Beoordeling van de invloed van de persoonlijkheid op gevoeligheid voor magnetische velden in de zebravis
Summary
We beschrijven een gedrags protocol ontworpen om te beoordelen hoe de zebravis persoonlijkheden beïnvloeden hun reactie op het water stromen en zwakke magnetische velden. Vissen met de zelfde persoonlijkheden worden gescheiden op basis van hun exploratief gedrag. Vervolgens wordt hun gedrag rheotactic oriëntatie in een tunnel zwemmen met een lage stroomsnelheid en onder verschillende magnetische voorwaarden waargenomen.
Abstract
Als u wilt weergeven zich in hun omgeving, integreren dieren een breed scala aan externe signalen, die met verschillende interne factoren, zoals persoonlijkheid samenwerken. Hier beschrijven we een gedrags protocol ontworpen voor de studie van de invloed van de persoonlijkheid van de zebravis op hun geaardheid reactie op meerdere externe milieu signalen, specifiek water stromen en magnetische velden. Dit protocol heeft tot doel om te begrijpen of proactief of reactief zebrafish weer verschillende rheotactic drempels (dat wil zeggen, de flow snelheid waartegen de vis begint stroomopwaarts zwemt) wanneer het omringende magnetisch veld verandert de richting. Om te identificeren zebrafish met de dezelfde persoonlijkheid, worden vis ingevoerd in het donker de helft van een tank met een smalle opening naar een heldere helft verbonden. Alleen proactieve vis verkennen de roman, lichte omgeving. Reactieve vis sluit de donkere helft van de tank niet af. Een zwemmen tunnel met laag debiet wordt gebruikt voor het bepalen van de rheotactic drempel. We beschrijven twee opstellingen om te bepalen van het magnetisch veld in de tunnel, in het bereik van de aarde magnetisch veld intensiteit: één waarmee het magnetisch veld langs de stroomrichting (één dimensie) en één waarmee een drie-axiale controle van het magnetisch veld. Vis worden gefilmd terwijl het ervaren van een stapsgewijze verhoging van de snelheid van de stroming in de tunnel onder de verschillende magnetische velden. Gegevens over het gedrag richting zijn verzameld via de procedure van een video-tracking en toegepast op een logistiek model dat de bepaling van de rheotactic drempel. Wij rapporteren representatieve resultaten verzameld van scholende zebrafish. In het bijzonder aantonen deze dat alleen reactief, verstandig vis Toon variaties van de rheotactic drempel als het magnetisch veld in haar richting, varieert terwijl proactief vis niet op magnetische veld wordt gewijzigd reageren. Deze methode kan worden toegepast op de studie van magnetische gevoeligheid en rheotactic gedrag van veel aquatische soorten, zowel eenzame weergeven of scholende zwemmen strategieën.
Introduction
In de huidige studie beschrijven we een lab gebaseerde gedrags protocol heeft de reikwijdte van het onderzoek naar de rol van de persoonlijkheid van de vis op de reactie van de oriëntatie van het scholende vissen aan externe oriëntatie signalen, zoals water stromen en magnetische velden.
De oriënterende besluiten van dieren vloeien voort uit het gewicht van de verschillende sensorische informatie. De besluitvorming wordt beïnvloed door het vermogen van het dier te navigeren (bijvoorbeeld de capaciteit te selecteren en een richting te houden), haar interne status (bijvoorbeeld voeding of reproductieve behoeften), haar vermogen om te bewegen (bijvoorbeeld motoriek biomechanica), en een aantal extra externe factoren (bv. de tijd van dag, interactie met soortgenoten)1.
De rol van de interne staat of dierlijke persoonlijkheid in het oriëntatie-gedrag is vaak slecht begrepen of2nog niet onderzocht. Extra uitdagingen ontstaan in de studie van de oriëntatie van sociale aquatische soorten, die vaak uitvoeren van gecoördineerde en gepolariseerde groep verkeer gedrag3.
Water stromen spelen een sleutelrol in het oriëntatieproces voor vis. Vis oriënteren water stromen door middel van een unconditioned reactie genoemd rheotaxis4, die positief zijn kan (dat wil zeggen, stroomopwaarts georiënteerd) of negatief (d.w.z. stroomafwaarts georiënteerd) en wordt gebruikt voor verschillende activiteiten, variërend van foerageren op de minimalisering van energetische uitgaven5,6. Een groeiend lichaam van literatuur meldt bovendien dat veel vissoorten het geomagnetisch veld voor oriëntatie en navigatie7,8,9 gebruiken.
De studie van de prestaties van de rheotaxis en zwemmen in de vis is meestal uitgevoerd in stroom chambers (meetgoot), waar vis worden blootgesteld aan de stapsgewijze verhoging van de snelheid van de stroom van lage tot hoge snelheden, vaak tot uitputting (de zogenaamde kritische snelheid)10, 11. Aan de andere kant, onderzocht eerdere studies de rol van het magnetisch veld in de oriëntatie door middel van de observatie van het zwemmen-gedrag van de dieren in arenas met stilstaand water12,13. Hier beschrijven we een laboratorium-techniek waarmee onderzoekers te bestuderen het gedrag van vis tijdens het manipuleren van zowel de stroming van het water en het magnetische veld. Deze methode werd gebruikt voor de eerste keer op het scholende zebravissen (Danio rerio) in onze eerdere studie, wat leidt tot de conclusie dat de manipulatie van de omliggende magnetisch veld de rheotactic drempel (dat wil zeggen, de minimale water snelheid bepaalt welke scholende vissen stroomopwaarts orient)14. Deze methode is gebaseerd op het gebruik van een kamer van de meetgoot met trage stromen gecombineerd met een setup ontworpen om te controleren van het magnetisch veld in de meetgoot, binnen het bereik van de aarde magnetisch veld intensiteit.
Het zwemmen-tunnel gebruikt om het observeren van het gedrag van de zebravis is uiteengezet in Figuur 1. De tunnel (gemaakt van een acryl cilinder van nonreflecting met een diameter van 7 cm en 15 cm in lengte) is verbonden met een setup voor de controle van de stroom tarief14. Met deze opstelling varieert het bereik van de stroomsnelheid in de tunnel tussen 0 en 9 cm/s.
Om te manipuleren het magnetisch veld in de tunnel zwemmen, gebruiken we twee methodologische benaderingen: de eerste is eendimensionaal en de tweede is driedimensionaal. Voor elke toepassing, deze methoden manipuleren het geomagnetisch veld om te verkrijgen van specifieke magnetische omstandigheden in een bepaald volume van water — dus alle waarden van het magnetisch veld intensiteit gemeld in deze studie het geomagnetisch veld bevatten.
Wat betreft de eendimensionale aanpak15, het magnetisch veld langs de stroomrichting van de water (gedefinieerd als de x-as) wordt gemanipuleerd met behulp van een solenoïde gewikkeld rond de tunnel zwemmen. Dit is verbonden met een aggregaat, en het genereert uniforme statische magnetische velden (figuur 2A). Ook in het geval van de drie-dimensionale benadering, is het geomagnetisch veld in het volume met de tunnel zwemmen gewijzigd met spoelen van elektrische draden. De spoelen hebben echter om te controleren het magnetisch veld in drie dimensies, het ontwerp van drie orthogonale Helmholtz paren (figuur 2B). Elk paar van Helmholtz is samengesteld uit twee cirkelvormige spoelen georiënteerde langs de drie orthogonale ruimte richtingen (x, yen z) en voorzien van een drie-axiale magnetometer onder kringloopsysteem omstandigheden werken. De magnetometer werkt met veld intensiteiten vergelijkbaar met natuurlijke veld van de aarde, en het ligt vlakbij het geometrische centrum van de spoelen set (waar de tunnel zwemmen zich bevindt).
Wij voeren de technieken voor het testen van de hypothese dat de persoonlijkheidskenmerken van de vis componeren een ondiepte beïnvloeden de manier waarop die zij op magnetische velden16 reagerenhierboven beschreven. We toetsen de hypothese dat individuen met proactieve en reactieve persoonlijkheid17,18 anders reageren wanneer blootgesteld aan waterstromen en magnetische velden. Om dit te testen, sorteren we eerst met behulp van een vastgelegde methode toewijzen en groep individuen die proactief of reactief17,19,20,21zebrafish. Dan, beoordelen we het rheotactic gedrag van zebravis zwemmen in ondiepten samengesteld uit alleen reactief individuen of samengesteld uit alleen proactieve individuen in de magnetische meetgoot tank, die wij als voorbeeldgegevens presenteren.
De sorteermethode is gebaseerd op de verschillende neiging van de proactieve en reactieve individuen om te verkennen van nieuwe omgevingen21. Meer specifiek gebruiken wij een tank verdeeld in een lichte en een donkere kant17,19,20,21 (Figuur 3). Acclimatiseren aan de donkere kant. Wanneer toegang tot de zonnige kant open, proactieve individuen hebben de neiging om af te sluiten snel de donkere helft van de tank om te verkennen van de nieuwe omgeving, terwijl de reactieve vis niet de donkere tank laat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het protocol beschreven in deze studie kunnen wetenschappers te kwantificeren van complexe oriëntatie reacties van aquatische soorten als gevolg van de integratie tussen twee externe signalen (water huidige en geomagnetisch veld) en een interne factor van het dier, zoals persoonlijkheid. Het totale concept is het creëren van een experimenteel ontwerp waarmee wetenschappers om te scheiden van de individuen van verschillende persoonlijkheid en onderzoeken hun geaardheid gedrag terwijl beheersen afzonderlijk of gelijktijd…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De studie werd ondersteund door de fundamentele oprichting van het onderzoek van de faculteit Technische Natuurkunde en de faculteit biologie van de Universiteit Federico II van Napels. De auteurs bedanken Dr. Claudia Angelini (Instituut voor toegepaste Calculus, Consiglio Nazionale delle Ricerche [CNR], Italië) voor de statistische ondersteuning. De auteurs bedanken Martina Scanu en Silvia Frassinet voor hun technische hulp bij het verzamelen van de gegevens, en de departementale technici F. Cassese, G. Passeggio en R. Rocco voor hun bekwame hulp in het ontwerp en de realisatie van de experimentele opstelling. We bedanken Laura Gentile voor het helpen uitvoeren van het experiment tijdens het video ontspruiten. Wij bedanken Diana Rose Udel van de Universiteit van Miami voor het schieten van de verklaringen van de interview van Alessandro Cresci.
Materials
| 9500 G meter | FWBell | N/A | Gaussmeter, DC-10 kHz; probe resolution: 0.01 μT |
| AD5755-1 | Analog Devices | EVAL-AD5755SDZ | Quad Channel, 16-bit, Digital to Analog Converter |
| ALR3003D | ELC | 3760244880031 | DC Double Regulated power supply |
| BeagleBone Black | Beagleboard.org | N/A | Single Board Computer |
| Coil driver | Home made | N/A | Amplifier based on commercial OP (OPA544 by TI) |
| Helmholtz pairs | Home made | N/A | Coils made with standard AWG-14 wire |
| HMC588L | Honeywell | 900405 Rev E | Digital three-axis magnetometer |
| MO99-2506 | FWBell | 129966 | Single axis magnetic probe |
| Swimming apparatus | M2M Engineering Custom Scientific Equipment | N/A | Swimming apparatus composed by peristaltic pump and SMC Flow switch flowmeter with digital feedback |
| TECO 278 | TECO | N/A | Thermo-cryostat |
References
- Nathan, R., et al. A movement ecology paradigm for unifying organismal movement research. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (49), 19052-19059 (2008).
- Holyoak, M., Casagrandi, R., Nathan, R., Revilla, E., Spiegel, O. Trends and missing parts in the study of movement ecology. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (49), 19060-19065 (2008).
- Miller, N., Gerlai, R. From Schooling to Shoaling: Patterns of Collective Motion in Zebrafish (Danio rerio). PLoS ONE. 7 (11), 8-13 (2012).
- Chapman, J. W., et al. Animal orientation strategies for movement in flows. Current Biology. 21 (20), R861-R870 (2011).
- Montgomery, J. C., Baker, C. F., Carton, A. G. The lateral line can mediate rheotaxis in fish. Nature. 389 (6654), 960-963 (1997).
- Baker, C. F., Montgomery, J. C. The sensory basis of rheotaxis in the blind Mexican cave fish, Astyanax fasciatus. Journal of Comparative Physiology A: Sensory, Neural, and Behavioral Physiology. 184 (5), 519-527 (1999).
- Putman, N. F., et al. An Inherited Magnetic Map Guides Ocean Navigation in Juvenile Pacific Salmon. Current Biology. 24 (4), 446-450 (2014).
- Cresci, A., et al. Glass eels (Anguilla anguilla) have a magnetic compass linked to the tidal cycle. Science Advances. 3 (6), 1-9 (2017).
- Newton, K. C., Kajiura, S. M. Magnetic field discrimination, learning, and memory in the yellow stingray (Urobatis jamaicensis). Animal Cognition. 20 (4), 603-614 (2017).
- Langdon, S. A., Collins, A. L. Quantification of the maximal swimming performance of Australasian glass eels, Anguilla australis and Anguilla reinhardtii, using a hydraulic flume swimming chamber. New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research. 34 (4), 629-636 (2000).
- Faillettaz, R., Durand, E., Paris, C. B., Koubbi, P., Irisson, J. O. Swimming speeds of Mediterranean settlement-stage fish larvae nuance Hjort’s aberrant drift hypothesis. Limnology and Oceanography. 63 (2), 509-523 (2018).
- Takebe, A., et al. Zebrafish respond to the geomagnetic field by bimodal and group-dependent orientation. Scientific Reports. 2, 727 (2012).
- Osipova, E. A., Pavlova, V. V., Nepomnyashchikh, V. A., Krylov, V. V. Influence of magnetic field on zebrafish activity and orientation in a plus maze. Behavioural Processes. 122, 80-86 (2016).
- Cresci, A., De Rosa, R., Putman, N. F., Agnisola, C. Earth-strength magnetic field affects the rheotactic threshold of zebrafish swimming in shoals. Comparative Biochemistry and Physiology – Part A: Molecular and Integrative Physiology. 204, 169-176 (2017).
- Tesch, F. W. Influence of geomagnetism and salinity on the directional choice of eels. Helgoländer Wissenschaftliche Meeresuntersuchungen. 26 (3-4), 382-395 (1974).
- Cresci, A., et al. Zebrafish “personality” influences sensitivity to magnetic fields. Acta Ethologica. , 1-7 (2018).
- Benus, R. F., Bohus, B., Koolhaas, J. M., Van Oortmerssen, G. A. Heritable variation for aggression as a reflection of individual coping strategies. Cellular and Molecular Life Sciences. 47 (10), 1008-1019 (1991).
- Dahlbom, S. J., Backstrom, T., Lundstedt-Enkel, K., Winberg, S. Aggression and monoamines: Effects of sex and social rank in zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 228 (2), 333-338 (2012).
- Koolhaas, J. M. Coping style and immunity in animals: Making sense of individual variation. Brain, Behavior, and Immunity. 22 (5), 662-667 (2008).
- Dahlbom, S. J., Lagman, D., Lundstedt-Enkel, K., Sundström, L. F., Winberg, S. Boldness predicts social status in zebrafish (Danio rerio). PLoS ONE. 6 (8), 2-8 (2011).
- Rey, S., Boltana, S., Vargas, R., Roher, N., Mackenzie, S. Combining animal personalities with transcriptomics resolves individual variation within a wild-type zebrafish population and identifies underpinning molecular differences in brain function. Molecular Ecology. 22 (24), 6100-6115 (2013).
- Toms, C. N., Echevarria, D. J., Jouandot, D. J. A Methodological Review of Personality-related Studies in Fish: Focus on the Shy-Bold Axis of Behavior. International Journal of Comparative Psychology. 23, 1-25 (2010).
- Boujard, T., Leatherland, J. F. Circadian rhythms and feeding time in fishes. Environmental Biology of Fishes. 35 (2), 109-131 (1992).
- Plaut, I. Effects of fin size on swimming performance, swimming behaviour and routine activity of zebrafish Danio rerio. Journal of Experimental Biology. 203 (4), 813-820 (2000).
- Tierney, P., Farmer, S. M. Creative Self-Efficacy Development and Creative Performance Over Time. Journal of Applied Psychology. 96 (2), 277-293 (2011).
- Plaut, I., Gordon, M. S. swimming metabolism of wild-type and cloned zebrafish brachydanio rerio. Journal of Experimental Biology. 194 (1), (1994).
- Kalueff, A. V., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- Tudorache, C., Schaaf, M. J. M., Slabbekoorn, H. Covariation between behaviour and physiology indicators of coping style in zebrafish (Danio rerio). Journal of Endocrinology. 219 (3), 251-258 (2013).
- Uliano, E., et al. Effects of acute changes in salinity and temperature on routine metabolism and nitrogen excretion in gambusia (Gambusia affinis) and zebrafish (Danio rerio). Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 157 (3), 283-290 (2010).
- Palstra, A. P., et al. Establishing zebrafish as a novel exercise model: Swimming economy, swimming-enhanced growth and muscle growth marker gene expression. PLoS ONE. 5 (12), (2010).
- Bak-Coleman, J., Court, A., Paley, D. A., Coombs, S. The spatiotemporal dynamics of rheotactic behavior depends on flow speed and available sensory information. The Journal of Experimental Biology. 216, 4011-4024 (2013).
- Brett, J. R. The Respiratory Metabolism and Swimming Performance of Young Sockeye Salmon. Journal of the Fisheries Research Board of Canada. 21 (5), 1183-1226 (1964).
- Quintella, B. R., Mateus, C. S., Costa, J. L., Domingos, I., Almeida, P. R. Critical swimming speed of yellow- and silver-phase European eel (Anguilla anguilla, L.). Journal of Applied Ichthyology. 26 (3), 432-435 (2010).
- Spence, R., Gerlach, G., Lawrence, C., Smith, C. The behaviour and ecology of the zebrafish, Danio rerio. Biological Reviews. 83 (1), 13-34 (2008).
- Engeszer, R. E., Patterson, L. B., Rao, A. A., Parichy, D. M. Zebrafish in the Wild: A Review of Natural History and New Notes from the Field. Zebrafish. 4 (1), (2007).
- Gardiner, J. M., Atema, J. Sharks need the lateral line to locate odor sources: rheotaxis and eddy chemotaxis. Journal of Experimental Biology. 210 (11), 1925-1934 (2007).
- Thorpe, J. E., Ross, L. G., Struthers, G., Watts, W. Tracking Atlantic salmon smolts, Salmo salar L., through Loch Voil, Scotland. Journal of Fish Biology. 19 (5), 519-537 (1981).
- Bottesch, M., et al. A magnetic compass that might help coral reef fish larvae return to their natal reef. Current Biology. 26 (24), R1266-R1267 (2016).
- Boles, L. C., Lohmann, K. J. True navigation and magnetic maps in spiny lobsters. Nature. 421 (6918), 60-63 (2003).
- Dingemanse, N. J., Kazem, A. J. N., Réale, D., Wright, J. Behavioural reaction norms: animal personality meets individual plasticity. Trends in Ecology and Evolution. 25 (2), 81-89 (2010).
