הערכת השפעתה של האישיות על רגישות לשדות מגנטיים ב דג זברה
Summary
אנו מתארים פרוטוקול התנהגותי תוכנן להעריך כמה האישים של דג זברה להשפיע על תגובתם למים וזרמים שדות מגנטיים חלשים. דגים עם האישיות באותו מופרדים בהתבסס על התנהגותם לקטעים. לאחר מכן, התנהגותם כיוון rheotactic בתוך מנהרה שחייה עם קצב זרימה נמוכה ובתנאים שונים מגנטי הוא ציין.
Abstract
כדי להציב את עצמם בסביבתם, חיות לשלב מגוון רחב של סימנים חיצוניים, אשר אינטראקציה עם מספר גורמים פנימיים, כגון אישיות. כאן, אנו מתארים את פרוטוקול התנהגותי המיועד לחקר השפעת אישיות דג זברה על תגובתם התמצאות מספר רמזים סביבתיים חיצוניים, במיוחד זרמי המים ושדות מגנטיים. פרוטוקול זה שואפת להבין אם מקדימים או דג זברה תגובתי להציג ספי rheotactic שונים (קרי, מהירות הזרימה שבו הדגים לשחות נגד הזרם) כאשר השדה המגנטי שמסביב משנה את כיוונו. כדי לזהות דג זברה עם האישיות, דגים הם הציגו בחושך חצי טנק מחובר עם פתח צר בחצי בהיר. רק דגים פרואקטיבית לחקור את הרומן, סביבה מוארת. דגים תגובתי אל תצא החצי האפל של הטנק. מנהרה שחייה עם זרם נמוך המחירים משמש כדי לקבוע את סף rheotactic. אנו מתארים שני כיוונוני לשלוט השדה המגנטי במנהרה, בטווח של עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ: זה ששולט השדה המגנטי לאורך כיוון הזרימה (ממד אחד) ואחד המאפשר פקד שלוש-צירית של השדה המגנטי. דגים הם שצולמו בעת חווה עלייה stepwise של מהירות זרימת במנהרה מתחת שדות מגנטיים שונים. נתונים על ההתנהגות התמצאות הנאסף באמצעות הליך מעקב וידאו ומוחלים מודל לוגיסטי כדי לאפשר קביעת הסף rheotactic. . מדווחים שנאספו shoaling דג זברה נציג תוצאות. באופן ספציפי, אלה מדגימים כי רק תגובתית, שקולה דגים להראות וריאציות על הסף rheotactic כאשר שדה מגנטי משתנה לכיוון שלה, ואילו דגים פרואקטיבית אינם מגיבים לשינויים בשדה המגנטי. מתודולוגיה זו ניתן ליישם את המחקר של רגישות מגנטי והתנהגות rheotactic של מינים ימיים רבים, הן הצגה בצינוק או shoaling שחייה אסטרטגיות.
Introduction
במחקר הנוכחי, אנו מתארים פרוטוקול התנהגותי מבוסס מעבדה אשר היקף חוקרים את התפקיד של דגים אישיות על התגובה כיוון של shoaling דגים כדי רמזים התמצאות חיצוניים, כגון זרמי המים, שדות מגנטיים.
ההחלטות orienting של בעלי החיים הם תוצאה של שקילה שונים מידע חושי. תהליך קבלת ההחלטות מושפע על ידי היכולת של החיה כדי לנווט (למשל, היכולת לבחור ולשמור על כיוון), מצבו הפנימי (למשל, צרכי האכלה או הרבייה), את יכולתו להעביר (למשל, מכניקה ומכניקה), וכמה נוספים גורמים חיצוניים (למשל, זמן של יום, האינטראקציה עם בני מינו)1.
התפקיד של מצב פנימי או בעלי אישיות בהתנהגות התמצאות בדרך כלל מובן או לא בחנו2. אתגרים נוספים להיווצר במחקר על הכיוון של מינים ימיים חברתית, אשר לעיתים קרובות לבצע מתואמת מקוטב קבוצה תנועה התנהגות3.
זרמי המים לשחק תפקיד מרכזי בתהליך התמצאות של דגים. דגים אוריינט למים זרמי באמצעות התגובה unconditioned שנקרא rheotaxis4, אשר יכול להיות חיובי (כלומר, במעלה הנהר בכיוון) או שלילי (כלומר במורד הנהר בכיוון), משמש עבור מספר פעילויות, החל שיחור מזון כדי צמצום ההוצאה האנרגטית5,6. יתר על כן, גוף גדל והולך של הספרות מדווח כי מינים רבים של דגים להשתמש בשדה גאומגנטית התמצאות וניווט7,8,9.
חקר ביצועים rheotaxis ושחייה ב הדג מתבצע בדרך כלל תוך זרימה צ’יימברס (לבריכה), שבו דגים נחשפים העלייה stepwise של מהירות זרימה, מ נמוך במהירויות גבוהות, לעתים קרובות עד תשישות (נקרא מהירות קריטית)10, 11. מצד שני, מחקרים קודמים חקר את התפקיד של השדה המגנטי בכיוון דרך התבוננות ההתנהגות שחייה של החיות בזירות עם המים עדיין12,13. כאן, אנו מתארים טכניקה מעבדה המאפשרת החוקרים ללמוד את אופן הפעולה של דגים זמן מניפולציה של זרמי המים והן השדה המגנטי. שיטה זו היה מנוצל בפעם הראשונה על shoaling דג זברה (רזבורה rerio) במחקר הקודם שלנו, מובילים למסקנה כי המניפולציה של השדה המגנטי שמסביב קובע את סף rheotactic (קרי, את המים המינימליים המהירות shoaling איזה דגים אוריינט במעלה הזרם)14. שיטה זו מבוססת על השימוש תא לבריכה עם זורם לאט בשילוב עם מלכודת שנועד לשלוט השדה המגנטי בתעלת, בטווח של עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ.
המנהרה שחייה מנוצל כדי לצפות את ההתנהגות של דג זברה המותווה באיור1. המנהרה (עשוי של צילינדר אקריליק nonreflecting בקוטר 7 ס מ ו- 15 ס מ אורך) מחובר מלכודת עבור הפקד קצב הזרימה14. במבנה הזה, טווח המחירים זרימה בתוך המנהרה משתנה בין 0 ל- 9 ס”מ/s.
לתמרן השדה המגנטי במנהרה שחייה, נשתמש שתי גישות מתודולוגיות: הראשון הוא חד-ממדי, השני הוא תלת-ממדי. עבור כל יישום, שיטות אלה לתפעל את השדה גאומגנטית כדי להשיג תנאים מגנטי מסוימים בנפח מוגדר של מים – לכן, כל הערכים של עוצמת השדה המגנטי דיווח במחקר זה לכלול את השדה גאומגנטית.
בנוגע מימדי להתקרב15, השדה המגנטי מטופל לאורך כיוון זרימת המים (כהגדרתו של ציר ה-x) באמצעות ברז חשמלי העוטפת את המנהרה שחייה. זה קשור יחידת כוח, זה יוצר שדה מגנטי סטטי אחיד (איור 2 א). בדומה לכך, במקרה של הגישה תלת מימדי, השדה גאומגנטית באמצעי האחסון שמכיל את המנהרה שחייה משתנה באמצעות סלילי חוטי חשמל. אולם, כדי לקבוע את השדה המגנטי בשלושה ממדים, הגלילים יש את העיצוב של שלושה זוגות של הלמהולץ אורתוגונלית (איור 2B). כל זוג הלמהולץ הוא מורכב שני סלילי מעגלית בכיוון לאורך שטח אורתוגונלית משלושה כיוונים (x, yו- z), מצוידים מגנטומטר שלוש-צירית לעבוד בתנאים לולאה סגורה. מגנטומטר עובדת עם עוצמות השדה דומה עם שדה הטבעי של כדור הארץ, הוא ממוקם קרוב למרכז גיאומטרי של ערכת סלילי (היכן המנהרה שחייה ממוקם).
אנו מיישמים את הטכניקות המתוארות לעיל כדי לבדוק את ההשערה כי התכונות האישיות של הדג להלחין רב להשפיע על הדרך שבה שהם מגיבים שדות מגנטיים16. נוכל לבדוק את ההשערה כי אנשים עם מרכיבי האישיות17,18 להגיב באופן שונה כאשר הם נחשפים זורמים מים, שדות מגנטיים. כדי לבדוק את זה, אנחנו למיין תחילה דג זברה באמצעות מתודולוגיה הוקמה כדי להקצות ויחידים קבוצה אשר הם מקדימים או תגובתי17,19,20,21. . אז, אנחנו להעריך את ההתנהגות rheotactic של דג זברה שוחים להקות מורכב רק תגובתי יחידים או מורכב רק פרואקטיבית יחידים במיכל לבריכה מגנטי, אשר אנו מציגים כנתונים לדוגמה.
בשיטת המיון מבוססת על הנטייה שונים של אנשים מרכיבי לחקור סביבות הרומן21. באופן ספציפי, אנו משתמשים טנק מחולקת בהיר של הצד האפל17,19,20,21 (איור 3). בעלי חיים הם שאמבטיה לצד האפל. בעת גישה אל הצד החיובי הוא פתוח, יוזם אנשים נוטים לצאת במהירות החצי האפל של הטנק כדי לחקור את הסביבה החדשה, ואילו הדג תגובתי אל תשאירו את הטנק כהה.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול המתוארים במחקר זה מאפשר למדענים לכמת התמצאות מורכבים תגובות של מינים ימיים הנובע השילוב בין שני רמזים חיצוניים (המים הנוכחי, גאומגנטית שדה) גורם פנימי אחד של החיה, כגון האישיות. הרעיון הכללי הוא ליצור עיצוב ניסיוני המאפשר מדענים להפריד בין אנשים שונים באישיות ולחקור את התנהגותם ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחקר נתמך על ידי הקמתה מחקר בסיסי מהפקולטה לפיזיקה, המחלקה לביולוגיה של אוניברסיטת נאפולי פדריקו השני. המחברים מודים ד ר קלאודיה אנג’ליני (מכון של החלת חשבון אינפיניטסימלי, קונסיגליו Nazionale delle Ricerche [CNR], איטליה) על התמיכה סטטיסטי. המחברים מודים מרטינה Scanu, סילביה Frassinet על שלהם עזרה טכנית עם איסוף הנתונים, טכנאים מחלקתיים פ Cassese, Passeggio ג ו ר רוקו לסיוע מיומן שלהם עיצוב של הגשמת הגדרת הניסוי. אנו מודים לורה גוי שעזרת. עורכים את הניסוי בזמן הירי וידאו. אנו מודים דיאנה רוז אודל מ אוניברסיטת מיאמי לירי הראיון הצהרות של אלסנדרו 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).
