Y-labyrinter gør det muligt for forskere at bestemme relevansen af specifikke stimuli, der driver dyrs adfærd, især isolerede kemiske signaler fra en række kilder. Omhyggelig design og planlægning kan give robuste data (f.eks diskrimination, grad af udforskning, talrige adfærd). Dette eksperimentelle apparat kan give stærk indsigt i adfærdsmæssige og økologiske spørgsmål.
Krybdyr udnytte en række miljømæssige signaler til at informere og drive dyrs adfærd såsom kemiske duft stier produceret af mad eller artsfæller. Dekryptering af hvirveldyrs duft-efterfølgende adfærd, især invasive arter, gør det muligt at opdage signaler, der fremkalder sonderende adfærd og kan hjælpe med udviklingen af værdifulde grundlæggende og anvendte biologiske værktøjer. Men at lokalisere adfærd overvejende drevet af kemiske signaler versus andre konkurrerende miljømæssige signaler kan være udfordrende. Y-labyrinter er almindelige værktøjer, der anvendes i dyrs adfærd forskning, der tillader kvantificering af hvirveldyr kemosensoriske adfærd på tværs af en række taxa. Ved at reducere eksterne stimuli fjerner Y-labyrinter forvirrende faktorer og præsenterer fokusdyr med et binært valg. I vores Y-labyrint undersøgelser, er en duftende dyr begrænset til den ene arm af labyrinten til at forlade en duft spor og fjernes, når duft-om parametre er blevet opfyldt. Derefter, afhængigt af forsøgstypen, er enten fokusdyret tilladt i labyrinten, eller der oprettes et konkurrerende duftspor. Resultatet er en registrering af fokusdyrets valg og adfærd, mens det diskriminerer mellem de præsenterede kemiske signaler. Her beskrives to Y-labyrintapparater, der er skræddersyet til forskellige invasive krybdyrarter: argentinske sorte og hvide tegu firben (Salvator merianae) og burmesiske pythoner (Pythonbivittatus), der skitserer driften og rengøringen af disse Y-labyrinter. Desuden er de mange forskellige producerede data, eksperimentelle ulemper og løsninger og foreslåede dataanalyserammer blevet opsummeret.
Y-labyrinter er almindelige, enkle værktøjer i undersøgelser af dyrs adfærd, der giver mulighed for en række spørgsmål, der skal løses. Ud over at være meget udbredt i laboratorieundersøgelser, Y-labyrinter er også funktionelt kompatible med forskellige feltmiljøer til at studere vilde dyr i relativt fjerntliggende omgivelser. Forskere har undersøgt adfærd vilde hvirveldyr ved hjælp af Y-labyrinter i en bred vifte af taxa på tværs af tilsvarende forskellige felt applikationer (f.eks lampreys1;cichlid fisk2; gift frøer3; lacertid firben4; strømpebånd slanger5).
Mange forskere er fokuseret på, hvordan og i hvilken grad kemiske signaler drive dyrs adfærd i reproduktive, rumlige, og fouragering økologi6. En række kemiske stimuli kan testes i Y-labyrinter og i fine skalaer, såsom to kemiske stier, der kun adskiller sig lidt i koncentration7, eller detektionsevne baseret på målartens reproduktionsstatus8. Kemiske stier – den vigtigste stimulus, der anvendes i Y-labyrinttest – kan naturligt skabes af artsspecifikke eller specifikt placeres i miljøet af en forsker ved hjælp af en defineret kemisk kilde1,5. Stimuli kan også testes i unikke kombinationer for at bestemme multimodal indflydelse af signaler såsom skiftende sammenhænge cue præsentation (luftbårne vs substrat stier9; visuelle plus kemiske signaler10). Selv om der er mange andre metoder til vurdering af kemosensoriske reaktioner hos krybdyr (se diskussionsafsnittet), giver Y-labyrinter mulighed for at søge adfærd (r) skal vurderes og ved flere tidsmæssige og rumlige skalaer, hvilket kan føre til større niveauer af adfærdsmæssige slutninger.
Krybdyr er blevet bredt testet for deres afhængighed af kemiske signaler i reproduktiv og fouragering økologi, og forskere ofte beskæftiger Y-labyrinter i disse undersøgelser11,12. Den kemiske økologi af krybdyr fortsætter med at blive dechifreret af undersøgelser, der beskæftiger Y-labyrinter til at løse en række evolutionære og adfærdsmæssige spørgsmål, der er værdifulde for dyrelivet ledere. For eksempel har nylige tests med invasive slange- og firbenarter afsløret, at kemiske signaler alene kan påvirke valg og tidsfordeling inden for det nye miljø i en Y-labyrint13,14,15.
Brugen af store Y-labyrinter til moderat mellemstore fokale dyr (f.eks. store krybdyr) er generelt begrænset til laboratoriemiljøer, hvor fokale dyr let kan anbringes på lang sigt, eksperimentelle faktorer (f.eks. klima, lys, eksterne stimuli) kan kontrolleres, og adgangen til infrastruktur (f.eks. strøm, rindende vand) er ubegrænset. Undersøgelser af vilde dyr er imidlertid ofte begrænset til specifikke steder af forskellige årsager (f.eks. logistik, tilladelser). Som følge heraf opstår der udfordringer, der skal løses gennem kreativ problemløsning og metodologiske justeringer for at opretholde ensartede og sammenlignelige resultater.
Her er to eksperimentelle opsætninger blevet beskrevet ved hjælp af Y-labyrinter og fjernovervågningsværktøjer til at vurdere reproduktiv kemisk økologi af invasive squamate krybdyr (dvs. slanger og firben) i forskellige feltscenarier: vildfangede, fangenskab argentinske sorte og hvide tegu firben (Salvator merianae) i Gainesville, FL og vildtfangede burmesiske pythoner (Python bivittatus) i Everglades National Park, FL. Som antydet af dets navn skaber Y-labyrintapparatet et eksperimentelt miljø, hvor et dyr kommer ind i en hovedpassage (bunden af Y; “base”), som derefter fører til to forskellige passager (Y’s arme; “våben”). I disse forsøg anvendes to typer dyr til et enkelt forsøg: duftlæggende dyr (giver stimulusduften i et begrænset område af labyrinten) og fokale dyr (data indsamles på dette dyr, når det udforsker duftsporet).
Som forsøgsapparat i kemokologiske undersøgelser skal enhver Y-labyrint konstrueres på en måde, der gør det let at fjerne dyret inden for og kan dissembled til grundig rengøring og nulstilling. Der diskuteres også de begrænsninger, der er forbundet med disse forskellige testmiljøer (f.eks. daglige vs. natdyr, infrastrukturforskelle), som førte til metodologiske justeringer. Selvom fokus var på tegu firben og burmesiske pythoner, kan disse designs anvendes på en bred vifte af reptilarter. I denne forskning om invasive krybdyr, Y-labyrinter gavner hastigheden og omfanget af inferens, fordi de muliggør hurtig indsamling af data til at informere ledelsen mål, skift i takt med invasionen trussel fra en given art. Især er undersøgelse af kemoøkologi af invasive arter afgørende for udviklingen af effektive kemiske kontrolværktøjer.
Forskelsbehandling er den vigtigste observation fra empiriske forsøg med Y-labyrinter, hvor et fokusdyr vælger mellem to stimuli, og at beslutningsprocessen vurderes. Et skår af adfærd kan også scores i Y-labyrint forsøg under selve retssagen (live) eller efter retssagen (video) for at udvide inferential magt. Kompleksiteten af a priori-målene for en given undersøgelse dikterer, om live observation eller arkiverede optagelser passer bedst til designet. Her er Y-labyrintmetoder blevet beskrevet i detaljer for at løse kemoøkologiske spørgsmål for at informere fremtidige undersøgelser af forskere, der er interesseret i lignende spørgsmål om reptiladfærd, især i kemisk økologi.
Mens Y-labyrinter er meget kraftfulde værktøjer til at undersøge kemisk økologi hos krybdyr, kan deres begrænsede design udelukke andre undersøgelsesmuligheder. Der findes dog en mangfoldighed af andre muligheder11,12,20,21,22. For eksempel er tunge-flick assays enklere at udføre og tillade samtidig vurdering af adfærd udstillet til en række kemiske stimuli i forhold til kontrol lugt23,24,25,26. Open-field tests er en anden mulighed, hvor et fokalt dyr frit udforsker et kabinet, indtil det støder på en kilde til kemiske signaler, og dets adfærdsmæssige reaktioner efterfølgende scores27,28. Kombinationer af disse tilgange kan vurdere krybdyrs diskriminerende kapacitet i forskellige sammenhænge , såsom at præsentere en blanding af kunstige og naturlige lugte sammen med refugia29. Y-labyrinter kan også ændres for at udsætte dyr for luftbårne kemiske signaler alene eller i kombination med substratbårne signaler16,30, og post hoc-inferens kan bruges til at redesigne dataindsamling, hvis arkiverede videodata er tilgængelige31. Bioassays bør udformes med henblik på at forenkle dataindsamlingen og minimere modstridende stimuli, især når en bestemt kilde til signaler vurderes (f.eks. kemiske signaler21).
Forskere i dyrs adfærd observerer og kvantificerer ofte fokale dyrs reaktioner i nye, kunstige miljøer (f.eks. en lukket labyrint med et funktionsløst landskab), og man bør sørge for at vurdere, om et givet dyr udviser naturlig, sonderende adfærd versus undgåelse, agitation eller lignende nødlidende adfærd. Nødlidende dyreadfærd i eksperimentelle apparater tilskrives primært neofobi: frygt for nyhed32. Et eksempel er flugtadfærd, hvor fokaldyret skubber mod leddene eller apparatets kanter for at opnå udgang. Et andet eksempel er generthed, hvor fokusdyret demonstrerer modvilje mod at komme ind i labyrinten, hvis grad kan kvantificeres ved latenstid for labyrintindgang. Apparat (gen)design kan lette det fokale dyrs engagement for at undgå disse forvirrende virkninger af nød. Den mest almindelige fremgangsmåde er gentagen indførelse af fokale dyr i apparatet for at fjerne miljøets nyhed, inden testen påbegyndes, og nutidige statistiske modeller (f.eks. generaliserede lineære blandede modeller) gør det muligt at bruge forsøgsdyr i flere forsøg. En vigtig sidebemærkning, der er relevant for økologiske overvejelser i adfærdstest, er, at reduceret neofobi er forbundet med succesen af invasive arter33. Afhængigt af den pågældende arts forudgående kendskab kan neofobi således have variabel betydning som en eksperimentel designformåling.
Erhvervelse af adfærdsmæssige data fra videoer pålægger flere begrænsninger, der bliver store flaskehalse i eksperimentelle tidslinjer. For eksempel kan længden af et givet forsøg eksponentielt øge dataudtrækstiden. En løsning er kun at analysere adfærd, indtil en tærskel er opfyldt (f.eks. den samlede aktive tid). Tærsklen kan være baseret på den længste video, der er tilgængelig for en given prøveperiode. Alternativt kan der udvikles maskinbaseret observation (f.eks. kunstig intelligens), selv om dette er tidskrævende og ressourcekrævende med en betydelig indsats, der kræves for kvalitetskontrol. Et andet problem er datastyring: Videoer skal være af tilstrækkelig kvalitet til at muliggøre adfærdsmæssig scoring og vurdering, hvilket resulterer i datalagringsbegrænsninger. Mens skylagring nu er tilgængelig, er upload/ download-satser ofte problematiske, især når dataopsamling finder sted på fjerntliggende feltplaceringer. Yderligere udfordringer manifesterer sig i begrænsningerne ved optagelsesværktøjer, der påvirker integriteten af adfærdsmæssig observation. Klar visning af fokal dyrs adfærd er altid nødvendig, men synligheden hæmmes ofte af ukontrollable faktorer (f.eks. fugt, insekter, vindbevægelse). Når optagelser kommer fra et enkelt perspektiv (f.eks. fugleperspektiv), er adfærd, der forekommer i det lodrette plan (f.eks. hovedhævninger14), desuden vanskelige at vurdere. En løsning er at give flere kameravinkler pr. prøveperiode. Endelig påvirker tidspunktet på dagen betydeligt adfærdsregistreringen. Adfærdsanalyse om natten kræver et kamera med en nattilstand og minimal lysprojektion for at undgå obstruktiv blænding på Y-labyrintoverfladen eller tiltrækning af insekter, der kan afbryde kamerafeedet. I betragtning af ovenstående kan forudviden om forsøgsstedet eller artsbiologien oplyse, hvilke begrænsninger der kan opstå med hvilken hyppighed og dermed informere om ønskelige stikprøvestørrelser.
Adfærd er tæt forbundet med fysiologi, og nytten af Y-labyrinter til evaluering af adfærdsmæssig endokrinologi i en række arter er blevet påvist. Dette papir understreger dog en vis variation i udførelsen af disse eksperimenter afhængigt af målarten, forskningsspørgsmål og tilgængelige ressourcer. Derfor bør udvælgelsen af materialer og dimensioner for hver testopsætning overvejes nøje med henblik på potentiel efterfølgende forskningsudvidelse. Afsnit 2 beskriver ændringer af materialer, der er skitseret i afsnit 1, som blev indarbejdet for at imødekomme fremtidige, mere komplekse adfærdsmæssige forsøg med tegus. Den øgede lodrette dybde af Everglades labyrinter vil gøre det muligt at besvare nye spørgsmål om kemisk økologi i vildfanget tegus uden unødigt langvarig projektdesign og opsætning, hvilket yderligere demonstrerer muligheden for at oversætte dette eksperimentelle apparat.
Når du anvender de ovenfor beskrevne teknikker i en relativt fjern indstilling (se afsnit 2), er der flere begrænsende faktorer, der skal overvejes, og projektplanlægning er altafgørende. Afhængigt af den statistiske effekt, der er nødvendig for det foreskrevne behandlingseksperiment og den biologiske timing af målarten (f.eks. sæsonudsving), vil de nødvendige ressourcer og arbejdskraft blive påvirket. Hvis man ønsker enkelt- eller gentagen brug af fokale dyr, er det desuden nødvendigt at være meget opmærksom på at reducere potentielle stressorer. Hver af disse faktorer vil enten udvide projektets tidslinje eller kræve øget arbejdskraft, plads og materialer. For eksempel præsenterer afsnit 2 brugen af vildfangede mandlige pythoner som fokale dyr, der følger en anden gruppe af vildfangede og hormonelt manipulerede mænd, som alle kræver ca. 24 timers stille akklimatiseringstid i holdekasser for at minimere stresseffekter. Selvom disse akklimatiseringsperioder forlængede prøvetiderne til over to dage, påvirker stress på grund af fangenskab og håndtering vilde dyrs adfærd og skal minimeres for at generere rene datasæt34,35.
Sammenfattende er Y-labyrinter kraftfulde, tilpasningsdygtige værktøjer, der kan bruges til at undersøge den kemiske økologi af forskellige dyreliv under meget varierende forhold, forudsat at der er årvågne a priori planlægning. Der skal tages nøje hensyn til, hvordan man vælger passende spørgsmål og udformer forsøgsopsætningen korrekt for givne taxaer og betingelser. Forskere og ledere kan drage stor fordel af at bruge Y-labyrinter til bedre at forstå dyrs kemosensoriske biologi, da disse værktøjer muliggør fleksible eksperimentelle design, der giver store mængder af fine skala adfærdsmæssige data, især når de kombineres med fjernovervågningsværktøjer.
The authors have nothing to disclose.
Udviklingen af den første Y-labyrint blev understøttet af samarbejdsaftaler (15-7412-1155-CA, 16-7412-1269-CA, og 17-7412-1318-CA) mellem James Madison University (JMU) og USDA Animal and Plant Health Inspection Service. Udviklingen af Y-labyrinten i Everglades National Park blev finansieret af en samarbejdsaftale (P18AC00760) mellem JMU og National Park Service. Vi takker T. Dean og B. Falk for deres facilitering af dette projekt i Everglades NP og bistand med tilladelser og finansiering. Vi takker W. Kellow for hjælp i opførelsen af USGS Y-labyrinten. C. Romagosa, L. Bonewell og R. Reed ydede administrativ og logistisk støtte. Vi takker de to anonyme korrekturlæsere, der tilbød nyttig feedback. Finansiering af Everglades arbejde og i naturalier støtte blev leveret af US Geological Survey (USGS) Greater Everglades Priority Ecosystem Science Program, National Park Service (P18PG00352), og USGS Invasive Species Program. Enhver brug af handels-, firma- eller produktnavne er kun til beskrivende formål og indebærer ikke godkendelse fra den amerikanske regering. Resultaterne og konklusionerne i denne publikation er ikke blevet formelt formidlet af det amerikanske landbrugsministerium og bør ikke fortolkes som en repræsentant for USDA’s beslutsomhed eller politik.
1" Steel zinc-plated corner brace | Everbilt, The Home Depot | 13619 | See Supplemental File 1, Step 2.1 "90 degree 2.5 cm steel corner brace" |
121.92cm W x 304.8cm L x 1.27cm H white polypropylene Extended Range High-Heat UHMW Sheet | TIVAR | UHMNV SH | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1. "white polpropylene") |
182.88 cm L x 81.28 cm W x 0.64 cm Thick Clear Acrylic Sheet | Plexiglass | 32032550912090 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1.6. "Acrylic pieces") |
2.54 cm W x 2.54 cm H x 243.84 cm L Mill-Finished Aluminum Solid Angle | Steelworks | 11354 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1.1. "aluminum angle bracket") |
4.5 kg spool of 5 mm Round Polypropylene Welding Rods | HotAirTools | AS-PP5N10 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1. "heat weld") |
5 mm Plain Aluminum Rivets | Arrow | RLA3/16IP | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1.1. "rivet") |
Aluminum angle, 1.9 cm | Everbilt, The Home Depot | 802527 | See Supplemental File 1, Step 1.2 "aluminum angle (1.9 cm x 1.9 cm x 0.16 cm thick)" |
Aluminum angle, 2.5 cm | Everbilt, The Home Depot | 800057 | See Supplemental File 1, Steps 1.2 and 2.2.2 "aluminum angle (2.5 cm x 2.5 cm x 0.16 cm thick)" |
Aluminum angle, 3.2 cm | Everbilt, The Home Depot | 800037 | See Supplemental File 1, Step 1.2 "aluminum angle (3.2 cm x 3.2 cm x 0.16 cm thick)" |
Aluminum flat bar 1" x 1/8" thick | Everbilt, The Home Depot | 801927 | See Supplemental File 1, Step 3.2.1 "aluminum strap" |
Avigilon 2.0 MP camera | Avigilon, a Motorola Solutions Company | 2.0C-H4SL-BO1-IR | See "1.5 Camera set-up and video acquisition" (step 1.5.1 "Avigilon 2.0 MP") |
Avigilon NVR | Avigilon, a Motorola Solutions Company | HD-NVR3-VAL-6TB-NA | See "1.5 Camera set-up and video acquisition" (step 1.5.3 "NVR") |
Clear acrylic sheet (5.6 mm thick) | United States Plastic Corp. | 44363 | See Supplemental File 1, Step 1.3 "clear acrylic sheet" and step 3.2.1 "clear acrylic door" |
Fillet Weld Nozzle 3/16" x 15/32" / 4.5 x 12 mm | TRIAC | 107.139 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1. "heat weld") |
Hanging File Folder Box | Sterilite | 18689004 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.2.1. "Boxes") |
HardiePanel HZ10 | James Hardie Building Products | 9000525 | See Supplemental File 1, Step 1.1 "fiber cement siding" |
Heat Welding Gun | TRIAC | 141.227 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1. "heat weld") |
Kraft Butcher Paper Roll, 24" | Bryco Goods | 24 inch x 175 FT | See "1.2 Protocol for running scent-laying tegus" (step 1.2.1.2 "butcher paper") |
Kraft Butcher Paper Roll, 46 cm wide | Bryco Goods | BGKW2100 | See "2.3. Protocol for running scent-laying pythons" (step 2.3.4. "scenting paper") |
Micro-90 Concentrated Cleaning Solution | International Products Corporation | M-9050-12 | See "1.4 Breakdown and clean-up" (step 1.4.4 "laboratory-grade soap") |
MKV ToolNix – Matroska tools for linux/Unix and Windows | Moritz Bunkus | v.48.0.0 | See "2.2. Camera setup and video acquisition" (step 2.2.4.2. "movie processing software") |
Network Camera | Axis Communications | M3104-LVE | See "2.2. Camera setup and video acquisition" (step 2.2.1. "Project camera") |
Palight ProjectPVC 1/4" | Palram | 159841 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.2.3. "faceplate") |
Palight ProjectPVC 1/8" | Palram | 156249 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.2.1. "door") |
Privacy windscreen (green) | MacGregor | Size to fit | See Supplemental File 1, Step 4.2 "green heavy duty shade cloth" |
Protective Glove, Full-Finger | ArmOR Hand | HS1010-RGXL | See "2.3. Protocol for running scent-laying pythons" (step 2.3.11.2. NOTE: "puncture-resistant glove") |
REScue Disinfectant | Virox Animal Health | 44176 | See "1.5. Breakdown and clean-up." (step 1.5.4. NOTE "sanitation solution") |
Reversable PVC trim, 1/2" x 24" | UFP Industries, Veranda products | H120XWS17 | See Supplemental File 1, Step 2.1 "PVC board partition", and step 3.2.1 "thinner PVC trim boards" |
S4S / Veranda HP TRIM | UFP Industries, Veranda products | H190OWS4 | See Supplemental File 1, Steps 1.2, 2.2.2, and 2.2.3 "PVC board" |
S4S / Veranda HP TRIM (1" x 8" Nominal) | UFP Industries, Veranda products | 827000005 | See Supplemental File 1, Steps 3.2.1 "PVC trim board" |
ScotchBlue 24 in. Pre-taped Painter’s Plastic | 3M | PTD2093EL-24-S | See "1.2 Protocol for running scent-laying tegus" (step 1.2.1.3 "plastic sheeting") |
Sterilite 114 L tote box | Sterilite Company | 1919, Steel | See Supplemental File 1, Step 3.2 "arm box" |
Sterilite 189 L tote box | Sterilite Company | 1849, Titanium | See Supplemental File 1, Step 3.2 "Base box" |
Super Max Canopy | ShelterLogic | 25773 | See Supplemental File 1, Step 4.3 "white canopy" |
VLC Media Player | VideoLAN | v.3.0.11 | See "2.2. Camera setup and video acquisition" (step 2.2.4.3. "media file reviewing program") |
White Pavilion Tent | King Canopy | BJ2PC | See Supplimental File 2 "3. Enclosure materials and consideratons" (step 3. "pavilion tent") |