, che risultano dall'integrazione di esperienze emotive a breve termine. Poiché non è possibile ottenere informazioni dirette sull'elemento soggettivo degli stati affettivi degli animali, a causa dell'assenza di comunicazione verbale, è necessario considerare metodi alternativi. I metodi più comuni includono la valutazione del comportamento (ad esempio, la locomozione, le vocalizzazioni, ecc…), dello stato fisiologico (ad esempio, la frequenza cardiaca, il livello di cortisolo, ecc…) e dei dati cognitivi, come nuovo strumento per valutare lo stato di benessere degli animali in diversi sistemi di gestione [18].

1.5.1 Valutazione del comportamento

Nelle diverse specie animali sono state descritte differenze comportamentali in test standardizzati, come il test di esposizione ad un nuovo oggetto (NOT), il test in campo aperto (NAT), il test di avvicinamento forzato (FAT) ed il test del confinamento (RT). Le diverse espressioni comportamentali riflettono le diverse strategie di adattamento degli individui a situazioni di stress, ma la maggior parte dei paradigmi standard che indagano

le differenze comportamentali individuali sono inquadrati sullo studio della paura [19]. La paura, definita come “una reazione alla percezione del pericolo reale”, è probabilmente l’emozione più studiata negli animali domestici. Le reazioni legate a questa emozione sono caratterizzate da risposte fisiologiche e comportamentali che preparano l'animale ad affrontare il pericolo. La causa che suscita la paura di un evento è legata alle caratteristiche generali dell'evento, come novità e caratteristiche fisiche della sua presentazione (movimento, intensità, durata, repentinità o prossimità), a stimoli specifici, come l'altezza e l'oscurità, in relazione alla storia evolutiva della specie (paure ancestrali o paure innate), ad una precedente esperienza negativa (paura condizionata) o a una varietà di stimoli sociali, come odori o chiamate di allarme.

Facendo riferimento alle reazioni comportamentali durante lo svolgimento dei tipi più comuni di test della paura, è possibile riscontrare:

 “Novel Arena Test” (NAT): vengono riscontrate attività locomotoria, comportamento eliminatorio, movimenti della coda e vocalizzazioni;

 “Novel Object Test” (NOT): l’interesse verso il nuovo stimolo viene stimato attraverso la latenza al contatto, la distanza dal nuovo oggetto, la frequenza o la durata del contatto, l'esplorazione, la postura del corpo;

 “Forced Approach Test” (FAT): vengono riscontrate reattività motoria, vocalizzazioni ed espressioni facciali;

 “Restrain Test” (RT): vengono riscontrate reattività motoria, vocalizzazioni ed espressioni facciali.

Tuttavia, anche nel caso di un’emozione tanto studiata come la paura, molti dei test comunemente usati per valutarla non sono ben convalidati. Questa problematica risulta accentuata in alcune specie (cavallo e bovino) rispetto ad altre (suino, pecora, pollame), ma è, in generale, largamente diffusa.

A ciò si aggiunge che, spesso, i design sperimentali progettati per studiare la paura negli animali da reddito sono stati originariamente sviluppati per specie da laboratorio. Pertanto, testare animali in ambienti diversi da quello laboratoristico può portare ad un’alterazione dei risultati dei test stessi [20].

1.5.2 Valutazione dei parametri fisiologici

L'attività di monitoraggio del sistema nervoso autonomo (ANS) tramite la frequenza cardiaca (FC) e la variabilità cardiaca (HRV) può fornire, come suggerito da studi condotti sull'uomo, un approccio adeguato per valutare le emozioni positive negli animali.

La misurazione della frequenza cardiaca è ampiamente accettata come indice di stress in molte specie di vertebrati, in quanto riflette l'attività del ramo simpatico dell'ANS. Tuttavia, il cuore è anche sotto controllo parasimpatico [10], e la FC, in qualsiasi momento negli individui sani, rappresenta la bilancia tra regolazione vagale (che riduce la FC) e simpatica (che aumenta la FC). Gli effetti separati dei due rami del sistema nervoso autonomo non possono però essere determinati per semplice addizione o sottrazione delle relative componenti.

È quindi difficile valutare le caratteristiche funzionali dell'ANS con la sola misurazione dell'HR [21]. Da qui il concetto di variabilità della frequenza cardiaca (HRV) o variabilità cardiaca.

L'HRV è un parametro determinato da un aumento / diminuzione del tono simpatico o da un aumento / diminuzione del tono parasimpatico. Quindi, l'analisi dell'HRV aiuta a identificare quale ramo dell'ANS sta maggiormente influenzando la frequenza cardiaca in un dato momento e a valutare l'equilibrio simpatico-vagale di un organismo [10].

Esistono diversi strumenti a cui si può ricorrere per misurare la variabilità cardiaca. In cardiologia, il metodo più̀ diffuso per il controllo di tale parametro e_̀ l’elettrocardiogramma, che registra l'attività elettrica del cuore e l'andamento dei battiti cardiaci per mezzo di elettrodi posti sulla superficie corporea [22].

L'HRV è un indicatore particolarmente valido per la valutazione non invasiva e oggettiva dell'attività dell’ANS in risposta allo stress. Infatti, viene considerata un indicatore di stress e stato di benessere nei suini, utilizzata per misurare lo stress di origine fisica, patologica ed emotiva in bovini, ovini e caprini. Viene impiegata per valutare le condizioni cliniche, il temperamento, l'addestramento e il dolore nei cavalli ed infine utilizzata per indagare lo stato di benessere, inclusi gli stati emotivi e le malattie metaboliche, negli avicoli. Gli studi suggeriscono che la variabilità cardiaca abbia quindi il potenziale per contribuire molto alla comprensione e valutazione dei processi neurofisiologici sottostanti le risposte allo stress e i diversi stati di benessere negli animali da allevamento [21].

Anche i dispositivi per la registrazione dell’elettroencefalogramma (EEG) risultano strumenti promettenti per valutare i processi cognitivi durante diverse attività, sia negli esseri umani che negli animali. Un recente studio, condotto sul legame tra cavallo ed essere umano, è riuscito ad evidenziare come determinate aree del cervello tendano a “sincronizzarsi” mano a mano che aumenta l’interazione tra i due soggetti [23].

In linea con questi risultati, anche nella ricerca condotta da Balconi e Vanutelli [24] su soggetti umani è stato considerato l'impatto dell'interazione inter-specie sulla sfera emotiva. Nello studio, l'attività cerebrale, considerata nelle sue componenti emodinamiche tramite la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS) e nelle sue componenti elettrofisiologiche tramite il potenziale evento-correlato (ERP), è stata monitorata quando i soggetti osservano o osservavano e ascoltavano situazioni che rappresentavano interazioni tra specie (uomo-animale), con un contenuto emotivo positivo, negativo e neutro. Sia l’ERP che la fNIRS hanno mostrato effetti significativi dovuti a questi stimoli [24].

Pertanto, combinare l’HRV con altre misure [5] potrebbe essere una base interessante per la valutazione del benessere in diverse specie animali e, in particolare, nei cavalli.

1.5.3 Valutazione dei bias cognitivi

La capacità umana di percepire e comprendere le emozioni e le intenzioni degli altri è un meccanismo fondamentale nella formazione di legami sociali significativi. Tale capacità ha valore sia nell’interazione uomo-uomo che uomo-animale, dato che, nella quotidianità, i contesti sociali sono condivisi anche con gli animali [25]. Un aspetto da considerare in ogni tipo di relazione, intra o interspecifica che sia, è lo stato affettivo del soggetto. Studi condotti sull'uomo dimostrano che lo stato affettivo di fondo può influenzare una serie di processi cognitivi (attenzione, memoria e giudizio) inducendo pregiudizi nell'elaborazione delle informazioni. Ad esempio, persone ansiose orientano la loro attenzione verso stimoli minacciosi e interpretano le informazioni ambigue in modo più negativo di quanto non facciano le persone in uno stato affettivo positivo. Questo fenomeno è conosciuto come “bias cognitivo” o "pregiudizio cognitivo". Nuovi campi di ricerca studiano la possibilità che tali "pregiudizi cognitivi" si verifichino anche negli animali. I pregiudizi cognitivi sono centrali per la funzione evolutiva degli stati d'animo, ed è quindi ragionevole aspettarsi che

siano presenti in tutte le specie [18]. Sulla base di studi condotti sull'uomo, diversi autori hanno suggerito che gli stati affettivi degli animali potrebbero essere stimati attraverso l'uso di test di bias cognitivo e in particolare test di bias di giudizio. In questo nuovo paradigma, gli animali vengono addestrati a riconoscere segnali che predicono un evento positivo e segnali che ne predicono uno meno positivo / negativo. Dopodiché gli vengono presentati segnali ambigui (intermedi). L'ipotesi è che gli animali in uno stato affettivo negativo abbiano maggiori probabilità di rispondere ("giudicare") a questi stimoli ambigui come se fossero negativi (una risposta "pessimistica"), rispetto ad animali in uno stato affettivo più positivo [26]. Tuttavia, ci sono alcuni svantaggi in questo tipo di approccio. Individui diversi possono infatti percepire e valutare la stessa situazione in modo diverso. Ciò ridurrà la probabilità che vengano rilevate risposte comportamentali e fisiologiche corrispondenti in soggetti diversi. Una potenziale soluzione a questo problema è sviluppare ipotesi a priori, basate sulle “teorie dimensionali”.

Fig. 2. Affetti centrali rappresentati in uno spazio bidimensionale (M. Mendl et al. 2010).

Come si può osservare in figura (Fig. 2), se un animale si trova in un ambiente in cui sperimenta frequentemente esperienze negative, e quindi il suo stato emotivo è collocabile nel quadrante Q4, può sviluppare uno stato d'animo negativo, ad alta intensità e a lungo termine, che rispecchia un’esperienza cumulativa. Se riesce a evitare queste esperienze, o

si trova in un ambiente generalmente sicuro, può al contrario manifestare uno stato d'animo positivo, a bassa intensità e a lungo termine, nel quadrante Q2. Ancora, se si trova in un ambiente prospero e ha successo nell'acquisizione di ricompense è probabile che mostri uno stato d'animo centrato sul quadrante Q1. Questi stati emotivi giocano un ruolo importante nel guidare le decisioni degli animali quando valutano nuove situazioni o stimoli, specialmente se c'è un certo grado di ambiguità nelle conseguenze, potenzialmente gratificanti o punitive [17].

Lo stato d'animo può quindi influenzare i processi cognitivi e facilitare un comportamento decisionale appropriato. Recenti studi su varie specie animali, tra cui ratti [27], ovini [28], storni [28] e cani [30], hanno trovato prove a sostegno di queste ipotesi, indicando come le teorie dimensionali possano rappresentare un approccio per valutare lo stato emotivo negli animali promettente.

Pertanto, se siamo in grado di identificare accuratamente gli stimoli gratificanti e punitivi rilevanti per la specie, possiamo misurare le risposte comportamentali e fisiologiche alla loro presentazione o rimozione ed identificare le risposte coerenti come buoni indicatori dello stato affettivo corrispondente [17].

1.6 Capacità di percezione e comunicazione delle emozioni negli animali

La percezione dell'espressione emotiva da parte di un soggetto può potenzialmente indurre, nello stesso, la medesima emozione del produttore del segnale. Questo fenomeno è chiamato "stato di corrispondenza" o "contagio emotivo". Ad esempio, un segnale inviato da un soggetto che indica uno stato di forte eccitazione potrebbe aumentare l'eccitazione emotiva dei riceventi. Se questo segnale fosse positivo, potrebbe innescare un cambiamento nella valenza emotiva da negativo o neutro a positivo (e viceversa per segnali negativi) nei riceventi (cioè contagio di valenza emotiva). Questa “trasmissione di emozioni” da un individuo a un altro è diffusa nel regno animale, è rafforzata dalla vicinanza sociale, familiarità e somiglianza tra i partner, migliora il trasferimento di informazioni attraverso la condivisione dello stato tra gli individui e si traduce in un maggiore coordinamento tra i membri del gruppo e in più forti legami interindividuali. Le

emozioni possono essere trasmesse attraverso un’ampia gamma di segnali: visivi, olfattivi e acustici, o una combinazione di questi [31].

Riguardo la trasmissione emotiva tramite il canale visivo, sicuramente uno dei campi più fertili di ricerca inter-disciplinare è rappresentato dallo studio delle espressioni facciali e posture del corpo e di come queste vengono replicate attraverso quel processo definito “mimica involontaria”. Una buona parte dell’abilità di percepire le emozioni altrui è legata a fenomeni di risonanza motoria, cioè alla replicazione automatica di quelle espressioni facciali o movimenti corporei che rendono quelle stesse emozioni manifeste. Tale meccanismo, definito anche percezione-azione, permette ai soggetti di entrare non solo in risonanza motoria (replica involontaria di alcuni movimenti e pattern facciali), ma anche in risonanza emotiva, fenomeno noto come “same-face/same-emotion” [32].

È stato scoperto che vari animali discriminano un essere umano dall'altro [33]. Per esempio, cani di prateria [34], ratti [35], scimpanzé [36], babbuini [37], macachi [38] e altri primati [39], così come, leoni di mare [40], pappagallini [41], e piccioni [42] hanno dimostrato di mostrare risposte differenziate verso singoli esseri umani.

Negli animali da allevamento, bovini [43], suini [44], vitelli da latte [45], pecore [46], lama [47] e vacche da latte [48] rispondono in modo diverso alle persone familiari e non familiari. Ad esempio, Tanida et al. [49] hanno dimostrato che i suini si avvicinavano a una persona familiare prima di una persona non familiare. Inoltre, animali da compagnia come gatti [50] e cani [51], hanno anche dimostrato di rispondere più favorevolmente alle persone familiari.

Nonostante il numero crescente di studi che esaminano la capacità di riconoscimento facciale in vari animali da reddito, sono pochissimi quelli condotti sui cavalli. In uno studio di Wathan e colleghi [52] a soggetti equini venivano presentate fotografie che rappresentavano espressioni facciali di loro conspecifici, catturate in diversi contesti, e venivano registrate le loro reazioni. I risultati mostrano che la percezione delle espressioni positive avevano suscitato comportamenti a valenza positiva e diminuzione della frequenza cardiaca (basso livello di eccitazione) nei soggetti testati; d'altra parte, le espressioni negative avevano innescato comportamenti di evitamento (valenza negativa) e aumento della frequenza cardiaca (alto livello di eccitazione). Lo stesso studio è stato poi replicato per verificare la capacità dei cavalli di riconoscere o essere influenzati da espressioni facciali umane positive (felici) o negative (arrabbiate), dimostrando per la prima volta

come le espressioni facciali eterospecifiche possano influenzare la frequenza cardiaca di una specie animale [53].

Altri studi hanno verificato se gli animali riconoscessero le emozioni tramite segnali chimici trasmessi dall’uomo, attraverso l’olfatto. Una prima ricerca condotta da un gruppo di ricercatori dell’Università di Napoli ha dimostrato che i cani erano in grado di sentire la paura o la felicità annusando una persona. Osservando le reazioni dei cani, gli studiosi hanno rilevato che erano in grado di sentire l’odore della paura e della felicità dei padroni. Quando i padroni avevano paura, i cani si avvicinavano a loro, mentre se fossero stati felici, i cani si sarebbe mostrato più espansivi.

Un esperimento simile è stato riprodotto sui cavalli, per verificare se fossero in grado di “annusare” la paura o la gioia nel sudore delle persone. Agli animali venivano fatti annusare i tamponi con il sudore di alcune persone, sottoposte a stimoli paurosi, durante la visione di un film dell’orrore, e altri indumenti impregnati con un odore di gioia, sprigionato dai volontari sottoposti alla visione di un film che portava a gradevoli stati d’animo. Durante il test, veniva monitorata l’attività cardiaca dei cavalli e sono state rilevate delle differenze nelle risposte fisiologiche. L’attività del sistema nervoso autonomo, che influenza il battito cardiaco ed il respiro, cambiava a secondo dell’odore sottoposto ai cavalli. Tuttavia, non è stato possibile stabilire se l’odore della paura generi nel cavallo paura o se l’odore delle felicità provochi emozioni positive. Inoltre, i cavalli potrebbero essere in grado di “annusare” altri stati d’animo [54].

Infine, anche le vocalizzazioni costituiscono un mezzo rapido per trasmettere informazioni ai conspecifici e sono, di conseguenza, un canale importante per il contagio emotivo. Diversi studi evidenziano come gli animali producano diversi tipi di vocalizzazioni, con valenze diverse, a seconda del contesto positivo o negativo. In particolare, i cavalli percepiscono segnali acustici, sia riguardo la valenza che la familiarità, presenti nei nitriti. Tuttavia, non sono state trovate prove chiare in merito al contagio della valenza emotiva. Questo risultato non esclude la possibilità che nei cavalli sia presente, poiché esiste una chiara evidenza del contagio vocale dell’eccitazione emotiva in altre specie [55].

La ricerca futura dovrebbe indagare più nel dettaglio il significato dei diversi segnali, in particolare quelli associati alle emozioni, che potrebbero avere un impatto importante sulla gestione degli animali in cattività, domestici e persino selvatici [52].

1.7 Approfondimenti sull’interazione interspecifica uomo-cavallo

1.7.1 Capacità cognitive nei cavalli

I cavalli hanno una ricca storia nella loro relazione con gli esseri umani. In diverse culture ed epoche sono stati utilizzati per il lavoro, lo spettacolo, i rituali culturali, il consumo, la terapia e la compagnia e continuano, ancora oggi, a servire in molti di questi ruoli. Essendo uno degli animali domestici più addestrati, capire come i cavalli apprendono e come il loro rapporto con gli esseri umani e altri cavalli influisca sulla loro capacità di apprendimento ha implicazioni sia sul benessere, che sull'addestramento, l'allevamento e la gestione del cavallo stesso [56].

Il cavallo si è evoluto, attraverso l'addomesticamento, adattandosi all'uomo e all'ambiente di allevamento. L'adattamento alla domesticazione, in una qualsiasi delle specie animali, è stato largamente dipendente dal grado di plasticità evolutiva e dai modelli comportamentali e di apprendimento dell'animale compatibili con le tecniche di allevamento utilizzate durante il processo. Data la diversità degli stili di vita umani, non sorprende che ci sia un'ampia varietà di convinzioni su come i cavalli dovrebbero essere addestrati, cosa sono in grado di capire e come le varie metodologie di addestramento influenzino il loro benessere e il rapporto con gli esseri umani. È sorprendente, quindi, che sia stata condotta una relativamente scarsa ricerca sulle capacità cognitive e le sue implicazioni nel cavallo. Data la diversità dei ruoli che i cavalli svolgono nella società, il rapporto uomo-cavallo è un'importante area di studio sia da una prospettiva di base che applicata [57].

Brubaker e colleghi [56] suggeriscono come i cavalli riescano con successo in una serie di compiti cognitivi, tra cui l'apprendimento discriminativo, la memorizzazione e la formazione dei concetti. Con il termine “apprendimento” viene inteso l’insieme di quei “cambiamenti nel comportamento di un animale derivanti da un’esperienza di una certa condizione o insieme di circostanze” [57].

L’apprendimento sociale è un metodo di addestramento comune, efficacie nel cavallo, in cui i conduttori umani impiegano una metodologia di apprendimento basato sull'osservazione, per addestrare i cavalli più giovani utilizzando cavalli più anziani e già formati [55].

Murphy e Arkins, inoltre, evidenziano come diverse condizioni influenzino diversi aspetti dell'apprendimento equino. L’isolamento dai conspecifici, l’esplorazione di nuovi oggetti o in nuove condizioni, la vicinanza all’uomo in determinate circostanze, possono indurre paura nel cavallo, compromettendone la capacità di apprendimento. Al contrario, la manipolazione precoce sembra avere effetti comportamentali particolarmente positivi nel cavallo, riducendo la paura nei confronti dell’uomo.

Un’altra abilità nella capacità cognitiva equina è quella di riuscire a leggere i segnali di attenzione umana. Tuttavia, questa abilità si sviluppa attraverso l’esperienza: i cavalli adulti sono molto abili nel leggere segnali più sottili, contrariamente ai giovani che sono in grado di rispondere a segnali più grossolani [58].

Intrinseco al successo delle sopraelencate capacità cognitive è il ruolo della memoria. Per la loro sopravvivenza, i cavalli in libertà devono imparare e ricordare i loro ambienti sociali, biologici e fisici.

Per vivere in un sistema sociale funzionale gli individui devono essere in grado di riconoscersi e ricordare le relazioni. Generalmente i cavalli formano, in natura, gruppi sociali di 20 individui o meno e si suggerisce che questo numero rappresenti il limite mentale della memoria sociale di un cavallo. Anche se i cavalli domestici non affrontano le sfide di sopravvivenza così come le loro controparti selvagge, spesso devono affrontare pratiche di manipolazione e addestramento che mettono alla prova il loro benessere mentale e fisico, motivo per cui, per loro, la memoria è altrettanto importante. Alcuni studi affermano che il cavallo possiede un'ottima memoria e capacità di richiamo. E proprio l’addestramento dei cavalli offre ampie opportunità per osservare quanto bene i cavalli ricordino eventi ripetitivi, dimostrando una memoria a lungo termine notevole. Le prove che sono state riportate dalla comunità scientifica indicano che i cavalli possono ricordare eventi e dettagli per un periodo di tempo considerevole [56]. Questa abilità dovrebbe essere ben conosciuta nel mondo dell’equitazione, ai fini di un addestramento ed una gestione ottimale. Quando ciò che viene "appreso per la prima volta" è un'esperienza positiva, l'apprendimento successivo e le interazioni uomo / cavallo sono facilitati [9].

Infine, per quanto riguarda la capacità di concettualizzazione, le conoscenze non sono ancora molto chiare. Come sopracitato, le percezioni possono variare in individui diversi, che spesso deducono un concetto diverso da stimoli identici

In conclusione, le capacità cognitive di ordine superiore nel cavallo mostrano come quest’ultimo sia abile nel concatenare una serie di comportamenti in modo da arrivare alla soluzione, nel saper distinguere quali fra molti stimoli portano una ricompensa ed nell’essere in grado di distinguere gli oggetti basandosi su categorie concettuali. Perciò il cavallo può essere considerato tutt’altro che un esecutore le cui azioni sono solo il frutto della capacità dell’addestratore. Il cavallo è un individuo in grado di valutare, discriminare e comportarsi di conseguenza, scegliendo la più conveniente delle soluzioni [59].

1.7.2 Dall’interazione alla relazione uomo-cavallo

L’interesse dell’animale nel riconoscere i conspecifici assume un significato importante dal punto di vista evolutivo. Qualsiasi informazione raccolta può essere utile. In natura, in caso di presenza di un predatore, è importante per un animale riconoscere i segnali che gli vengono inviati dai conspecifici, ma lo sarà, altrettanto, saper riconoscere i segnali che inviano animali appartenenti ad altre specie [9].

Anche in condizioni domestiche le relazioni interspecifiche sono molto significative e frequenti. Che si tratti di interazioni occasionali (ad esempio ispezione veterinaria) o di legami a lungo termine (ad esempio cavallo–proprietario), sicuramente un aspetto molto importante del rapporto uomo-animale, in generale, e del rapporto uomo-cavallo, in particolare, è quello di cercare di migliorare lo sviluppo e il mantenimento di una relazione positiva [3]. Durante un’interazione il cavallo crea una sua prospettiva, valuta la situazione, la memorizza, la elabora e reagisce. Comprendere le dinamiche emotive permette di anticipare le reazioni emotive proprie e degli altri e quindi di gestire efficacemente le emozioni, specialmente durante un incontro teso. Ciò può essere particolarmente vero in contesti di equitazione, terapeutici e di altro tipo [8].

In alcuni casi è stato dimostrato che i segnali emotivi possono essere trasmessi dagli esseri umani alla specie equina attraverso diversi canali: voce, postura, espressione e feromoni [3]. I cavalli, a loro volta, sono in grado di riconoscere individualmente ogni persona, usando tutti i canali sensoriali che hanno a disposizione [11]. Sembra, infatti, che riescano a riconoscere e ricordare i singoli conduttori e addestratori e se le interazioni passate con quegli individui erano state positive o negative [60].

I cavalli mostrano quindi un’acuta sensibilità e memoria nei confronti degli esseri umani e delle loro azioni [61]. Inoltre, sono in grado di discriminare l'attenzione umana sulla base delle espressioni facciali [52], di riconoscere una persona familiare da una sconosciuta [62], di rispondere a segnali umani, come gesti di puntamento [63] e di usare gesti referenziali per manipolare l'attenzione di un essere umano al fine di ottenere una risorsa non raggiungibile [64]. Nello specifico i cavalli domestici sono altamente sensibili ai segnali di attenzione umani, soprattutto lo sguardo [60].

Alcuni studi indicano come i cavalli abbiano una capacità di discernere le emozioni umane, adattando il comportamento di conseguenza [65] e cambiando la strategia decisionale [66], maggiore rispetto a pecore, zebre o asini [57]. È sorprendente come, nonostante le mille sfaccettature delle interazioni cavallo-cavallo, siano necessari pochi segnali da parte degli umani per stimolare risposte elaborateda parte di questo animale.

In conclusione, nonostante il processo di interazione interspecifica presenti chiaramente caratteristiche differenti rispetto a quello intraspecifico, entrambi sembrano essere basati sugli stessi meccanismi essenziali, cioè reciprocità e coinvolgimento emotivo [67].

1.8 Possibili implicazioni pratiche

L’importanza di conoscere la capacità del cavallo di percepire le emozioni di un essere umano, quindi non conspecifico, appare di particolare importanza, poiché gli animali in base all’esperienza vissuta ed in base all’ambiente, provano delle emozioni negative o positive, che possono avere un’influenza sul comportamento e sulle sue possibili reazioni verso l’uomo [68]. Questo ha importati applicazioni in tutte quelle situazioni che prevedono l’impiego degli animali, come negli interventi assistiti con gli animali (IAA), soprattutto nel campo nella terapia assistita con il cavallo (EAT) [69]. È noto che i cavalli reagiscono in modo diverso quando vengono accarezzati da qualcuno con un atteggiamento negativo nei loro confronti, rispetto a qualcuno con un atteggiamento più positivo [70]. Ulteriori studi preliminari, suggeriscono la possibilità che i cavalli siano sensibili ad alcuni comportamenti mostrati dai bambini, soprattutto nel caso di soggetti con problemi emotivi e comportamentali [71]. L'identificazione degli atteggiamenti umani, come per esempio le

espressioni facciali umane, influenza la fisiologia e il comportamento dei cavalli in modo funzionalmente rilevante [53,72].

Capire come l’animale percepisce l’uomo e come quello che percepisce influenzi le sue razioni rappresenta un primo passo verso un mezzo più oggettivo per valutare l'esperienza soggettiva ed emotiva dei cavalli coinvolti negli interventi assistiti e minimizzare lo stress durante questi interventi. Ciò può contribuire a promuovere relazioni sane e sicure tra esseri umani e animali ed evitare risposte che possono rappresentare un pericolo per entrambi [70].

Un altro campo d’interesse potrebbe essere l'equitazione, considerata uno degli sport ricreativi più pericolosi, con un tasso di incidenti elevato. Studi recenti dimostrano che questi incidenti non dipendono tanto dal livello di competenza, quanto dagli stati emotivi del conduttore/cavaliere [3]. Infatti, è stato dimostrato come la paura di una persona che guida o cavalca un cavallo può aumentare la probabilità che nel cavallo si inneschi una reazione di paura aumentando il rischio di incidenti [73]. In uno studio condotto sul cane, è stato dimostrato come la personalità del proprietario influenzi la personalità del cane, e quindi i cani “rispecchiano” lo stress dei loro proprietari [30]. Analogamente il cavallo si “sincronizza” con lo stato d’animo dell’uomo [67].

In conclusione, riuscire ad ottenere una sorta di misura dell’interazione uomo-cavallo potrebbe essere efficace in molti campi di applicazione [2], per la sicurezza dell'uomo e degli animali, per la qualità e l'efficacia degli interventi o attività svolte e, infine, per ragioni etiche [70].

2. SCOPO DELLO STUDIO DI TESI

Investigare la capacità dei cavalli di discriminare, tramite il canale visivo, diverse espressioni facciali umane, con diversa valenza, e valutare l’effetto dello stimolo somministrato sui parametri comportamentali e fisiologici dell’animale.

3. MATERIALI E METODI

3.1 Sede di svolgimento e approvazione OBA

Lo studio è stato svolto presso l’Ospedale Didattico Veterinario “Mario Modenato”, Dipartimento di Scienze Veterinarie (DSV), Università di Pisa. La fase sperimentale, comprensiva dell’abituazione delle cavalle all’uso della fascia e alla stabulazione in box e dei test ufficiali, si è svolta tra il mese di gennaio e quello di febbraio 2019.

Questo studio è stato condotto in conformità legge 26/2014 sulla protezione degli animali utilizzati a fini scientifici. Lo studio ha incluso esclusivamente osservazioni comportamentali per cui non si è reso necessario sottoporre la prova comportamentale all’Organismo del Benessere animale dell’Ateneo di Pisa.

3.2 Animali e criteri di inclusione

Nello studio sono stati inclusi 12 cavalli, di sesso femminile, di razza Trottatore Italiano o Purosangue Inglese (PSI), di età compresa tra 5 e 20 anni (Tab.1) di proprietà del DSV. Al momento delle prove comportamentali, i soggetti erano:

 Sane sulla base di una visita clinica (esame obiettivo generale e particolare dei vari apparati);

 Non in stato di gravidanza;

Gli animali venivano alimentati con fieno polifita ed acqua ad libitum e fioccato somministrato una volta al giorno (Equifioc - Azienda Molitoria di Val di Serchio, Lucca). Le cavalle venivano alloggiate in paddocks di circa 75x75 m² e maneggiate regolarmente, sia da docenti che da studenti.

Tab.1. Dati e informazioni sui soggetti inclusi nello studio.

N°

CAVALLE ETÀ’ SESSO RAZZA

1 20 F Trottatore 2 16 F Trottatore 3 12 F Trottatore 4 17 F Trottatore 5 5 F PSI 6 8 F Trottatore 7 20 F Trottatore 8 6 F Trottatore 9 20 F Trottatore 10 19 F Trottatore 11 8 F PSI 12 12 F Trottatore

3.3 Materiali

3.3.1 Elettrodi tessili

Nel presente studio, il parametro fisiologico preso in considerazione per la valutazione delle reazioni “interiori” dell’animale durante lo svolgimento dei test di approccio al robot è stata la variabilità cardiaca (HRV). L’elettrocardiogramma, necessario all’estrapolazione del sopracitato parametro, è stato ottenuto tramite l’utilizzo di una fascia elastica con elettrodi tessili integrati. La fascia, posizionata immediatamente dietro il garrese del cavallo, era dotata di due elettrodi tessili (Smartex Srl, Pisa, Italia) di forma rettangolare (ca. 7x3 cm) con derivazione apice-base modificata.

Entrambi gli elettrodi erano collocati sull’emitorace sinistro del cavallo, uno più in alto e più craniale (circa 10 cm al di sotto del garrese), l'altro più in basso e più caudale (circa 20 cm dietro l’olecrano). La fascia veniva chiusa da due strap a livello dello sterno e dell’addome.

Per rendere la registrazione del tracciato ottimale veniva applicato del gel elettro-conduttivo (Farmacare®, Italia), tra cute ed elettrodi senza necessità di tosare il pelo. Gli elettrodi erano collegati tramite dei cavi molto sottili alla Said Electronic Wearable (SEW), un sistema dedicato all’acquisizione e alla memorizzazione e/o trasmissione dei dati. La SEW è un dispositivo di dimensioni e peso estremamente contenuti che veniva collocato in una piccola tasca presente direttamente sulla fascia. Tramite la SEW e i sensori a livello della fascia (accelerometro) era anche possibile registrare le oscillazioni del respiro e i movimenti dell'animale. La registrazione del tracciato ECG poteva essere avviata a distanza, via Bluetooth, tramite tablet, con il quale si poteva anche controllare in tempo reale il tracciato ECG.

La fascia è stata utilizzata con le cavalle sia nella fase di abituazione sia durante i test veri e propri. L’abituazione a questo strumento è stata essenziale al fine di evitare alterazioni della stessa HRV dovute alla presenza di uno strumento sconosciuto all’animale o al fastidio della percezione della fascia sul corpo.

3.3.2 Telecamera

Ai fini di analizzare, in fase di elaborazione dei dai, i comportamenti tenuti delle cavalle durante la fase dei test ufficiali, è stata avviata una registrazione video, realizzata tramite videocamera (Parasonic HC-V727 full HD, Italia) e cavalletto, a distanza.

3.3.3 Robot

FACE (Facial Automatonfor Conveying Emotions) è un robot umanoide in grado di comprendere, elaborare e simulare le emozioni umane attraverso le espressioni facciali ed altri canali di comunicazione non-verbale. Questo è reso possibile grazie all’uso di una telecamera interna, di cui non ci siamo serviti considerando lo scopo dello studio.

Fig. 3. Rappresentazione del robot umanoide FACE

Rappresenta esteticamente una copia realistica di una testa femminile, sia nella forma che nella consistenza, e il risultato finale appare estremamente realistico.

Il teschio è stampato in materiale plastico con tecniche di 3D Printing, mentre la pelle è realizzata in materiale siliconico, denominato Frubber, estremamente morbido e resistente, appositamente studiato per simulare le proprietà meccaniche ed estetiche della pelle umana.

Il sistema di attuazione FACE si basa su 32 micromotori che sono integrati nel cranio e nella parte superiore del busto (Fig. 3), imitando i principali muscoli facciali.

Fig. 4. Principali muscoli coinvolti nelle espressioni facciali

I muscoli facciali sono raggruppati in Action Units (AU) rappresentati da singoli micromotori (Fig. 4).

Grazie alle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali, il robot FACE è in grado di produrre una gamma completa di espressioni facciali umane realistiche, ispirate allo studio basato sulle espressioni fondamentali di Paul Ekman (Facial Action Coding System) 74.

3.4 Metodi

3.4.1 Abituazione

In una prima fase, iniziata nel gennaio 2019, le cavalle sono state a stare per tempi crescenti, da pochi minuti a circa 30-40 minuti, all'interno di un box, in una scuderia chiusa, quindi isolate visivamente dagli altri soggetti. Il box a cui le cavalle sono state abituate era lo stesso in cui, poi, si sono svolti i test. La porta del box veniva tenuta aperta, con due sbarre di legno che precludevano l’uscita della cavalla. I soggetti venivano rinforzati positivamente (con carote e mele) a stare in box, quando assumevano un atteggiamento calmo. Allo stesso modo le cavalle venivano abituate a tenere la fascia che registrava l'ECG, inizialmente mettendola e rimuovendola subito, successivamente tenendola per tutto il tempo di permanenza in box. Inoltre, i soggetti venivano abituati ai

rumori elettronici emessi normalmente dal robot, registrati e riprodotti in modo che, al momento dei test, non risultassero per loro qualcosa di nuovo.

Le cavalle, durante l’abituazione, venivano prelevate dai paddocks e collocate nella scuderia. Conclusa la prova venivano ricondotte in paddock.

3.4.2. Protocollo dei test

I test sono stati effettuati nei giorni del 13 e 14 nel mese di febbraio 2019. Durante lo svolgimento dei test, una persona prelevava il singolo soggetto dal paddock, lo conduceva nella scuderia e poi in box. La porta della scuderia veniva chiusa e nessuno, tra gli sperimentatori o tra il personale tecnico che gestisce giornalmente la scuderia, poteva entrare o uscire. Una parte degli sperimentatori, celati alla vista dell'animale, si occupavano della parte ingegneristica e della gestione del robot. Una seconda unità di sperimentatori, sempre celati, si occupava delle riprese e della gestione dei cavalli. Il rumore dovuto alla presenza degli sperimentatori era ridotto al minimo. Una volta condotto in box, il cavallo veniva attrezzato con la fascia e veniva avviata la registrazione ECG. Chi aveva condotto il cavallo in box stava con il soggetto per 5 minuti tenendolo alla lunghina. Dopodiché il cavallo veniva lasciato da solo e veniva avviata a distanza la registrazione video. In un secondo momento veniva presentato il robot, con il quale le cavalle potevano interagire, guardandolo e esplorandolo, ma non entrare in contatto. Il robot era stato attrezzato con giacca, camicia, pantaloni e scarpe da tennis. Le caratteristiche del robot non venivano mai cambiate. Veniva collocato seduto su una sedia con le rotelle, in maniera che il trasporto fosse rapido. Quando il robot veniva posizionato, o allontanato alla fine della prova, la porta del box veniva chiusa, affinché il cavallo non vedesse il suo arrivo o l’allontanamento (Fig. 5). Il robot mostrava un susseguirsi random di espressioni, conosciuto agli sperimentatori che si occupavano della parte ingegneristica, ma sconosciuto a quelli che si occupavano dei cavalli. Durante il susseguirsi delle espressioni, l’attenzione del cavallo veniva attirata tramite fischio o richiamo, in modo da stimolarlo e farlo concentrare sul robot. Alla fine del test, il robot veniva rimosso e il cavallo tenuto per altri 5 minuti in box. Dopodiché venivano interrotte registrazione ECG e video e il soggetto veniva ricondotto in paddock. Durante il test alle cavalle non era consentito alimentarsi.

Fig. 5. Modalità di presentazione o rimozione robot

In tabella 2 viene riportato lo schema di successione dei tempi e degli eventi. Il tempo totale di testaggio era di 24 minuti. I primi cinque minuti erano destinati alla registrazione basale dell’HRV (Basale 1), senza avviare la registrazione video. Seguivano 5 minuti di registrazione basale (Basale 2) dove il cavallo veniva lasciato libero nel box e veniva avviata anche la registrazione video. Durante primi 2 minuti veniva riprodotta la FACE 0, dopodiché si susseguivano tre differenti FACE (1-2-3) corrispondenti alle espressioni di rabbia, felicità e tristezza (Fig. 6), in successione random, intervallate da 30 secondi di espressione neutra (FACE 0). Durante questa fase venivano registrate sia le razioni comportamentali, tramite video, che quelle fisiologiche, tramite HRV, dell’animale. Infine, venivano registrati ad altri 5 minuti di basale (Basale 3) con l’interruzione della registrazione video e la sola acquisizione del parametro HRV.

Tab.2. Protocollo sperimentale FACE

TEMPO EVENTI 5 minuti Basale 1 2 minuti Basale 2 2 minuti FACE 0 2 minuti FACE 1 30 sec FACE 0 2 minuti FACE 2 30 sec FACE 0 2 minuti FACE 3 5 minuti Basale 3

Fig. 6. Espressioni di base: Disgust, Happiness, Sadness, Surprise.

3.4.3 Metodica di analisi dei tracciati – parametro fisiologico

Il programma che è stato utilizzato per analizzare l’HRV è Kubios.

Tramite Kubios è stata effettuata la verifica e la correzione manuale dei picchi R.

La distribuzione dei dati è stata testata tramite il test di Shapiro Wilk e risulta essere non parametrica o non gaussiana. È stato effettuato un confronto a coppie per dati appaiati tramite il test Wilcoxon.

La faccia neutra è stata utilizzata come baseline (normalizzata) per il calcolo del valore delle features e successivamente in base a questo, sono state calcolate le features dell’HRV su tutte le altre facce.

È stata fatta una correzione post hoc tramite Bonferroni per valutare l’effettiva significatività dei risultati considerando il fatto che sono stati ottenuti da confronti multipli. La significatività è stata fissata a p-value <0,05.

3.4.4 Metodica di analisi dei video – parametri comportamentali

Al fine dell’analisi comportamentale dei video ottenuti durante i test, è stato sviluppato un etogramma (Tab.3), che ha permesso di classificare e trascrivere i comportamenti di attenzione ed esplorazione tenuti dalle cavalle e ritenuti rilevanti per lo scopo che si proponeva questo esperimento. I comportamenti sono stati riportati su fogli Excel, insieme ad una serie di altre informazioni:

 Nome del soggetto

 Data e ora del test

 Tipo di test

 Nomenclatura del comportamento

 Durata del comportamento (inizio e fine)

 Numero di volte che l’atteggiamento si è presentato

 Durata totale del comportamento

 Durata media del comportamento

 Eventuali note

I parametri numero, durata totale e durata media del comportamento sono stati utilizzati per l’analisi statistica.

Tab.3. Etogramma FACE COMPORTAMENTO DESCRIZIONE Attenzione lateralizzata Padiglione auricolare SX / DX rivolto verso il robot e occhio corrispondente visibile Esplorazione lateralizzata Narice SX / DX rivolta verso il robot

Attenzione selettiva Padiglioni auricolari ed occhi visibili e

rivolti verso il robot

Esplorazione selettiva Entrambe le narici rivolte verso il robot Attenzione divisa Entrambi gli occhi visibili, solo l’orecchio SX / DX diretto verso il robot

3.4.5 Analisi statistica

L’analisi statistica è stata effettuata sui comportamenti di attenzione ed esplorazione. I risultati ottenuti sono stati analizzati per la valutazione della distribuzione mediante test di Kolmogorov-Smirnov. Poiché in parte i risultati avevano una distribuzione gaussiana e in parte no, abbiamo deciso di esprimere i dati come tutti non distribuiti normalmente. Di conseguenza i risultati sono stati espressi come mediana, valore minimo e valore massimo. I confronti tra FACE diversi (FACE 0 vs 1 vs 2 vs 3) sono stati effettuati applicando il test di Kruskal-Wallis e il Dunn’s test come post hoc per ciascun comportamento analizzato: attenzione lateralizzate (sn e dx) attenzione o esplorazione divise (sn e dx), attenzione o esplorazione selettive. Il limite statistico è stato settato a p<0.05. L’analisi statistica è stata effettuata con un software commerciale (GraphPad Prism 9, USA).

4. RISULTATI

Il tempo di abituazione dei cavalli è stato di un mese. I risultati dell’analisi dell’etogramma relativamente ai comportamenti di attenzione ed esplorazione sono riportati nelle tabelle n°4-5.

I parametri utilizzati per studiare l’andamento del comportamento delle cavalle sono stati il numero delle volte, la durata media e la durata totale in cui il comportamento si è presentato.

Il confronto tra FACE 0 vs 1 vs 2 vs 3, effettuato per ciascun comportamento analizzato, non ha evidenziato differenze statisticamente significative.

Analizzando i comportamenti di attenzione il tempo trascorso a mostrare l’occhio destro (ATTdx), si presenta maggiormente quando il robot esprimeva la Face arrabbiata. Viceversa, la condizione di attenzione sinistra (ATTsx), si osserva in maggior misura nei confronti della faccia felice, rispetto alle Face triste, arrabbiata e neutrale. In misura analoga si nota la stessa tendenza per i comportamenti lateralizzati di attenzione divisa (dx e sx).

Infine, per l’atteggiamento di attenzione selettiva (selATT), confrontando la mediana di tutti e tre i parametri (n, tot, med), la faccia arrabbiata è stata osservata per più tempo e per più volte rispetto alla faccia felice e triste, ma non rispetto a quella neutrale.

Per il comportamento di esplorazione si osserva che la mediana per le quattro Face risulta essere omogena durante l’esposizione della narice destra (EXPdx). Per tale motivo, la misura del range è stata utile per confrontare la distribuzione di ciascun comportamento e ne deriva che una minore dispersione si ottiene per la faccia felice.

L’esplorazione sinistra (EXPsx) si presenta maggiormente per la faccia felice rispetto alla faccia triste, ma non per quella neutrale. Lo stesso andamento si riscontra per il comportamento di esplorazione selettiva (selEXP).

Il parametro HRV non ha mostrato una differenza statisticamente significativa tra le varie “features” indipendentemente che l’espressione sia felice, triste e arrabbiata come mostra la tabella n°6.

Confrontando le varie facce sono state valutate le features dell’HRV nel dominio del tempo, relative alle tre zone di oscillazione cardiaca: Very Low Frequency (VLF), Low Frequency (LF) e High Frequency (HF). Ne risulta che solo nel confronto tra la faccia triste vs faccia felice è risultata significativa la frequenza VLF. Mentre nel confronto tra faccia arrabbiata vs faccia triste è risultato significativo il Total power. Presi insieme questi due parametri, nonostante la loro significatività, forniscono delle informazioni in generale sul sistema nervoso. Risultano dei parametri molto generici che non sono indicativi dello stato emotivo del cavallo.

Il valore della variabilità cardiaca non è costante, il p-value fra le features non rimane uguale tra le tre espressioni del robot. Questo evidenzia che alla base c’è una differenza tra i valori espressi, ma che non raggiunge la significatività.

Questi risultano degli studi preliminari, a cui si aggiunge anche che è stata eseguita solo la comparazione diretta tramite un confronto a due tra le facce, per cui per ottenere una statistica significativa occorrono dei tempi più lunghi.

Tab.4. Risultati, espressi come mediana, valore minimo e massimo, relativamente a ciascun comportamento di attenzione analizzato per ciascuna FACE (neutrale, felice, triste, arrabbiato)

Neutrale Felice Triste Arrabbiato

num tot med num tot med num tot med num tot med

ATT dx 5.0 2.0-12.0 4.3 1.5-17.6 0.9 0.3-3.0 7.0 1.0-24.0 8.0 0.3-35.8 1.3 0.1-2.7 6.0 1.0-26.0 8.9 0.7-30.7 1.1 0.3-3.7 12.0 1.0-28.0 16.6 1.1-37.0 1.3 0.5-2.6 ATT sx 6.0 1.0-30.0 8.6 0.9-46.8 0.9 0.3-2.9 8.0 2.0-33.0 10.3 1.0-15.3 1.3 0.5-7.0 5.0 1.0-30.0 7.7 0.7-24.8 1.0 0.5-3.7 4.0 2.0-33.0 6.8 0.7-48.7 1.3 0.4-2.3 divATT dx 8.5 1.0-19.0 3.8 0.5-21.6 0.7 0.2-1.8 5.0 1.0-18.0 6.1 0.2-17.5 1.0 0.2-3.5 6.0 1.0-16.0 3.8 0.3-32.8 0.6 0.3-2.0 3.0 1.0-19.0 4.1 0.1-14.2 0.5 0.1-1.8 divATT sx 4.5 1.0-19.0 3.1 0.3-16.1 0.7 0.3-1.1 5.0 1.0-12.0 3.2 0.3-12.2 0.5 0.3-3.2 4.5 1.0-10.0 3.0 0.8-9.4 0.6 0.4-1.2 3.0 1.0-19.0 1.5 0.3-18.8 0.7 0.3-1.2 selATT 5.0 1.0-16.0 6.5 0.3-15.2 1.1 0.3-2.3 2.5 1.0-10.0 1.3 0.2-13.4 0.7 0.2-6.7 3.0 1.0-13.0 2.3 0.1-7.2 0.6 0.1-1.9 2.5 1.0-13.0 4.5 0.2-20.5 1.1 0.2-3.9

Tab.5. Risultati, espressi come mediana, valore minimo e massimo, relativamente a ciascun comportamento di esplorazione analizzato per ciascuna FACE (neutrale, felice, triste, arrabbiato)

Neutrale Felice Triste Arrabbiato

num Tot med num tot med num tot med num tot med

EXP dx 3.0 1.0-7.0 4.7 0.5- 26.7 1.1 0.5-4.8 4.0 1.0-8.0 6.6 3.2-10.9 1.8 0.6-3.2 4.0 1.0-9.0 6.6 0.6-19.1 1.5 0.6-4.9 3.0 1.0-8.0 5.0 2.6-23.0 1.7 0.9-5.5 EXP sx 3.5 2.0-7.0 4.5 0.9-12.9 0.9 0.4-4.3 3.0 1.0-8.0 2.4 0.9-18.0 1.0 0.5-2.7 1.0 1.0-10.0 0.9 0.1-17.4 0.9 0.1-3.7 1.0 1.0-12.0 1.3 0.1-27.4 1.0 0.1-9.1 selEXP 8.0 1.0-13.0 9.3 0.4-23.8 1.3 0.4-2.6 6.0 3.0-11.0 8.9 3.1-16.1 1.5 0.7-4.2 5.5 1.0-11.0 12.4 1.0-33.6 1.9 0.6-5.9 3.5 1.0-13.0 6.1 1.4-48.3 2.7 0.7-6.3

Tab.6. Risultati, espressi come mediana, valore minimo e massimo, delle features dell’HRV relativi a ciascun confronto tra le facce emotive

Frequency ANGRY-HAPPY Frequency ANGRY-SAD

Frequency SAD-HAPPY H pvalue VLF_peak 0 0.5313 LF_peak 0 0.8750 HF_peak 0 0.7500 VLF_power 1 0.0122 VLF_power_prc 1 0.0161 LF_power 0 0.6772 LF_power_prc 0 0.3394 LF_power_nu 0 0.6221 HF_power 0 0.7910 HF_power_prc 0 0.3804 HF_power_nu 0 0.6221 LF_HF_power 0 0.6772 tot_power 0 0.1294 h pvalue VLF_peak 0 1.0000 LF_peak 0 0.3750 HF_peak 0 0.8750 VLF_power 0 0.2334 VLF_power_prc 0 0.9697 LF_power 0 0.0522 LF_power_prc 0 0.9097 LF_power_nu 0 0.7910 HF_power 0 0.1763 HF_power_prc 0 0.7910 HF_power_nu 0 0.7910 LF_HF_power 0 0.7910 tot_power 1 0.0425 h pvalue VLF_peak 0 0.2891 LF_peak 0 0.4063 HF_peak 0 0.6250 VLF_power 0 0.4238 VLF_power_prc 1 0.0425 LF_power 0 0.7334 LF_power_prc 0 0.1763 LF_power_nu 0 0.4697 HF_power 0 0.1763 HF_power_prc 0 0.2661 HF_power_nu 0 0.4697 LF_HF_power 0 0.4697 tot_power 0 0.8501

DISCUSSIONE

Lo scopo di questo studio è stato quello di esaminare la capacità del cavallo di percepire, attraverso il canale visivo, alcune emozioni umane manifestate tramite le espressioni facciali e di comprendere se queste avessero una valenza ed un’influenza sul soggetto equino, sia dal punto di vista comportamentale che fisiologico. Questo studio ha quindi riprodotto, grazie all’ausilio di un robot umanoide, la manifestazione di tre espressioni facciali, differenti in termini di valenza (felicità, rabbia, tristezza).

Basandosi su indagini precedenti, il presente studio ha ipotizzato che mostrare ai cavalli espressioni facciali umane in sequenza dinamica avrebbe potuto avere un impatto diverso sulle loro risposte comportamentali e fisiologiche. Inoltre, si è avvalso della misurazione della Variabilità Cardiaca (o Heart Rate Variability, HRV) come indice del livello di attivazione simpatica/parasimpatica in risposta alla visione delle varie espressioni.

Nonostante uno degli studi, su cui il nostro lavoro si è basato, affermasse che la presentazione agli animali di volti arrabbiati inducesse un aumento dell’approccio visivo con il campo oculare sinistro [53], l’analisi statistica ivi effettuata ha dimostrano che non è presente una differenza statisticamente significativa tra i parametri comportamentali e fisiologici del medesimo cavallo posto di fronte a tre diverse espressioni facciali umane. Di conseguenza, dal punto di vista strettamente fisiologico, il sistema nervoso autonomo risulta essere in equilibrio, con una pari attivazione simpatica e parasimpatica, durante l’esecuzione dei test.

Sebbene i risultati del presente studio si discostino dalla letteratura, si possono comunque estrapolare alcuni concetti che pongono le basi per ulteriori ricerche nell’ambito della percezione delle emozioni da parte degli animali e della loro risposta ad esse.

In primo luogo, nonostante negli ultimi anni la ricerca sugli stati affettivi degli animali continui a progredire rapidamente, rimangono molte difficoltà nel riuscire a misurare le risposte “emotive” negli animali, soprattutto a causa dell’assenza di comunicazione verbale [75]. Inoltre, le stesse risposte emotive sono difficili da misurare quantitativamente, poiché influenzate dalle caratteristiche intrinseche dell'individuo [76].

Nel nostro studio le cavalle hanno un’età compresa tra 5 e 20 anni. Un fattore da prendere in considerazione è che l’avanzare dell’età, sia negli esseri umani che negli animali, influenza l'attenzione e la memoria e aumenta la regolazione della risposta emotiva [77]. In generale, con l'aumentare dell'età, i cavalli mostrano una ridotta manifestazione