Sử dụng siêu âm cá để xác định giới tính không xâm lấn và đánh giá độ trưởng thành của tuyến sinh dục

Công nghệ hình ảnh siêu âm, là một công cụ không xâm lấn, thời gian thực và có độ chính xác cao, đã được ứng dụng rộng rãi trong việc xác định giới tính cá và đánh giá độ trưởng thành của tuyến sinh dục, dần thay thế các phương pháp xâm lấn truyền thống như quan sát giải phẫu, đo chỉ số tuyến sinh dục (GSI) và phát hiện nồng độ hormone. Bằng cách cung cấp hình ảnh thời gian thực về hình thái tuyến sinh dục và thông tin huyết động, công nghệ này cung cấp bằng chứng khoa học cho sự phân chia giới tính không phá hủy và thời điểm sinh sản tối ưu trong nuôi trồng thủy sản. Tỷ lệ giới tính và độ trưởng thành của tuyến sinh dục cá ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc quần thể, hiệu quả sinh sản và lợi ích kinh tế, đặc biệt là trong việc bảo tồn cá hoang dã và phát triển bền vững ngành nuôi trồng thủy sản. Bài viết này khám phá các nguyên lý, ứng dụng và tiến trình nghiên cứu của công nghệ siêu âm tại các quốc gia nuôi trồng thủy sản lớn (ví dụ: Trung Quốc, Na Uy, Nhật Bản và Hoa Kỳ), cùng với những thách thức và định hướng tương lai của nó.

Nguyên lý hình ảnh siêu âm và đặc điểm hình ảnh

Chụp siêu âm tạo ra hình ảnh thông qua sự phản xạ của sóng âm tần số cao trong mô cá, với sự khác biệt về trở kháng âm thanh tạo thành các mẫu tiếng vang riêng biệt để xác định loại tuyến sinh dục và giai đoạn trưởng thành:

• Buồng trứng nữ: Buồng trứng trưởng thành có phản xạ dạng hạt, với các vùng phản xạ thấp xen kẽ với các điểm phản xạ cao. Ở giai đoạn trưởng thành muộn (III–IV), có thể nhìn thấy các nang lớn phản xạ cao với ranh giới rõ ràng.

• Tinh hoàn nam: Tinh hoàn cho phản xạ đồng đều, mịn. Ở giai đoạn trưởng thành (III–IV), vùng phản xạ cao, nhẵn thường gặp, trong khi giai đoạn sớm (I–II) cho phản xạ yếu hơn, khiến việc phân biệt với buồng trứng trở nên khó khăn.

• Huyết động học:Siêu âm Doppler màu có thể phát hiện thêm những thay đổi về lưu lượng máu ở tuyến sinh dục, cung cấp thêm dữ liệu để đánh giá độ trưởng thành.

Công nghệ siêu âm đã đạt được những kết quả đáng kể ở nhiều loài cá khác nhau, với những điểm đáng chú ý sau:

• Cá chim bạc: Hình ảnh siêu âm có mối tương quan chặt chẽ với GSI và nồng độ hormone. Bằng cách thiết lập ngưỡng phản hồi F3 (độ trưởng thành của cá cái) và M3/M4 (độ trưởng thành của cá đực), cá thể trưởng thành có thể được xác định nhanh chóng, giảm tần suất xử lý.

• Cá rô phi sông Nile: Siêu âm đạt độ chính xác nhận dạng giới tính là 95%, vượt trội hơn so với phân loại bằng mắt thủ công (87%). Tuy nhiên, việc chụp ảnh tinh hoàn ở những cá thể dưới 400 g vẫn còn nhiều thách thức, đòi hỏi tần số thăm dò được tối ưu hóa.

• Cá hồi Đại Tây Dương:Siêu âm được sử dụng để theo dõi sự trưởng thành của tuyến sinh dục ở cá đực hoang dã và cá nuôi, giúp giảm đáng kể việc hy sinh không cần thiết và mang lại khả năng mở rộng quy mô.

• Cá tầm Trung Quốc:Kết hợp hình ảnh siêu âm với phép đo hormone sinh dục cho phép phân loại giới tính và độ trưởng thành ở những cá thể từ 10–17 tuổi, chứng minh tiềm năng của nó trong việc bảo vệ các loài có nguy cơ tuyệt chủng.

• Cá hồi cầu vồng đảo ngược giới tính:Siêu âm đánh giá hiệu quả cấu trúc tuyến sinh dục ở những cá thể chuyển đổi giới tính, hỗ trợ nuôi dưỡng quần thể đơn giới.

Tiến trình nghiên cứu ở các nước nuôi cá lớn

Các nước nuôi cá lớn đã có những đóng góp đáng kể cho công nghệ siêu âm, điều chỉnh công nghệ này theo nhu cầu địa phương và thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa:

• Trung Quốc: Là quốc gia sản xuất thủy sản lớn nhất thế giới, Trung Quốc đã đạt được những đột phá trong nghiên cứu siêu âm cho các loài như cá tầm Trung Quốc, cá chép và cá rô phi. Các viện nghiên cứu đã phát triển các thiết bị siêu âm di động giá rẻ cho cá cỡ vừa và nhỏ, tích hợp các thuật toán AI để nâng cao hiệu quả phân tích hình ảnh. Ví dụ, Viện Hàn lâm Khoa học Thủy sản Trung Quốc đã phát triển một hệ thống phân loại độ trưởng thành tuyến sinh dục tự động dựa trên siêu âm, cải thiện độ chính xác phân biệt giới tính trong các trang trại.

• Na Uy: Na Uy ứng dụng rộng rãi siêu âm trong nuôi cá hồi và cá tuyết Đại Tây Dương, tập trung vào mối quan hệ giữa lưu lượng máu tuyến sinh dục và độ trưởng thành. Viện Nghiên cứu Biển Na Uy đã phát triển các đầu dò tần số cao có thể chụp ảnh rõ nét tinh hoàn ở cá nhỏ, khắc phục những hạn chế về độ phân giải và phù hợp với nuôi trồng thủy sản thương mại quy mô lớn.

• Nhật Bản:Nhật Bản đã tiên tiến ứng dụng siêu âm trên các loài có giá trị cao như cá hồi cầu vồng và cá ngừ vằn, đặc biệt là để theo dõi sự chuyển đổi giới tính và phát triển tuyến sinh dục. Các viện nghiên cứu Nhật Bản đã kết hợp siêu âm với các dấu ấn di truyền để phát triển các mô hình xác định giới tính không xâm lấn, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất giống.

• Hoa Kỳ: Hoa Kỳ khuyến khích sử dụng siêu âm trong nuôi cá da trơn và cá hồi, đặc biệt là đối với các trang trại quy mô nhỏ. Các dự án do USDA hỗ trợ đã tập trung vào việc thu nhỏ thiết bị siêu âm để giảm chi phí, giúp nông dân quy mô nhỏ dễ tiếp cận hơn. Ngoài ra, các nhóm nghiên cứu của Hoa Kỳ đã phát triển các công cụ phân tích hình ảnh siêu âm dựa trên máy học để cải thiện tính khách quan.

Ưu điểm và thách thức về mặt kỹ thuật

Công nghệ siêu âm cá mang lại những lợi ích sau:

• Không xâm lấn: Tránh làm cá bị thương do cách mổ truyền thống, phù hợp cho việc bảo tồn các loài có nguy cơ tuyệt chủng.

• Khả năng thời gian thực: Cho phép quét nhanh trong hoặc ngoài nước, lý tưởng cho các hoạt động nuôi trồng thủy sản quy mô lớn.

• Độ chính xác cao: Đạt độ chính xác trên 90% trong việc xác định giới tính, vượt trội hơn các phương pháp trực quan truyền thống.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức:

• Giới hạn kích thước cá: Chụp ảnh tinh hoàn ở cá nhỏ (<200 g) rất khó, đòi hỏi đầu dò tần số cao hơn và thiết bị nhạy hơn.

• Chi phí thiết bị:Máy siêu âm cao cấp và hệ thống Doppler màu rất đắt tiền, hạn chế khả năng áp dụng của những người nông dân quy mô nhỏ.

• Chuyên môn của người vận hành:Việc giải thích hình ảnh phụ thuộc vào kinh nghiệm, đòi hỏi phải có các công cụ phân tích tự động để giảm rào cản về kỹ năng.

Hướng đi trong tương lai

Để thúc đẩy hơn nữasiêu âm cácông nghệ nuôi trồng thủy sản, các bước sau đây được khuyến nghị:

1. Nâng cao độ phân giải hình ảnh: Phát triển các đầu dò tần số cực cao để cải thiện hình ảnh tinh hoàn ở cá nhỏ.

2. Giảm chi phí thiết bị: Tạo ra các thiết bị siêu âm di động, giá cả phải chăng để tiếp cận những nông dân vừa và nhỏ.

3. Tiêu chuẩn hóa và Tự động hóa: Thiết lập các giao thức phân tích hình ảnh chuẩn hóa và tích hợp AI và máy học để giảm sự phụ thuộc vào chuyên môn của người vận hành.

4. Hợp tác quốc tế: Tăng cường hợp tác giữa Trung Quốc, Na Uy, Nhật Bản, Hoa Kỳ và các nước khác để chia sẻ dữ liệu và công nghệ, thúc đẩy nuôi trồng thủy sản bền vững toàn cầu.

Công nghệ siêu âm cá, với tính năng không xâm lấn, khả năng theo thời gian thực và độ chính xác cao, là một công cụ lý tưởng để xác định giới tính và đánh giá độ trưởng thành của tuyến sinh dục. Nghiên cứu liên tục của các quốc gia nuôi trồng thủy sản lớn đã thúc đẩy những tiến bộ công nghệ, đặc biệt là trong bảo tồn các loài có nguy cơ tuyệt chủng và tối ưu hóa nuôi trồng thủy sản thương mại. Thông qua những đổi mới trong tương lai về độ phân giải, giảm chi phí và tự động hóa, công nghệ siêu âm đang sẵn sàng được áp dụng rộng rãi hơn trong nuôi trồng thủy sản toàn cầu, hỗ trợ tính bền vững và lợi ích kinh tế.