特征对斑马鱼磁场敏感性的影响评价
Summary
我们描述了一种行为协议, 该协议旨在评估斑马鱼的性格如何影响它们对水流和弱磁场的反应。性格相同的鱼根据其探索行为而分离。然后, 观察了在不同磁条件下, 在低流速游泳隧道中的流变定向行为。
Abstract
为了使自己适应自己的环境, 动物整合了广泛的外部暗示, 这些暗示与几个内部因素相互作用, 如个性。在这里, 我们描述了一个行为协议, 旨在研究斑马鱼个性对其对多种外部环境线索的定向响应的影响, 特别是水流和磁场。该方案旨在了解当周围的磁场改变方向时, 主动或反应斑马鱼是否显示不同的流变力阈值 (即鱼开始向上游游动的流速)。为了识别具有相同个性的斑马鱼, 在一个与一个狭窄的开口相连到明亮的一半的鱼缸的黑暗半处引入了鱼。只有积极主动的鱼探索新颖、明亮的环境。反应性鱼不会离开水箱的黑暗部分。采用低流速游泳隧道确定流变阈值。我们描述了在地球磁场强度范围内控制隧道内磁场的两个设置: 一个是控制沿流动方向 (一维) 的磁场, 另一个是允许对磁场进行三轴控制。在不同磁场下, 鱼在经历隧道流速逐步增加的情况下拍摄。关于方向行为的数据通过视频跟踪程序收集, 并应用于逻辑模型, 以便确定流变阈值。我们报告从浅滩斑马鱼收集的代表性结果。具体而言, 这些情况表明, 只有反应性、谨慎的鱼在磁场方向变化时, 才会显示流变系统阈值的变化, 而主动的鱼不会对磁场的变化做出反应。该方法可应用于许多水生物种的磁敏和流变行为的研究, 包括单生或浅滩游泳策略。
Introduction
在本研究中, 我们描述了一种基于实验室的行为协议, 该协议的范围是研究鱼的个性对水流和磁场等外部方向线索的定向响应的作用。
动物的定向决定是由权衡各种感官信息的结果。决策过程受动物导航能力 (如选择和保持方向的能力)、其内部状态 (如喂养或生殖需求)、移动能力 (如运动生物力学) 和其他几个方面的影响。外部因素 (例如, 一天中的时间, 与具体情况的相互作用)1。
内在状态或动物个性在取向行为中的作用往往是鲜为人知或没有探索的 2。在社会水生物种的定位研究中, 还出现了其他挑战, 这些物种往往表现为协调和极化的群体运动行为3。
水流在鱼类的定向过程中起着关键作用。鱼类通过称为流变轴4的无条件响应定向到水流, 这种反应可以是正的 (即面向上游), 也可以是负的 (即下游方向的), 并用于若干活动, 从觅食到尽量减少精力充沛的开支5,6。此外, 越来越多的文献报道说, 许多鱼类使用地磁场进行定向和导航7、8、9.
对鱼的流变和游泳性能的研究通常是在流动室 (水槽) 中进行的, 在那里, 鱼接触到流动速度的逐步增加, 从低速到高速, 通常直到耗尽 (称为临界速度)10, 11个。另一方面, 以前的研究通过观察动物在静水 12、13 的竞技场上的游泳行为, 研究了磁场在定向中的作用。在这里, 我们描述了一种实验室技术, 使研究人员能够研究鱼的行为, 同时操纵水流和磁场。在我们之前的研究中, 首次将这种方法用于浅滩斑马鱼 (Danio rerio), 得出的结论是, 对周围磁场的操纵决定了流变阈值 (即在它把鱼放在上游.这种方法是基于使用一个缓慢流动的水槽室结合设置, 以控制在水槽中的磁场, 在地球的磁场强度范围内。
图 1概述了用于观察斑马鱼行为的游泳隧道。隧道 (由直径为7厘米、长度为15厘米的非反射丙烯酸圆筒组成) 连接到控制流量14的设置上。在此设置中, 隧道中的流量范围在0到9之间。
为了操纵游泳隧道中的磁场, 我们使用两种方法: 第一种是一维的, 第二种是三维的。对于任何应用, 这些方法都可以操纵地磁场, 以获得规定体积的水中的特定磁场条件–因此, 本研究中报告的磁场强度值包括地磁场。
关于一维方法15, 磁场是沿着水流方向 (定义为 x 轴) 操作的, 使用环绕在游泳隧道周围的螺长管。这连接到一个动力装置, 并产生均匀的静态磁场 (图 2a)。同样, 在三维接近的情况下, 含有游泳隧道的体积中的地磁场也使用电线线圈进行了修改。然而, 为了在三维空间中控制磁场, 线圈设计了三个正交赫尔姆霍兹对 (图 2b)。每个 Helmholtz 对由两个沿三个正交空间方向 (x、 y和z) 定向的圆形线圈组成, 并配备了在闭环条件下工作的三轴磁强计。磁强计的工作领域强度与地球的自然场相当, 它位于接近的几何中心的线圈集 (游泳隧道的位置)。
我们实施上述技术来检验这样的假设, 即组成浅滩的鱼的个性特征会影响它们对磁场16 的反应。我们测试的假设是, 具有主动和反应人格的17,18 人在暴露于水流和磁场时的反应不同。为了验证这一点, 我们首先使用既定的方法对斑马鱼进行排序, 以分配和分组主动或反应性的17、19、20、21个人.然后, 我们评估斑马鱼游泳的流变行为, 在浅滩游泳只由反应性个体或由只有主动的个人在磁水槽槽, 我们提出作为样本数据。
排序方法是基于主动和反应性个体探索新环境的不同倾向21。具体而言, 我们使用的坦克分为明亮和黑暗面17,19, 20,21 (图 3)。动物适应了黑暗面。当进入光明的一面是开放的, 主动的个人往往会迅速离开黑暗的一半的坦克, 探索新的环境, 而反应性的鱼不会离开黑暗的坦克。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究中描述的协议使科学家能够量化水生物种的复杂方向反应, 这是由两个外部线索 (水流和地磁场) 和动物的一个内部因素 (如人格。总的概念是创造一个实验设计, 允许科学家分离不同个性的个体, 调查他们的定位行为, 同时单独或同时控制外部环境线索。
本研究中描述的协议, 连同流变指数 (RI) 的数学定义, 是在初步观察了斑马鱼在游泳隧道中的行为后设计的。当放置在?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项研究得到了那不勒斯大学费德里科二世物理系基础研究创立和生物系的支持。作者感谢 Cl何迪亚·安杰利尼博士 (意大利国家应用微积分研究所) 的统计支持。作者感谢 Martina Scanu 和 Silvia Frassinet 在收集数据方面提供的技术帮助, 并感谢部门技术人员 F. Cassese、G. Passeggio 和 r. rocco 在设计和实现实验设置方面提供的娴熟帮助。我们感谢劳拉·根蒂勒在视频拍摄期间帮助进行了实验。我们感谢迈阿密大学的戴安娜·罗斯·乌德尔拍摄了亚历桑德罗·克雷斯基的采访声明。
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 |
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