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方法文章

测量斑胸草雀鸣唱偏好的操作性条件反射任务

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DOI：

10.3791/60590

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2019年12月26日

 ,  ,  ,  , 
1W.M. Keck Science Department, Claremont McKenna College – Pitzer College – Scripps College, 2Department of Psychology, Whitman College

本文内容

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摘要

我们描述了一种评估斑胸草雀鸣叫偏好的技术。将雌性鸟置于一个双室笼中，通过其落在某一侧腔室内栖木上触发播放特定鸣叫声的次数，来测量其对某种鸣叫的偏好程度，另一侧腔室则播放不同的鸣叫声用于对比。栖木着陆次数由红外传感器记录。

摘要

采用操作性条件反射范式来检测雌性斑胸草雀的鸣叫偏好。将雀鸟置于一个具有两个隔间和中间连通开口的笼子中，通过降落在每个隔间内的栖木上来表达对某种鸣叫的偏好。当鸟类降落在栖木上时，会阻断位于栖木上方光电传感器发出的红外光束，从而触发笼子两侧扬声器播放鸣叫。使用可自由获取的软件来控制每个栖木触发的鸣叫播放。为了确定每只动物的鸣叫偏好，首先在鸟类降落在任一栖木时不播放任何鸣叫，以识别其对隔间的固有偏好。然后将该隔间偏好与鸣叫偏好进行比较。设定最低活动阈值以确保所观察到的偏好具有真实性。利用该方法，我们发现已配对的雌性更偏好其配偶的鸣叫。该方法已被用于研究多巴胺在鸣叫偏好形成与维持过程中的作用。

引言

生物学中的一个基本问题是动物如何形成亲缘关系。特别是，这些关系形成的神经机制是什么，以及这些基本机制在脊椎动物物种之间是否具有进化上的保守性？草原田鼠为研究某些在配对关系形成中起重要作用的神经递质系统提供了线索1,2,3。特别是，多巴胺通过伏隔核中的受体发挥作用，可在雄性和雌性田鼠中诱导出配偶偏好4,5。目前尚不清楚支配配偶偏好形成与维持的一般原理是否在进化上保守。

一夫一妻制在鸟类中比在哺乳动物中更为常见6。因此，将鸟类亲和行为的机制与其他物种进行比较，对于理解保守的神经基础至关重要7,8,9。总体而言，在多种鸣禽中，雄性鸣叫被认为可作为雄性适应度的真实指标10,11。雄性斑胸草雀通过鸣叫吸引配偶，并影响一夫一妻制配对的形成12,13。因此，鸣叫可用于确定这些鸟类的配偶偏好。

雌性个体如何形成对配偶鸣声偏好的机制尚不清楚。催产素的鸟类同源物——催产加压素（mesotocin）似乎在雀类的配对结合中发挥作用14,15。此外，多巴胺也被证明在配对结合过程中起重要作用9,16,17,18。例如，已配对雀类的伏隔核中多巴胺水平高于未配对个体9。

为了研究神经递质系统在配对关系形成与维持中的作用，我们采用一种配备红外传感器的操作性测试范式来测量鸣声偏好，该传感器可触发鸣声回放19。通过计算不同鸣声回放的次数比例，确定雌性对某一雄性鸣声的偏好程度。在进行操作性条件反射任务之前，每只雌性个体均被单独隔离长达48小时：对于“已配对雌性”，与其配偶共同隔离；而对于“未配对雌性”，则与一只陌生雄性共同隔离。为了检验多巴胺对鸣声偏好的影响，在与陌生雄性共处期间，未配对雌性个体接受了两次D2R多巴胺受体激动剂处理。该行为学实验范式基于先前的研究19,20，并适用于本科生开展科研工作。

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方案

所有实验均经威廉·米勒·凯克科学系机构动物护理和使用委员会批准，并符合美国国立卫生研究院（NIH）指南。所使用的所有动物均为成年个体（>孵化后90天）。

1. 操作性条件反射箱的构建

  1. 构建一个由两个相同腔室组成的测试笼，每个腔室尺寸为 15 x 15 x 17 英寸3（图 1A）。在笼子侧面靠近栖木的位置，通过切出一个距离两腔室之间中心 2.5 英寸、大小为 4.5 x 6 英寸2 的小窗，制作一个小门（作为每个腔室的入口）。使用一块独立的搁板材料制作可覆盖该窗口的门。
    注意：该笼子由可在任何家居装修商店购买到的衣柜用金属网搁板制成。门的铰链可用扎带制作。
  2. 使用金属剪线钳切割搁板，在两个腔室之间制造一个 4 x 6 英寸2 的开口，以便鸟类可在两个腔室之间移动。
  3. 在每个腔室内，放置一根栖木，距离笼子中心 11 英寸，距离笼底 6 英寸。使用适合所测试鸟类种类且能横跨笼子宽度的任何类型栖木。
  4. 将光电传感器的发射端和接收端分别置于栖木两端正上方的笼体位置，并使用扎带将传感器固定在栖木上方的金属丝上。
    注意：将传感器安装在刚性背板上（例如压舌板），有助于防止其在金属网笼上扭转而发生错位。每次实验前必须通过手动阻断红外（IR）光束来测试传感器的安装位置是否正确。如果传感器未正确对准，鸟类可能无法触发歌曲播放，或栖木着陆可能被记录为多次事件。
  5. 在笼子顶部安装橱柜下方用的 LED 灯，提供足够的照明，使动物能够在两个侧腔室之间自由活动。
  6. 在每根栖木旁放置鸟食和水。
  7. 在每个腔室的两端各放置一个扬声器。
  8. 为减少声音衍射以及声学和视觉干扰，将消声泡沫安装在整个笼子的周边，但需为笼门和水瓶预留开口。
  9. 将扬声器连接至音频放大器，并将音频放大器连接至计算机的音频输出端口。

2. 传感器的连接

注意：共有两组红外传感器，每组均包含一个发射器和一个接收器。发射器的电缆带有四根导线（棕色、蓝色、黑色和白色）。接收器的电缆带有三根导线（棕色、蓝色和黑色）。第一个发射器的白色导线直接连接至数字I/O板的输入端口#1。第二个发射器的白色导线直接连接至输入端口#9。交流电源输入端有两根导线（通常为红色和黑色）。

  1. 安装数字I/O卡（材料表）、其驱动程序以及配套程序“Measurement and Automation”。
    注意：此处使用的数字I/O卡需要连接器模块和多功能带状电缆才能完成安装。或者，可使用USB I/O设备，该设备无需PCI卡（也无需连接器模块和带状电缆等附件），并可在笔记本电脑上运行。
  2. 将每组发射器和接收器的两根蓝色导线连接在一起。在电源线的黑色导线上连接两根细导线，使黑色电源线能够连接到每组传感器的蓝色导线。
  3. 将黑色电源线和两根蓝色导线连接至一根共用导线。将此共用导线连接至连接器模块上的输入端口#2或#9。
    注意：一组传感器应连接至输入端口#1和#2，另一组传感器应连接至输入端口#9和#10。
  4. 对于两组传感器，将发射器和接收器的棕色导线分别连接在一起。对于每组传感器，将两根棕色导线连接至红色交流电源线。
    注意：所有四根棕色导线均连接至红色交流电源线。光电传感器由10–30 V输入供电，必须连接至交流转换器（例如，120 V转12 V转换器）。
  5. 在与数字I/O卡配套的Measurement and Automation程序中，通过选择设备与接口菜单来确定I/O卡的设备ID。
  6. 选择“Device Pinouts”选项，以确定与步骤2.3中输入端口对应的端口和线路编号。
  7. 使用程序中的Test Panels…选项，验证I/O是否能检测到红外光束被阻断的情况。记录每组传感器的通道和端口ID。
    注意：当光束状态发生变化时，绿色指示灯会改变颜色。

3. 安装用于统计鲈鱼着陆次数的软件和硬件

  1. 从 http://soundanalysispro.com/ 下载并安装 Sound Analysis Pro 2011 (SAP2011) 和 MySQL。
    注意：该软件为免费软件，附带安装说明和用户手册。
  2. 打开 SAP recorder.exe。
  3. 为配置传感器输入，使 SAP 能够检测栖木着陆并启动歌声回放，请在 SAP Recorder 控制窗口中点击 操作设备 选项卡。勾选 启用操作训练（已安装 NI 卡） 复选框。
  4. 选择合适的设备 ID（端口 滑块可设置为 3）。对于每个检测器，根据步骤 2.6 中收集的信息，指定相应的端口和线路。
    注意：当每个检测器的端口和线路设置正确后，指示灯将从黄色变为红色。
  5. 在 SAP Recorder 的 主 窗口中，点击 训练 以激活相应通道的传感器。
    注意：应出现一个黄色按钮。
  6. 通过选择感兴趣的通道编号（按屏幕左侧的 通道 1 或 2 选项卡），并在 识别与模式 窗口中，在 名称 字段中输入鸟类的标识信息，以记录鸟类名称。
  7. 为确保声音能通过扬声器播放，请在 输出选择 选项卡中调整设置，选择连接到计算机的适当设备（即扬声器）以及连接到扬声器的通道。
    注意：更多设置信息请参见 Sound Analysis Pro 用户手册。

4. 隔离鸟类配对并采集雄鸟鸣声

  1. 将一只雄性和一只雌性雀鸟隔离于隔音室中 24–48 小时。在此共处期间，记录雄鸟的鸣叫，该鸣叫称为“配偶鸣声”。
    注意： 配对鸟类是指已共同饲养至少 2 周的雄性和雌性。未配对的雌性仅与雄性共处 24–48 小时。
    1. 使用连接至音频放大器的麦克风采集配偶鸣声。
    2. 使用 Sound Analysis Pro 2011 获取鸣声，并将录音存储于硬盘中。
    3. 为检测神经递质系统对雌性鸣声偏好的影响，在配对鸟类首次放入隔音室时，给雌性皮下注射 50 µL 生理盐水（溶剂对照）或喹吡罗（1 mg/mL 溶于 0.9% 生理盐水）。6–24 小时后重复注射一次（见 图 1B）。
  2. 在操作性条件反射笼中创建用于播放的鸣声。
    1. 创建一个播放“静音”的 .wav 文件，其时长与鸣声播放大致相同。
      注意： 可使用任意音频编辑软件（例如 Audacity）完成此操作。
    2. 从配偶雄鸟中截取一段代表性鸣声（2–3 个主题单元）。
    3. 从一只陌生雄鸟中截取一段代表性鸣声（2–3 个主题单元）。
      注意： 所有实验均应使用同一只陌生雄鸟的鸣声。
    4. 对鸣声进行 300 Hz–10 kHz 的滤波处理。
    5. 调节音量，使鸣声在行为实验箱的扬声器中播放时约为 70 dB（以栖木位置处声压计测得的鸣声持续期间的平均振幅为准）。
      注意： 鸣声音量需使用放置在栖木处的声压计进行检测。

5. 配对雌性个体中鸣叫偏好的测试

  1. 确定雌鸟对侧室的偏好。
    1. 在行为测试之前，将雌鸟放入测试笼中，使其至少适应笼内环境 1 小时。使用物体引导鸟类通过开口从一个侧室移动到另一个侧室，确保雀鸟探索两个侧室。
    2. 在 Sound Analysis Pro 中，选择“Playbacks”选项卡，然后在主窗口中点击“Sounds”按钮。
    3. 选择音频 .wav 文件，在 1 号和 2 号侧室播放“Silence”（静音）。
    4. 返回“Main”界面，点击右侧方框顶部的“Reset”按钮。
    5. 适应期结束后，按下“Start”开始。
    6. 会话结束后，按下“Stop”停止。记录每个栖木处的触发次数，该数值显示在蓝色方框中。
      注意：数据将保存至 MySQL 数据库。为确保雌鸟具有足够活动性，应设定最低触发次数以计入有效试验（例如，总栖木触发次数不少于 12 次）。
  2. 确定鸣叫偏好。
    1. 重复第 5.1 节中的步骤，但选择在静音测试中触发次数最少的一侧侧室（非偏好侧）播放配偶的鸣唱，在触发次数最多的一侧侧室（偏好侧）播放陌生个体的鸣唱。
      注意：配偶的鸣唱应在静音播放阶段触发次数较少的一侧侧室播放（即非偏好侧）。
    2. 在开始 1 小时鸣唱播放前，先点击“reset”重置。
    3. 通过将播放配偶鸣唱的侧室触发次数除以总触发次数，计算侧室及鸣唱偏好。

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结果

按照实验方案，我们发现配对后的雌性更偏好其配偶的鸣叫（图2A）。在静音期间与播放鸣叫期间，雌性对侧边腔室的选择存在显著差异（经多重比较校正的t检验；p = 0.004；t = 3.35，df = 16）。因此，与陌生雄性的鸣叫相比，雌性更倾向于触发其配偶的鸣叫。

与陌生雄性配对24–48小时并接受生理盐水注射的雌性，对其鸣唱与另一陌生雄性鸣唱之间无偏好差异。也就是说，当雌性落在触发静音的栖木上时，其对所在侧室的偏好与触发鸣唱时相比无显著差异（经多重比较校正的t检验；p = 0.726；t = 0.357，df = 16）。因此，与雄性共同饲养不足48小时的雌性并未对其鸣唱形成偏好。

在证实可利用该行为范式检测雌性雀鸟的鸣叫偏好后，我们采用该检测方法来检验多巴胺对鸣叫偏好形成的影响。在此实验中，将一只未经交配的雌鸟与一只陌生雄鸟共同饲养24–48小时，并给予两次皮下注射多巴胺2受体激动剂喹吡罗（...

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讨论

我们描述了一种测试斑胸草雀鸣叫偏好的方法。本实验用于检测配对雌鸟对其配偶鸣声的偏好。此外，该方法还被用于研究多巴胺对未交配雌鸟鸣声偏好形成的影响。该方法成本相对较低，且由本科生设计并使用，因此是学生培训的优秀工具。已有其他多项研究在多种鸣禽中测试了鸣声偏好，表明该方法对研究鸟类听觉偏好的科研人员具有广泛适用性22，23。

该行为学范式基于一种听觉识别测试系统（ARTsy），最初由 Gess 等人19描述。这些作者曾使用类似的系统来测试鸟类对鸣声的辨别能力。我们对该系统进行了改进，用于检测雌性对一种鸣声相对于另一种鸣声的偏好。我们对 Gess 等人19所述的实验方案进行了调整，改用 SAP2011 软件播放鸣声并采集数据，取代了 MATLAB 中的自定义脚本。我们发现，这种数据采集方式更易于使用，也更便于本科生掌握。此外，操作性回放也可以通过将栖木用作开关来触发

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

感谢Petra Grutzik构建行为实验笼，感谢Thomas Borowski博士在实验设计方面的帮助，以及Stephanie White博士的大力支持。本研究由HHMI本科生暑期科研资助（HHMI #30052007536，资助对象：D.S. 和 L.H.）提供资金支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
(-)-喹匹罗sigmaaldrichQ102
吸音泡沫Coulbourn Instruments, Allentown, PAH10-24A
双声道音频放大器AmazonPyle PCAU46A任何小型音频放大器均可使用
Banner Engineering Q08 系列发射器，SO60-Q08https://www.alliedelec.com库存编号：70659809光电传感器
Banner Engineering Q08 系列接收器，EO60-Q08-AN6Xhttps://www.alliedelec.com库存编号：70699384光电传感器
汽车立体声音响扬声器AmazonPioneer TS - F1643R
数字输入/输出卡National InstrumentsPCI-6503 或 USB-6501
橱柜下用 LED 灯Amazon
多功能带状电缆National Instruments180524-20
声压级计Amazon
接线端子板National Instruments777101-1

参考文献

  1. McGraw, L. A., Young, L. J. The prairie vole: an emerging model organism for understanding the social brain. Trends in Neuroscience. 33 (2), 103-109 (2010).
  2. Young, K. A., Gobrogge, K. L., Liu, Y., Wang, Z. The neurobiology of pair bonding: Insights from a socially monogamous rodent. Frontiers in Neuroendocrinology. 32 (1), 53-69 (2011).
  3. Young, L. J., Wang, Z. The neurobiology of pair bonding. Nature Neuroscience. 7 (10), 1048-1054 (2004).
  4. Aragona, B. J., Liu, Y., Curtis, J. T., Stephan, F. K., Wang, Z. A critical role for nucleus accumbens dopamine in partner-preference formation in male prairie voles. Journal of Neuroscience. 23 (8), 3483-3490 (2003).
  5. Lippert, R. N., et al. Time-dependent assessment of stimulus-evoked regional dopamine release. Nature Communications. 10 (1), 336(2019).
  6. Lack, D. L. Ecological adaptations for breeding in birds. , (1968).
  7. O'Connell, L. A., Hofmann, H. A. The vertebrate mesolimbic reward system and social behavior network: a comparative synthesis. Journal of Comparative Neurology. 519 (18), 3599-3639 (2011).
  8. O'Connell, L. A., Hofmann, H. A. Genes, hormones, and circuits: an integrative approach to study the evolution of social behavior. Frontiers in Neuroendocrinology. 32 (3), 320-335 (2011).
  9. Banerjee, S. B., Dias, B. G., Crews, D., Adkins-Regan, E. Newly paired zebra finches have higher dopamine levels and immediate early gene Fos expression in dopaminergic neurons. European Journal of Neuroscience. 38 (12), 3731-3739 (2013).
  10. Gil, D., Gahr, M. The honesty of bird song: multiple constraints for multiple traits. Trends in Ecology & Evolution. 17 (3), 133-141 (2002).
  11. Tomaszycki, M. L., Adkins-Regan, E. Experimental alteration of male song quality and output affects female mate choice and pair bond formation in zebra finches. Animal Behaviour. 70 (4), 785-794 (2005).
  12. Woodgate, J. L., Mariette, M. M., Bennett, A. T. D., Griffith, S. C., Buchanan, K. L. Male song structure predicts reproductive success in a wild zebra finch population. Animal Behaviour. 83 (3), 773-781 (2012).
  13. Zann, R. Reproduction in a Zebra Finch Colony in South-eastern Australia: the Significance of Monogamy, Precocial Breeding and Multiple Broods in a Highly Mobile Species. Emu. 94 (4), 285-299 (1994).
  14. Klatt, J. D., Goodson, J. L. Oxytocin-like receptors mediate pair bonding in a socially monogamous songbird. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 280 (1750), 20122396(2013).
  15. Pedersen, A., Tomaszycki, M. L. Oxytocin antagonist treatments alter the formation of pair relationships in zebra finches of both sexes. Hormones and Behavior. 62 (2), 113-119 (2012).
  16. Adkins-Regan, E. Neuroendocrinology of social behavior. Ilar Journal. 50 (1), 5-14 (2009).
  17. Goodson, J. L., Kabelik, D., Kelly, A. M., Rinaldi, J., Klatt, J. D. Midbrain dopamine neurons reflect affiliation phenotypes in finches and are tightly coupled to courtship. Proceedings of the National Academy of Sciences the United States of America. 106 (21), 8737-8742 (2009).
  18. Iwasaki, M., Poulsen, T. M., Oka, K., Hessler, N. A. Sexually dimorphic activation of dopaminergic areas depends on affiliation during courtship and pair formation. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 8 (210), (2014).
  19. Gess, A., Schneider, D. M., Vyas, A., Woolley, S. M. Automated auditory recognition training and testing. Animal Behavior. 82 (2), 285-293 (2011).
  20. Woolley, S. C., Doupe, A. J. Social context-induced song variation affects female behavior and gene expression. PLoS Biology. 6 (3), 62(2008).
  21. Day, N. F., et al. D2 dopamine receptor activation induces female preference for male song in the monogamous zebra finch. Journal of Experimental Biology. 222, Pt 5 (2019).
  22. Hahn, A. H., et al. Discrimination of male black-capped chickadee songs: relationship between acoustic preference and performance accuracy. Animal Behaviour. 126, 107-121 (2017).
  23. Leitão, A., ten Cate, C., Riebel, K. Within-song complexity in a songbird is meaningful to both male and female receivers. Animal Behaviour. 71 (6), 1289-1296 (2006).
  24. Day, N. F., Hobbs, T. G., Heston, J. B., White, S. A. Beyond Critical Period Learning: Striatal FoxP2 Affects the Active Maintenance of Learned Vocalizations in Adulthood. eNeuro. 6 (2), (2019).
  25. Chen, Y., Clark, O., Woolley, S. C. Courtship song preferences in female zebra finches are shaped by developmental auditory experience. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 284 (1855), 20170054(2017).
  26. Heston, J. B., White, S. A. Behavior-linked FoxP2 regulation enables zebra finch vocal learning. Journal of Neuroscience. 35 (7), 2885-2894 (2015).
  27. Adkins-Regan, E., Tomaszycki, M. Monogamy on the fast track. Biological Letters. 3 (6), 617-619 (2007).
  28. Young, R. L., et al. Conserved transcriptomic profiles underpin monogamy across vertebrates. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2019).

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重印与许可

勘误


Formal Correction: Erratum: Operant Conditioning Task to Measure Song Preference in Zebra Finches
Posted by JoVE Editors on 2/18/2020. Citeable Link.

An erratum was issued for: Operant Conditioning Task to Measure Song Preference in Zebra Finches. An affiliation was updated.

One of the affiliations was updated from:

W.M. Keck Science Department, Clarmont McKenna College – Pitzer College – Scripps College

to:

W.M. Keck Science Department, Claremont McKenna College – Pitzer College – Scripps College

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