Vurdere påvirker personlighet følsomhet for magnetiske felt i sebrafisk
Summary
Vi beskriver en opptreden protokoll utviklet for å vurdere hvordan sebrafisks personligheter påvirke deres svar på strøm og svak magnetfelt. Fisker med samme personlighetene skilles basert på deres utforskende atferd. Deretter er brukeradferden rheotactic retning i en svømming tunnel med en lav flow rate og under ulike magnetiske forhold observert.
Abstract
For å orientere seg i miljøet, integrere dyr en rekke eksterne signaler, som samhandler med flere interne faktorer, for eksempel personlighet. Her beskriver vi en opptreden protokoll utviklet for studiet av påvirkning av sebrafisk personlighet på deres retning svar flere eksterne miljømessige bunker, spesielt vannstrømmer og magnetiske felt. Denne protokollen skal forstå om proaktiv eller reaktive sebrafisk vise forskjellige rheotactic terskler (dvs. flyt hastigheten som fisken begynner svømming oppstrøms) når de omkringliggende magnetfeltet endrer retning. For å identifisere sebrafisk med samme personlighet, er fisk innført i mørket halvparten av en tank tilknyttet en smal åpning til lyse halvparten. Bare proaktiv fisk utforske roman, lyse omgivelser. Reaktiv fisk Avslutt ikke den mørke delen av tanken. En bading tunnel med lav flow priser brukes til å bestemme rheotactic terskelen. Vi beskriver to oppsett for å kontrollere det magnetiske feltet i tunnelen, mellom jordens magnetiske felt intensitet: som styrer magnetfeltet flytretningen (én dimensjon) og en som gjør en tre-aksiale kontroll av det magnetiske feltet. Fisk er filmet mens opplever en gradvis økning av siden strømmen fart i tunnel under forskjellige magnetiske felt. Data på retning virkemåten er samlet gjennom en video-sporing prosedyre og brukes på en logistisk modell å tillate fastsettelse av rheotactic terskelen. Vi rapporterer representant resultatene innhentet fra shoaling sebrafisk. Spesielt viser dette at bare reaktive, forsvarlig fisk Vis varianter av rheotactic terskelen når magnetfeltet varierer i retning, mens proaktiv fisk ikke svarer magnetfelt endringer. Denne metoden kan brukes til studier av magnetiske følsomhet og rheotactic oppførsel av mange dyrearter, både vise ensom eller shoaling svømming strategier.
Introduction
I studien beskriver vi en lab-basert atferdsmessige protokoll som har omfanget av undersøke rollen av fisk personlighet på retning svar stimfisk til eksterne retning indikatorer, for eksempel vannstrømmer og magnetiske felt.
Orienting beslutninger av dyr resultat veier ulike sensoriske informasjonen. Beslutningsprosessen er påvirket av evnen til dyret å navigere (f.eks kapasitet til å velge og holde en retning), den interne statusen (f.eks fôring eller reproduktive behov), dens evne til å flytte (f.eks bevegelse biomekanikk), og flere ekstra eksterne faktorer (f.eks, tid på dagen, interaksjon med fra Art)1.
Rollen til den interne tilstanden eller dyr personlighet i retning atferd er ofte dårlig forstått eller utforsket ikke2. Ekstra utfordringer oppstår i studiet av retningen på sosiale dyrearter, som ofte utføre koordinert og polarisert gruppe bevegelse atferd3.
Vannstrømmer spille en nøkkelrolle i retningen prosessen av fisk. Fisk orientere vann strømmer gjennom et unconditioned respons kalt rheotaxis4, som kan være positivt (dvs, oppstrøms orientert) eller negative (i.e. nedstrøms orientert) og brukes til flere aktiviteter fra beite til minimering av energisk utgifter5,6. Videre rapporterer en økende mengde litteratur at mange fiskearter bruker det geomagnetiske feltet for orientering og navigasjon7,8,9.
Studiet av rheotaxis og svømming ytelse i fisken er vanligvis gjennomført i flyt kamre (barnesklier), der fisk er utsatt for gradvis økning av flyten hastighet, fra lave til høye hastigheter, ofte til utmattelse (kalt kritisk turtall)10, 11. På den annen side, undersøkt tidligere studier rollen av det magnetiske feltet i retning gjennom observasjon av atferden svømming dyrene i arenaer med stille vann12,13. Her beskriver vi en laboratorium teknikk som tillater forskere å studere atferden til fisken mens manipulere både vann transporterer og det magnetiske feltet. Denne metoden ble benyttet for første gang på shoaling sebrafisk (Danio rerio) i vår forrige studie, fører til konklusjonen at manipulering av omkringliggende magnetfeltet styrer rheotactic (dvs. minimalt med vann hastigheten på hvilke shoaling fisken orientert oppstrøms)14. Denne metoden er basert på bruk av en barnesklier kammer med langsom flyter kombinert med et oppsett beregnet på administrere det magnetiske feltet i barnesklier, innenfor området av jordens magnetfelt intensitet.
Svømming tunnelen benyttes for å observere atferden til sebrafisk er skissert i figur 1. Tunnelen (laget av en nonreflecting akryl sylinder med 7 cm diameter og 15 cm lang) er koblet til et oppsett for kontroll av flyten hastighet14. Med dette oppsettet varierer verdiområdet strømningshastigheter i tunnelen mellom 0 og 9 cm/s.
For å manipulere det magnetiske feltet swimming tunnelen, bruker vi to metodologiske tilnærmingsmåter: først er endimensjonale og andre er tredimensjonalt. For et program, disse metodene manipulere det geomagnetiske feltet for å få spesifikke magnetiske forhold i et definert volum av vann-dermed alle verdier av magnetfelt intensiteten i denne studien omfatter det geomagnetiske feltet.
Om den dimensjonal tilnærming15, det magnetiske feltet manipuleres vann flyt retning (definert som x-aksen) ved hjelp av en magnetventil pakket rundt svømming tunnelen. Dette er koblet til en strømforsyning, og det genererer uniform statisk magnetfelt (figur 2A). Tilsvarende i tredimensjonale tilnærming endres det geomagnetiske feltet i volumet som inneholder svømming tunnelen ved å bruke spoler av elektriske ledninger. For å kontrollere det magnetiske feltet i tre dimensjoner, har imidlertid spoler utformingen av tre ortogonale Helmholtz par (figur 2B). Hvert Helmholtz par er sammensatt av to sirkulær spoler orientert langs tre ortogonale plass retninger (x, yog z) og utstyrt med en tre-aksiale magnetometer arbeider i lukket forhold. Magnetometer arbeider med feltet intensiteter sammenlignbare med jordens naturlige feltet, og det ligger nær geometriske midten av spoler settet (der svømming tunnelen ligger).
Vi gjennomføre teknikkene beskrevet ovenfor for å teste hypotesen at personlighetstrekk av fisken komponere en shoal påvirke hvordan de reagerer på magnetfelt16. Vi tester hypotesen om at personer med proaktiv og reaktiv personlighet17,18 reagerer forskjellig når vannet renner og magnetfelt. For å teste dette, sortere vi først sebrafisk ved hjelp av en etablert metode for å tilordne og gruppe personer som er proaktiv eller reaktive17,19,20,21. Da evaluerer vi rheotactic virkemåten til sebrafisk svømmer i stimer består av bare reaktive enkeltpersoner eller sammensatt av bare proaktiv personer i magnetiske barnesklier tanken, som presenterer vi som eksempeldata.
Sorteringsmetoden er basert på forskjellige tendensen til proaktiv og reaktiv enkeltpersoner å utforske romanen miljøer21. Spesifikt bruker vi en tank delt inn i en lys og en mørk side17,19,20,21 (Figur 3). Dyr er acclimated til den mørke siden. Når tilgang til den lyse siden er åpen, proaktiv individer tendens til å raskt gå ut av den mørke delen av tanken å utforske det nye miljøet, mens reaktive fisken ikke la mørke tanken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollen beskrevet i denne studien tillater forskere å kvantifisere komplekse retning svar til dyrearter som skyldes integrering mellom to eksterne signaler (vann nåværende og geomagnetiske feltet) og en intern faktor av dyret, som personlighet. Det totale konseptet er å skape en eksperimentell design som tillater forskere å skille individer av ulike personlighet og undersøke brukeradferden retning mens kontrollere separat eller samtidig eksterne miljømessige signaler.
Protokollen be…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Studien ble støttet av grunnleggende forskning opprettelsen av fysikk avdeling og biologi avdeling av Napoli University Federico II. Forfatterne takker Dr. Claudia Angelini (Institutt for anvendt kalkulus, Consiglio Nazionale delle Ricerche [CNR], Italia) for statistiske støtte. Forfatterne takker Martina Scanu og Silvia Frassinet for deres teknisk hjelp med å samle data og avdelinger teknikere F. Cassese, G. Passeggio og R. Rocco for deres dyktige hjelp i utformingen og gjennomføringen av eksperimentelle. Vi takker Laura Gentile for å gjennomføre eksperimentet under video innspillingen. Vi takker Diana Rose Udel fra University of Miami for skyting intervju uttalelser av 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).
