Summary

Mesure non invasive en continu des activités cardiaques et comportementales d’écrevisses

Published: February 06, 2019
doi:

Summary

Cet article présente un système de biosurveillance non invasive pour l’enregistrement continu et analyses des activités cardiaques et locomotrice des écrevisses. Ce système se compose d’un capteur optique infrarouge proche, un module de suivi vidéo et logiciel d’évaluation des pulsations d’écrevisses qui reflète son état physiologique et caractérise le comportement de l’écrevisse pendant des fluctuations du rythme cardiaque.

Abstract

L’écrevisse est un organisme aquatique pivot qui sert tant qu’un modèle biologique pratique pour des études comportementales et physiologiques des invertébrés et utile indicateur biologique de qualité de l’eau. Même si les écrevisses ne peuvent pas spécifier directement les substances qui causent la détérioration de la qualité l’eau, ils peuvent immédiatement (dans les quelques secondes) avertissent humains de la détérioration de la qualité l’eau via les changements aigus dans leurs activités cardiaques et comportementales.

Dans cette étude, nous présentons une méthode non invasive qui est assez simple à mettre en œuvre dans des conditions différentes en raison d’une combinaison de simplicité et de fiabilité dans un seul modèle.

Cette approche, dans laquelle les organismes biologiques sont mises en œuvre dans les processus d’évaluation environnementale, fournit une alarme fiable et opportune pour l’alerte et prévenir la détérioration aiguë de l’eau dans un environnement ambiant. Par conséquent, ce système non invasif issu des écrevisses physiologiques et enregistrements éthologiques paramètre a été étudié pour la détection des changements dans un environnement aquatique. Ce système est maintenant appliqué dans une brasserie locale pour le contrôle qualité de l’eau utilisée pour la production de boissons, mais il peut être utilisé à tout traitement de l’eau et la facilité d’approvisionnement pour l’évaluation de la qualité continue et en temps réel de l’eau et pour le laboratoire régulier études du comportement et la physiologie cardiaque écrevisses.

Introduction

L’objet de demandes d’organismes aquatiques, comme les organismes modèles pour divers laboratoire enquêtes1,2 et comme outils de surveillance des eaux industrielles et naturelles/environnement qualité3,4 , semble être bien étudiée. Néanmoins, ce sujet est toujours d’intérêt remarquable pour les humains, qu’ils appartiennent à la communauté scientifique ou à d’autres métiers. En dépit de l’existence d’un certain nombre de méthodes de pointe pour la surveillance de certains paramètres (ce que l’on appelle « biomarqueurs »)5,6,7,8, les exigences les plus importantes pour choisir un voyant se composent de trois éléments simples : simplicité (i), (ii) fiabilité et disponibilité (iii) générale.

Écrevisses, comme un représentant essentiel de la faune d’eau douce, se distingue parce qu’il se trouve dans le monde entier, est très répandue et, dans la plupart des cas9a une carapace suffisamment gros et dure adaptée pour la manipulation. Ce crustacé appartient au groupe des invertébrés supérieurs qui fournissent un développement suffisant des systèmes physiologiques vitaux et organes respectifs tandis que, dans le même temps, maintenir une organisation relativement simple10.

Méthodes basées sur l’évaluation de l’éventail des paramètres biologiques et comportementales des écrevisses comme décrit dans la littérature scientifique, ont grandement contribué à l’élaboration des études de biosurveillance et écrevisses en général. La plupart des méthodes invasives actuellement disponibles pour les mesures de la fréquence cardiaque d’écrevisses est basée sur les enregistrements ECG nécessitant une intervention chirurgicale complexe et précis11,12,13; ces manipulations peuvent provoquer un stress important à et peuvent nécessiter l’adaptation prolongée par l’écrevisse. En outre, on ne sait pas comment long une écrevisse peut transporter ces électrodes et si il va muer avec succès tout en menant une telle fixation. Les méthodes non invasives décrites reposent sur des enregistrements pléthysmographique, qui sont compliquées par la complexité matérielle et exige un circuit de conditionnement de signal filtrage14 et une amplification ou composants optiques précis et chers15 ,,16.

Dans cette étude, nous avons décrit une approche qui contribue aux résultats existants et offre de nouvelles alternatives pour améliorer les procédures actuelles de mesure de fréquence cardiaque écrevisses. Parmi les avantages, il y a (i) une fixation rapide et non invasive qui ne nécessite pas une adaptation physiologique prolongée ; II capacité des écrevisses pour transporter le capteur dans un délai de quelques mois de mue à la mue ; (iii) le logiciel capable de surveiller en temps réel cardiaque et activités comportementales et l’évaluation des données obtenues simultanément par plusieurs écrevisse ; (iv) une fabrication faible prix et simplicité. Le système de biosurveillance qui nous décrivent permet la non invasive et continue la surveillance des activités cardiaques et locomotrice écrevisses, basées sur les changements dans les caractéristiques etho-physiologiques des écrevisses. Ce système peut facilement être appliqué dans les examens de laboratoire de la physiologie cardiaque écrevisses et/ou l’éthologie, en plus des implémentations industrielles pour le contrôle qualité de l’eau dans les installations de traitement et d’approvisionnement en eau.

Protocol

1. sélection d’écrevisses Afin d’appliquer avec succès l’approche actuelle d’écrevisses, sélectionner les spécimens adultes respectifs avec des tailles de carapace suffisante (ce qui est d’une longueur de la carapace d’au moins 30 mm) pour la fixation de la sonde, visuellement l’examiner pour l’absence de maladies et vérifier Si elle lève les deux pinces quand il est touché. Les paramètres mentionnés ci-dessus indiquent un État admissible de la santé de l’écrevisse.Re…

Representative Results

En conséquence, nous avons obtenu une combinaison d’écrevisses activités cardiaques et comportementales, enregistré et sauvegardé dans un fichier au format txt (Figure 3). Outre le nombre d’écrevisses expérimentales, la date et la fréquence d’échantillonnage, le fichier se compose de trois colonnes : (1) le temps continu au format HH : mm : ; (2) la fréquence cardiaque calculée automatiquement en battements par minute ; (3) la locomotion…

Discussion

Il a été largement suggéré que la mesure de certains paramètres physiologiques (comme le cœur ou le débit de ventilation ou les deux) est une méthode plus fiable pour l’enregistrement des réactions d’écrevisses que l’évaluation des réponses comportementales qui n’existent pas toujours immédiatement11. Cependant, il est évident que l’approche la plus efficace pour évaluer les réactions des écrevisses réel aux changements environnementaux étant donné la combinaison de l…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Cette étude a été financée par le ministère de l’éducation, de jeunesse et de Sports de la République tchèque-projets « CENAKVA » n° CZ.1.05/2.1.00/01.0024 et no « CENAKVA II” LO1205 sous la durabilité National programme I, par l’agence de Grant de l’Université de Bohême du Sud, en České Budějovice (012/2016/Z) et par l’agence de la subvention de la République tchèque (n ° 16-06498S)

Materials

IR LED diode KINGBRIGHT ELECTRONIC KP-3216F3C
Phototransistor EVERLIGHT ELPT15-21C
Resistor ROYAL OHM 0805S8J0201T5E
Resistor ROYAL OHM 0805S8F2200T5E
Capacitor KEMET C0805C334K5RACTU
Cable TECHNOKABEL FTP KAT.5E 4X2X0,14C
Connector HARTING 21348100380005
Connector HARTING 21348000380005
Dielectric gel KRAYDEN Sylgard 535
Analogue-to-digital convertor TEDIA UDAQ-1416CA
Glue KUPSITO.SK 7338723044
Kinect video camera ABCSTORE.CZ GT3-00002
Analysis software University of South Bohemia in Ceske Budejovice, Faculty of Fisheries and Protection of Waters, Institute of Complex Systems Link to the software: www.frov.jcu.cz/crayfishmonitoring
User name: frov
Password: CF2018

References

  1. Bownik, A., Sokołowska, N., Ślaska, B. Effects of apomorphine, a dopamine agonist, on Daphnia magna: Imaging of swimming track density as a novel tool in the assessment of swimming activity. Science of the Total Environment. 635, 249-258 (2018).
  2. Jeong, T. Y., Yoon, D., Kim, S., Kim, H. Y., Kim, S. D. Mode of action characterization for adverse effect of propranolol in Daphnia magna. based on behavior and physiology monitoring and metabolite profiling. Environmental Pollution. 233, 99-108 (2018).
  3. do Nascimento, M. T. L., et al. Determination of water quality, toxicity and estrogenic activity in a nearshore marine environment in Rio de Janeiro, Southeastern Brazil. Ecotoxicology and Environmental Safety. 149, 197-202 (2018).
  4. Xiao, G., et al. Water quality monitoring using abnormal tail-beat frequency of crucian carp. Ecotoxicology and Environmental Safety. 111, 185-191 (2015).
  5. Aagaard, A., Andersen, B. B., Depledge, M. H. Simultaneous monitoring of physiological and behavioral activity in marine organisms using non-invasive, computer aided techniques. Marine Ecology Progress Series. 73 (2), 277-282 (1991).
  6. Bloxham, M. J., Worsfold, P. J., Depledge, M. H. Integrated biological and chemical monitoring: in situ. physiological responses of freshwater crayfish to fluctuations in environmental ammonia concentrations. Ecotoxicology. 8 (3), 225-237 (1999).
  7. Depledge, M. H., Andersen, B. B. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. Comparative Biochemistry and Physiology. A, Comparative Physiology. 96 (4), 473-477 (1990).
  8. Depledge, M. H., Galloway, T. S. Healthy animals, healthy ecosystems. Frontiers in Ecology and the Environment. 3 (5), 251-258 (2005).
  9. Holdich, D. M., Reynolds, J. D., Souty-Grosset, C., Sibley, P. J. A review of the ever increasing threat to European crayfish from non-indigenous crayfish species. Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems. 11, 394-395 (2009).
  10. Vogt, G., Holdich, D. M. Functional anatomy. Biology of freshwater crayfish. , 53-151 (2002).
  11. Bierbower, S. M., Cooper, R. L. Measures of heart and ventilatory rates in freely moving crayfish. Journal of Visualized Experiments. (32), e1594 (2009).
  12. Li, H., Listerman, L. R., Doshi, D., Cooper, R. L. Heart rate in blind cave crayfish during environmental disturbances and social interactions. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 127 (1), 55-70 (2000).
  13. Listerman, L. R., Deskins, J., Bradacs, H., Cooper, R. L. Heart rate within male crayfish: social interactions and effects of 5-HT. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 125 (2), 251-263 (2000).
  14. Burnett, N. P., et al. An improved noninvasive method for measuring heartbeat of intertidal animals. Limnology and Oceanography: Methods. 11 (2), 91-100 (2013).
  15. Fedotov, V. P., Kholodkevich, S. V., Strochilo, A. G. Study of contractile activity of the crayfish heart with the aid of a new non-invasive technique. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 36 (3), 288-293 (2000).
  16. Kholodkevich, S. V., Ivanov, A. V., Kurakin, A. S., Kornienko, E. L., Fedotov, V. P. Real time biomonitoring of surface water toxicity level at water supply stations. Environmental Bioindicators. 3 (1), 23-34 (2008).
  17. Kuznetsova, T. V., Sladkova, S. V., Kholodkevich, S. V. Evaluation of functional state of crayfish Pontastacus leptodactylus in normal and toxic environment by characteristics of their cardiac activity and hemolymph biochemical parameters. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 46 (3), 241-250 (2010).
  18. Sladkova, S. V., Kholodkevich, S. V. Total protein in hemolymph of crawfish Pontastacus leptodactylus as a parameter of the functional state of animals and a biomarker of quality of habitat. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 47 (2), 160-167 (2011).
  19. Pautsina, A., Kuklina, I., Štys, D., Císař, P., Kozák, P. Noninvasive crayfish cardiac activity monitoring system. Limnology and Oceanography: Methods. 12 (10), 670-679 (2014).
  20. Císař, P., Saberioon, M., Kozák, P., Pautsina, A. Fully contactless system for crayfish heartbeat monitoring: Undisturbed crayfish as bio-indicator. Sensors and Actuators B: Chemical. 255, 29-34 (2018).

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Cite This Article
Kuklina, I., Ložek, F., Císař, P., Pautsina, A., Buřič, M., Kozák, P. Continuous Noninvasive Measuring of Crayfish Cardiac and Behavioral Activities. J. Vis. Exp. (144), e58555, doi:10.3791/58555 (2019).

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