评估人格特质对斑马鱼磁场敏感性的影响

摘要

我们描述了一种行为学实验方案，旨在评估斑马鱼的个性如何影响其对水流和弱磁场的反应。具有相同个性特征的鱼类根据其探索行为被区分开来，随后观察它们在低流速的游泳通道中、不同磁场条件下产生的趋流性定向行为。

摘要

为了在环境中定位自身，动物会整合多种外部线索，这些线索与若干内部因素（如个性）相互作用。本文描述了一种行为学实验方案，旨在研究斑马鱼个性对其响应多种外部环境线索（特别是水流和磁场）时定向行为的影响。该方案旨在探究当周围磁场方向发生变化时，主动型或被动型斑马鱼是否表现出不同的趋流阈值（即鱼类开始逆流游动时的水流速度）。为识别具有相同个性的斑马鱼，将鱼置于一个由狭窄开口连接的双室水箱中，其中一半为黑暗环境，另一半为明亮环境。只有主动型斑马鱼会探索这一新颖的明亮环境，而被动型斑马鱼则不会离开黑暗的一侧。使用低流速的游泳通道来测定趋流阈值。我们介绍了两种可在接近地磁场强度范围内调控通道内磁场的装置：一种可控制沿水流方向的磁场（单维度），另一种则可实现磁场的三轴控制。在不同磁场条件下，通过逐步增加通道内的水流速度并同步录像记录鱼类行为。利用视频追踪程序收集定向行为数据，并将其拟合至逻辑模型，以确定趋流阈值。我们报告了来自群游型斑马鱼的代表性实验结果。具体而言，结果表明仅当磁场方向发生变化时，被动型、谨慎型斑马鱼的趋流阈值会出现变化，而主动型斑马鱼对磁场变化无响应。该方法可广泛应用于研究多种水生动物（无论其为独居或群游游泳策略）的磁敏感性及趋流行为。

引言

在本研究中，我们描述了一种基于实验室的行为学实验方案，可用于探究鱼类个体性格对其在群游过程中对外部定向线索（如水流和磁场）定向反应的影响。

动物的定向决策源于对各种感觉信息的权衡。该决策过程受到动物导航能力（例如选择并保持方向的能力）、内部状态（例如摄食或繁殖需求）、运动能力（例如运动生物力学）以及多种其他外部因素（例如一天中的时间、与同种个体的相互作用）的影响¹。

内在状态或动物个性在定向行为中的作用常常难以被充分理解或尚未得到深入研究²。在研究社会性水生物种的定向行为时，还存在额外的挑战，因为这些物种通常表现出协调且具有方向性的群体运动行为³。

水流在鱼类定向过程中起着关键作用。鱼类通过一种称为趋流性⁴的非条件反应来感知水流方向，这种反应可分为正趋流性（即朝向上游）和负趋流性（即朝向下游），并被用于多种行为活动，从觅食到降低能量消耗不等^5,6。此外，越来越多的研究表明，许多鱼类物种能够利用地磁场进行定向和导航⁷....

方案

本方案已获得意大利那不勒斯费德里科二世大学动物实验伦理委员会（2015年）批准。

1. 动物饲养

1. 使用至少 200 L 的水箱饲养每个水箱中不少于 50 条雌雄个体的鱼群。
   注意：水箱中鱼类的密度必须控制在每 2 L 水体不超过 1 条鱼或更低。在此条件下，斑马鱼将表现出正常的群游行为。
2. 设定饲养条件如下：温度为 27–28 °C；电导率 <500 μS；pH 值为 6.5–7.5；NO₃ 浓度 <0.25 mg/L；光照周期为 10 小时光照 : 14 小时黑暗。
   注意：混合种群以及分离的主动型和被动型种群必须采用相同的饲养条件。

2. 斑马鱼的个性选择

1. 准备个性选择实验缸，并将其放置于安静的房间内（图3），缸内使用与饲养缸相同的水。
2. 在实验缸上方或侧面放置一台摄像机，并将摄像机连接至计算机，显示器应置于与实验缸无视觉接触的区域。
3. 从饲养缸中随机选取九条鱼，使用无结网将其转移至个性选择实验缸的暗侧。
   注意：尽量减少与鱼缸及鱼类的接触时间，避免噪音和快速移动。如有必要，可使用小体积运输缸（约....

结果

作为样本数据，我们展示了在主动和反应性群游斑马鱼中，沿水流方向控制磁场所得的结果¹⁶ 使用图示装置 图2A （见方案第3节）。这些结果表明，所描述的方案能够揭示不同个性特征的鱼类对磁场反应的差异。这些试验的整体概念基于以下发现：相对于水流方向的磁场方向会影响群游斑马鱼的定常性阈值。¹⁴因此，由于磁场变化会调节鱼类的定向游动行为，本实验方案可用于评估斑马鱼对磁场的反应是否因其主动型或被动型个性而存在差异²⁸.

首先，使用如图3所示的明暗穿梭 tank，根据斑马鱼的主动/被动个性特征将其分为不同组别。完成该测试后，将五条具有相同个性特征的斑马鱼组成鱼群，在螺线管式游泳隧道中进行测试（图1和.......

讨论

本研究中描述的实验方案使科学家能够量化水生物种复杂的定向反应，这些反应源于两种外部线索（水流和地磁场）与动物一种内部因素（如个性）之间的整合。总体思路是设计一种实验方案，使科学家能够区分不同个性的个体，并在分别或同时控制外部环境线索的条件下，研究它们的定向行为。

本研究中描述的实验方案以及流向性指数（rheotactic index, RI）的数学定义，是基于斑马鱼在游泳隧道中的初步行为观察而设计的。当被置于隧道中时，这些动物会表现出两种行为模式，无论是否存在水流：定向游泳和机动运动。它们大部分定向时间（通常，鱼类被视频记录的时间超过95%）都用于沿隧道方向来回游动（即沿长轴方向，角度小于45°），在靠近端壁处转弯，并且经常表现出趋触性（即紧贴隧道壁游动）²⁷。

要使本实验方案成功，操作者必须密切关注动物的应激状态。在不同实验装置之间转移鱼类时，必须小心操作。使用手网的操作应尽可能迅速，由于斑马鱼游泳速度快、在水箱中难以捕捉，因此在正式实验前进行充分训练尤为必要。应激会显著影响这.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
9500 G 磁强计	FWBell	N/A	高斯计，直流-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	3760244880031	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	制冷加热恒温槽