斑马鱼趋流性实验：一种用于测量不同水流速率下定向行为的方法

摘要

来源：Cresci, A.，等。评估个性对斑马鱼磁感应敏感性的影响。J. Vis. Exp. (2019)

本视频介绍了斑马鱼的趋流性实验。该方法涉及在不同磁场影响下，测量斑马鱼对不同水流速度的定向行为反应。

方案

1. 一维磁场操控的磁场设置

1. 打开电源装置（图1A）。
2. 将盘绕的隧道放置在将要进行趋流性实验的位置（第3节），但暂时不要将其连接到游泳装置上（图1A）。将连接至高斯/特斯拉计的磁探针放入隧道内部，并确定沿隧道主轴方向产生所需磁场强度所需的电压。
   注意： 由于螺线管线圈的磁学特性，隧道内部的磁场分布相对均匀；可通过缓慢水平和垂直移动探针来验证这一点。
3. 断开探针连接，并将流动隧道连接至游泳装置。
4. 开始进行趋流性实验（第3节）。

2. 三维磁场操控下的磁场设置

1. 打开CPU、DAC和线圈驱动器（图1B）。
2. 在三个轴（x、y和z）上分别设置选定的磁场。
3. 将隧道置于亥姆霍兹线圈组的中心位置。
4. 开始进行趋流性实验方案（第3节）。

3. 流动室中斑马鱼趋流性测试

1. 使用一个侧面和底部不透明的2 L水箱，将一至五条鱼转移至流道中。
2. 打开水泵，将流道中的流速设定为1.7 cm/s。
   注意：缓慢流动的水可保持流道内水体的氧气含量，并有助于动物恢复。
3. 让动物在游泳流道中适应1小时。
4. 开始对流道中鱼的行为进行视频记录。
   注意：我们使用了一台带远程控制（如蓝牙）功能的摄像机（例如Yi 4K Action），并将视频保存为.mpg格式（30帧/秒）。
5. 根据所选实验方案逐步增加流速（本研究中为1.3 cm/s；图2）。
   注意：本实验采用较低的流速，对于斑马鱼而言，范围为0至2.8 BL（体长）/s。这些流速处于诱导斑马鱼持续定向游泳的较低流速范围（临界游泳速度[U_crit]的3%–15%）。采用低流速（遵循Brett的实验方案）与该物种在水流存在下的特定行为特征相关。斑马鱼倾向于沿容器的长轴方向游动，频繁转弯，即使在水流存在时也常上下游动。这种行为受水流速度影响，在相对较高速度（>8 BL/s）下消失，此时动物持续朝向上游方向游泳（完全正向趋流反应）。垂直和横向位移极为罕见。
6. 利用形态测量室中拍摄的鱼图片，对动物进行形态测量（性别及全长[TL]、叉长[FL]或体长[BL]）​。
   1. 选择合适的图片。
   2. 在ImageJ中打开该图片。
   3. 记录动物的性别（雄性斑马鱼体型较纤细，通常呈黄褐色；雌性体型较圆润，通常呈蓝白色）。
   4. 点击 分析 > 设定比例尺，以流道的整个水平长度为参考，将图像的比例尺设定为厘米。
   5. 点击 分析 > 测量，记录动物的线性长度。
   6. 计算其体重（BW）。
      注意：BW根据实验室先前建立的性别-叉长-体重关系或元数据计算得出。整个过程避免了对动物造成操作应激。

结果

图1： 磁场控制装置示意图。 （A）用于在隧道内产生静态水平磁场的游泳隧道与螺线管的示意图。该螺线管（0.83 匝/cm）连接至电源单元，可在隧道内产生 ±250 µT 范围内的磁场（该强度范围包含地磁场强度范围）。右侧为连接至游泳装置的螺线管隧道照片。隧道由丙烯酸材料制成，在进水口处设有两块带孔的丙烯酸板，以确保水流接近层流状态。（B）用于在地磁强度范围内控制磁场的三组正交亥姆霍兹线圈的示意图与照片。图中还显示了磁探头、中央处理单元（CPU）、数模转换器以及用于闭环控制的线圈驱动器。每组线圈由两个半径（r）为 30 cm、采用 AWG-14 铜线绕制、匝数 N

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
9500 G 磁场计	 FWBell	N/A	高斯计，直流至10 kHz；探头分辨率：0.01 μT
AD5755-1	 Analog Devices	EVAL-AD5755SDZ	四通道16位数模转换器
ALR3003D 	ELC	3.76024E+12	直流双路稳压电源
BeagleBone  Black 	Beagleboard.org	 N/A	单板计算机
线圈驱动器	 自制	 N/A	基于商用运算放大器（TI 的 OPA544）的放大器
亥姆霍兹线圈对	 自制	 N/A	使用标准 AWG-14 导线绕制的线圈
HMC588L	 Honeywell 	900405	Rev E 数字三轴磁力计
MO99-2506	 FWBell 	129966	单轴磁场探头
游泳装置	M2M Engineering Custom Scientific Equipment	 N/A	由蠕动泵和带数字反馈的 SMC 流量开关流量计组成的游泳装置
TECO 278	TECO 	 N/A	热冷恒温槽