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使用封闭式Y型迷宫评估爬行动物的化学感受行为

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DOI:

10.3791/61858

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2021年4月7日

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摘要

Y迷宫可帮助研究人员确定驱动动物行为的特定刺激的相关性,尤其是来自多种来源的孤立化学信号。通过精心的设计与规划,可获得可靠的数据(例如,辨别能力、探索程度以及多种行为表现)。这种实验装置能够为行为学和生态学问题提供有力的见解。

摘要

爬行动物利用多种环境线索来引导和驱动其行为,例如由食物或同种个体产生的化学气味轨迹。解析脊椎动物,特别是入侵物种的循迹行为,有助于发现能够诱导探索性行为的线索,从而推动有价值的生物学基础与应用工具的开发。然而,准确区分主要由化学线索驱动的行为与其他竞争性环境线索驱动的行为仍具挑战性。Y型迷宫是动物行为研究中常用的工具,可用于量化多种分类群中脊椎动物的化学感受行为。通过减少外界刺激,Y型迷宫可消除混杂因素,并为研究对象动物提供二选一的选择情境。在我们的Y型迷宫实验中,先将一只留迹动物限制在迷宫的一臂中以留下气味轨迹,待达到预设的留迹条件后将其移除。随后,根据实验类型的不同,要么允许目标动物进入迷宫,要么建立另一条竞争性气味轨迹。最终记录目标动物在区分所呈现化学线索时的选择行为。本文描述了两种针对不同入侵性爬行动物物种定制的Y型迷宫装置:阿根廷黑白泰圭蜥蜴(Salvator merianae)和缅甸蟒蛇(Python bivittatus),并详细说明了这些Y型迷宫的操作流程与清洁方法。此外,还总结了实验所产生的多种数据类型、可能存在的实验局限性及解决方案,以及推荐的数据分析框架。

引言

Y型迷宫是动物行为研究中常用且简单的工具,可用于解答多种科学问题。除了在实验室研究中广泛应用外,Y型迷宫在功能上也适用于多种野外环境,可在相对偏远的地区用于研究野生动物。研究人员已利用Y型迷宫在多种不同类群的野生脊椎动物中开展了涵盖广泛领域的野外研究(例如:七鳃鳗1;慈鲷鱼类2;箭毒蛙3;蜥蜴科蜥蜴4;束带蛇5)。

许多研究人员致力于探究化学信号在生殖、空间分布和觅食生态学中对动物行为的影响方式及其程度6。可在Y型迷宫中于精细尺度下测试多种化学刺激,例如浓度仅有微小差异的两条化学轨迹7,或基于目标物种繁殖状态的探测能力8。化学轨迹——Y型迷宫实验中使用的主要刺激——可由同种个体自然形成,也可由研究者利用特定化学源人为布置于环境中1,5。还可通过独特的组合方式测试刺激,以确定多模态线索的影响,例如改变线索呈现的情境(空气传播线索与基质轨迹9;视觉线索与化学线索结合10)。尽管评估爬行动物化学感知反应的方法还有多种(见讨论部分),Y型迷宫能够对搜索行为进行评估,并可在多个时间和空间尺度上开展,从而有助于更深入地推断行为特征。

爬行动物在繁殖和觅食生态中对化学信号的依赖性已得到广泛研究,研究人员在这些研究中常使用Y型迷宫11,12。目前,通过使用Y型迷宫开展的研究正在不断解析爬行动物的化学生态学,以回答一系列对野生动物管理者具有重要价值的进化与行为学问题。例如,近年来针对入侵性蛇类和蜥蜴物种的实验表明,仅凭化学信号即可影响动物在Y型迷宫这一新型环境中的选择行为和时间分配13,14,15。

使用大型Y形迷宫研究中等体型的实验动物(例如大型爬行动物)通常局限于实验室环境,因为在这些环境中可以长期方便地饲养实验动物,能够控制实验因素(例如气候、光照、外部刺激),并且可以无限使用基础设施(例如电力、自来水)。然而,对野生动物的研究往往由于各种原因(例如后勤、许可)而局限于特定地点。因此,必须通过创造性的问题解决和方法学调整来应对这些挑战,以保持结果的一致性和可比性。

本文描述了两种利用Y型迷宫和远程监测工具的实验装置,用于在不同野外条件下评估入侵性有鳞爬行动物(即蛇类和蜥蜴类)的生殖化学生态学:在美国佛罗里达州盖恩斯维尔采集并圈养的阿根廷黑白泰加蜥(Salvator merianae),以及在佛罗里达州大沼泽地国家公园野外捕获的缅甸蟒(Python bivittatus)。顾名思义,Y型迷宫装置构建了一种实验环境,动物首先进入主通道(Y的基部;"base"),随后该通道分叉为两条分支通道(Y的臂部;"arms")。在这些实验中,每次试验使用两种动物:留痕动物(在迷宫的特定区域留下刺激性气味)和目标动物(在该动物探索气味轨迹时收集其行为数据)。

在化学生态学研究中,作为实验装置的Y型迷宫必须设计成便于取出其中动物的结构,并且能够拆卸以进行彻底清洁和重置。本文还讨论了不同测试环境所固有的限制条件(例如昼行性与夜行性动物的差异、基础设施的不同),这些因素促使研究方法进行了相应的调整。尽管本研究重点是泰加蜥蜴和缅甸蟒,但这些设计可广泛应用于多种爬行动物物种。在入侵性爬行动物的研究中,Y型迷宫有助于提高推断的速度与规模,因为它能够快速收集数据,从而为随特定物种入侵威胁动态变化的管理目标提供依据。特别是,对入侵物种化学生态学的研究对于开发有效的化学防控工具至关重要。

在使用Y迷宫的实证测试中,关键观察指标是目标动物在两种刺激之间进行选择时所表现出的辨别行为,并据此评估其决策过程。在Y迷宫实验过程中(实时)或实验结束后(通过视频回放),还可对一系列行为进行评分,以增强推断能力。具体采用实时观察还是存档录像分析,取决于特定研究的 a priori 研究目标的复杂程度。本文详细描述了Y迷宫方法在化学生态学问题研究中的应用,旨在为今后关注爬行动物行为(尤其是化学生态学领域)的研究人员提供参考。

方案

所有涉及使用活体脊椎动物的实验程序均经美国农业部和美国地质调查局的机构动物护理与使用委员会批准。

注意:由于这些研究聚焦于入侵性脊椎动物,因此必须遵守相应的 containment 标准,这些标准对实验的设计与实施施加了特定限制。尽管两个研究地点以及昼间与夜间研究时间的研究方法有许多相似之处,但在以下两个部分中分别描述了各自不同的方法。

1. 美国农业部(USDA)动植物卫生检验局(APHIS)野生动物服务国家野生动物研究中心佛罗里达野外站的Y型迷宫装置设置及昼夜节律实验方案:对野外捕获的圈养泰加蜥进行现场测试

注意:Y形迷宫及封闭结构所有组件的设计图纸详见补充文件1。

  1. Y迷宫的尺寸与设计
    1. 使用底板(1.22 m × 2.44 m 纤维水泥外墙板)固定Y迷宫。在顶层板上钻孔,以便穿入T型螺栓向上连接迷宫组件。具体操作步骤参见 补充文件 1.
    2. 使用白色PVC装饰板构建迷宫的侧壁;底座的内部尺寸为120 cm长(侧壁)× 42 cm宽 × 14 cm高。
      注意:通道宽度设计为容纳两倍焦点动物宽度。额外的宽度可灵活地形成两条由动物留下的气味轨迹。
    3. 确保臂部的内部尺寸为 120 cm 长(侧壁)× 40 cm 宽 × 14 cm 高。
    4. 使用独立的底部、侧壁和顶部组件组装迷宫,并在运行实验前将各部分固定在一起。顶部应采用透明亚克力材料,以便观察迷宫内的动物。具体操作步骤参见 补充文件 1.
      1. 当创建单条气味轨迹时,使用基座内的隔板限制留下气味的蜥蜴的活动空间。具体操作步骤参见 补充文件 1.
      2. 当不同动物依次留下两条气味轨迹时,使用隔板系统阻断迷宫的交替臂,并将每只动物轮流限制在基底的交替半侧。具体操作步骤参见 补充文件 1.
    5. 使用不透明的盒子来运输和收集Y迷宫实验中使用的动物。确保所有盒子均配有可拆卸的盖子和易于固定的亚克力门。
      1. 确保底箱(109 cm 长 × 56 cm 宽 × 46 cm 高)位于Y形迷宫底部的开口处。用于将带气味的动物或目标动物转移至迷宫,并在打开门让动物自由进入迷宫之前进行适应性停留。
      2. 确保臂盒(83 cm 长 × 50 cm 宽 × 44 cm 高)位于 Y 型迷宫各臂的末端,以便于捕捉用于气味标记或作为目标动物的个体。
      3. 有关构建和组装的具体说明,请参见 补充文件 1.
  2. 用于昼夜视频采集的相机设置
    1. 相机规格:确保项目所用相机能够在不同光照条件下连续录制视频,并适用于在当地的温度和湿度条件下进行户外使用。
      1. 将摄像头安装在实验 enclosure 的底部,确保 Y 型迷宫的整个区域均处于摄像头视野范围内。调整镜头或摄像头高度以扩大或缩小视野范围。视野范围确定后,需确保能够清晰捕捉到足够的行为细节,例如舌舔动作。
        注意:若研究围栏的高度固定(例如,180 cm H),从而限制了视野的调节,则可使用多个摄像头以实现对Y迷宫内部的完整覆盖。在户外应用中使用摄像头时,应确保将其设置为启用“宽动态范围”模式。
    2. 电源规格:确保每台摄像机均有充足的电源供应,以满足计划试验期间连续视频录制的需求(例如,使用带有内置备用电池的不间断电源(UPS)以确保持续供电)。
      注意:若无交流电源供应,可通过将网络电缆连接至数字视频录像机(DVR)或使用网络视频录像机(NVR)时连接至POE交换机,以通过以太网供电(POE)方式为摄像头供电。
    3. 录像规格:选择硬盘录像机(DVR)或网络录像机(NVR)时,应确保其满足项目需求,包括足够的存储容量,以及足够数量的POE接口(DVR)或摄像机通道(NVR),以支持所使用的摄像机数量。根据所需的视频质量设置录像参数,同时考虑数据文件的大小(例如,采用H264压缩率和每秒10帧图像的帧率[FPS])。
    4. 获取和处理视频的方案:
      1. 从动物开始进入迷宫的时刻起开始录制视频,直至捕获动物或达到预设的时间段(1.3.3.4)。
      2. 使用可在一台或多台计算机上安装的软件,以查看实时或录制的视频,并按选定的视频格式导出文件。
      3. 务必为每个使用的摄像头导出相同时间窗口和持续时间的视频,以便同时查看多个视频流。
      4. 务必定期导出数据,因为如果DVR/NVR的文件存储容量有限,许多系统会用新数据覆盖旧数据。
  3. 气味标记动物行为实验方案
    1. 偏倚评估
      1. 在进行实验试验之前,通过以下方式组装Y形迷宫以评估其是否存在偏好性,但不在纸上呈现气味。使目标动物适应环境后,开始试验。
        注意:根据研究设计的不同(例如,使用相同的焦点动物进行重复测量,或每次测试新的焦点动物),偏倚对照试验将确定迷宫本身在设计上不会对焦点动物的选择产生偏向。多种因素可能导致偏倚,包括高度、阳光照射和视觉标记。
      2. 如果重新调整迷宫的方向或其他物理特征仍无法消除侧向偏好,则应在每次试验中随机指定接受实验气味的臂。
        注意:在固定次数的试验中,无偏倚的迷宫会导致任一臂的选择概率为0.5,并进行二项检验(图2).
    2. 试验准备与Y迷宫组装
      1. 在整个操作过程中,处理动物可能接触的任何表面时均需佩戴腈手套,以避免气味污染。每次试验之间以及在同一试验设置过程中若需创建多条气味轨迹时,均应更换手套。
      2. 在干净的表面上准备新的、清洁的引诱纸(白色包装纸,宽度至少为61 cm)。将其裁剪至适当长度,使每段引诱纸在Y形交叉处能够重叠,并延伸至基部和分支末端之外,以便能够置于盒子下方。
      3. 清扫迷宫底部,然后直接铺上纸张,或在纸张与底部之间加一层隔离材料(如塑料薄膜),以便在动物于迷宫内排便或释放麝香气味时易于清理。
      4. 使用底座上的穿孔螺栓将纸张固定到位,从一端到另一端依次固定,以保持表面平整。在接缝处将纸张重叠,使底层纸张位于上方。
      5. 将迷宫的侧板放置到螺栓上,但不要将其固定在底部。
      6. 根据待测试的试验类型,安装并固定所需的隔板(参见单气味试验 1.3.3 与双气味试验 1.3.4)。
      7. 将亚克力顶板滑入插槽中,并用平头钉固定。
      8. 通过拧紧翼形螺母固定到底座的槽形螺栓上,将两侧固定到底部。
      9. 将清洁的机械臂箱安装到位,并用拇指螺钉固定。使用扎带固定箱盖。确保已移除箱门。
    3. 单一气味试验
      注意:这些试验的目的是在Y型迷宫中设置一条单一气味轨迹,该轨迹从迷宫底部延伸至其中一个臂。
      1. 在安装亚克力顶盖之前,固定隔板以阻断未处理臂。随机选择有气味臂(例如,抛硬币、随机数生成器)。
      2. 将用于留取气味的动物放入干净、干燥的基箱中。用扎带或螺栓固定基箱盖,并用拇指螺丝固定箱门。将饲养箱运送至实验围栏,用拇指螺丝将其固定在Y迷宫基座的一端。
        注意:在装载动物之前,务必确保底盒的门已安装到位。
      3. 将动物在箱内适应固定且一致的时间(例如 60 min)。移除基箱门,让动物自由进入迷宫。
      4. 使用视频监控远程观察动物活动(见下文)。当动物从基箱行进至臂箱后,即可将动物从迷宫中移出,因为嗅探过程已经完成。
        1. 若动物位于任何盒子内,插入并固定可拆卸门,取出盒子,然后将动物放回其饲养笼中。
        2. 如果动物返回迷宫,请在迷宫附近等待,直至观察到动物回到箱中,然后移除箱子。
          注意:有鳞类动物会通过排便进行防御,并产生干扰测试气味的警戒信号,因此应避免惊扰动物。
        3. 如果动物未返回箱中,应缓慢接近迷宫,并利用视觉提示(例如缓慢挥手)引导动物进入箱内,然后移走箱子。
      5. 清洁并干燥底盒(1.5.5)。
      6. 若发生排便,应尽可能用纸巾收集并吸干,但不要擦拭,以防扩散。
      7. 部分拆卸迷宫装置以取出内部隔板,然后重新组装。清洁隔板(1.5.5)。
      8. 前往第1.4节查看运行焦点动物的方案。
    4. 双气味试验
      注意:这些试验的目的是在Y型迷宫中同时呈现两条不同的气味轨迹,两条轨迹均从迷宫底部开始,分别通过随机选择的两个臂。
      1. 在安装亚克力顶盖之前,固定隔板以封闭首次选择气味时未选用的臂以及基座中与封闭臂相对的一半区域。
      2. 按照上述单次气味试验的步骤(1.3.3 至 1.3.3.8)进行操作,唯有一处例外:当移除亚克力门时(1.3.3.3),将一个半尺寸的门插入需保持封闭一侧的开口中,以确保嗅探动物只能在迷宫的开放区域移动。
      3. 部分拆解迷宫装置,移除隔板并清洗(1.5.5)。用洁净毛巾擦干。
      4. 重新安装隔板,但将其翻转以阻隔迷宫中已带有气味的区域。重新安装亚克力顶部。
      5. 对第二只布设气味的动物重复步骤 1.3.4.2。
      6. 部分拆卸迷宫并移除隔板。重新组装迷宫。
      7. 前往第1.4节查看运行焦点动物的方案。
  4. 昼间进行焦点动物观察的实验方案
    1. 按照 1.3.3.2 至 1.3.3.3 步骤对计划用于该次试验的焦点动物进行操作。
    2. 使用视频远程监测动物活动。若需在设定的探索时间段内进行观察,应在动物完全从基础箱中探出时启动计时器。
    3. 试验结束后,移除动物(1.3.3.4)。
  5. 分解与清理
    1. 将迷宫中剩余的盒子拆下,并拆解所有盒子。在整个拆卸和清洁过程中,需佩戴新的丁腈手套。
    2. 取下亚克力顶部部件,并将其放置在安全位置以备清洁,避免刮伤或破裂。拆卸时务必小心,避免部件刮伤(必须保持清晰的视野,以便进行视频监测行为实验)。拆卸迷宫的侧板,并将其放置在安全位置以备清洁。
      注意:为尽量减少Y迷宫材料的划痕和紫外线降解,请始终将其置于遮蔽处。
    3. 以一致的动作将纸张(和塑料)卷起移除,避免污染底部,并将其丢弃。
    4. 使用无味的实验室级皂液和软毛刷或超细纤维布清洁Y迷宫各部件及所有箱子的表面。使用相同的皂液清洁丙烯酸顶部部件和可拆卸门,但需使用软海绵或超细纤维布以防止刮伤。
      注意:已知的有鳞爬行动物化学信号为脂溶性化合物,使用洗涤剂清洗是陆生脊椎动物研究中去除聚合物实验装置上脂类线索及其他气味的标准操作流程11,12,21.
      注意:在实地应用中,可能需要执行消毒程序。如有需要,使用适当的消毒溶液喷洒迷宫的所有内表面(包括地板、墙壁、隔板、丙烯酸部件和盒子),静置10分钟,然后用微纤维布擦拭。
    5. 用干净的湿超细纤维布擦拭清洗后的部件表面,以水冲洗,避免在冲洗前让肥皂残留物干燥;切勿将水倒入迷宫中。
    6. 让碎片自然风干,或用干净的超细纤维布轻轻擦干。
    7. 干燥后,若需立即进行下一次试验,请重新组装迷宫组件。

2. 美国地质调查局(USGS)与国家公园管理局合作试验中的Y形迷宫设置及晨昏时段实验方案:针对野生捕获缅甸蟒的相对偏远地区测试

注意:Y型迷宫及封闭结构所有组件的设计图详见补充文件2。

  1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理
    注意:所述Y型迷宫经过显著改进,以扩展潜在研究物种并适应隔离条件。垂直深度已增加,以适应多种物种,同时采用不同材料和建造方法,以提高户外耐用性和清洁便利性。参见 图1 以查看完成后的迷宫示意图。有关构建和组装的具体说明,请参见 补充文件 2.
    1. 将Y形迷宫的各个部件从白色聚丙烯材料上切割下来,并将需要永久固定的部件(如迷宫底板和侧壁)进行热焊接。
      1. 用甲板螺钉将胶合板固定成Y形迷宫(长244 cm,宽122 cm),并通过沿迷宫外侧墙底部铆接的铝制角撑板,将迷宫底部固定。
      2. 确保Y形迷宫底部尺寸为120 cm L × 42 cm W × 23 cm H,每个外臂侧壁长120 cm,内臂侧壁长108 cm(具体方向参见 补充文件 2).
      3. 使用螺丝每隔 30 cm 将铝制角条固定在侧壁上,然后将亚克力顶板插入到位(具体操作步骤见 补充文件 2).
        注意:在Y迷宫侧壁顶部边缘以等间距放置的螺丝在分析试验视频时可作为静态视觉标记,并提供比例尺。
      4. 确保Y形迷宫的每个开口(基部、臂部)在侧壁末端均附加一块基板(42 cm W × 30 cm H),该基板连接至一个盒子,使基板围成一个中央开口(34 cm W × 16 cm H;具体操作说明见 补充文件 2).
      5. 使用隔离件限制嗅探动物的接触范围(具体操作步骤见 补充文件 2)。使用固定带将阻隔板(46 cm 宽 × 22 cm 高)固定到位。利用可自制且易于清洁的重物(如装水的塑料壶;2.3.6)固定隔板和阻隔板; 图1).
      6. 确保亚克力部件构成迷宫的顶部(0.6 cm厚,透明)。具体操作步骤见 补充文件 2.
    2. 使用带有滑动门和易固定盖子的不透明盒子,以便在Y迷宫实验中运输和收集动物(图1).
      1. ​将盒子(21.6 cm 长 × 27.9 cm 宽)底部改装排水孔,用小螺丝和螺母固定盖子,并设置一个供进出的开口(门)。具体操作步骤见 补充文件 2.
      2. 使用螺栓和翼形螺母或锁具将盒子的面板固定在Y迷宫的面板上,从而将盒子固定在Y迷宫的末端。
        注意:安装到位后,盒子还可固定亚克力顶部组件。
  2. 用于晨昏视频采集的相机设置:参见 图1 用于获取相机视野的快照。
    1. 相机规格:确保项目所用相机能够在不同的光照和温度条件下录制连续视频,以适应晨昏性和夜间活动物种的研究需求。
      1. 将项目相机安装在围栏天花板的横梁上,确保整个Y形迷宫均处于相机视野范围内。通过升高或降低帐篷的高度来扩大或缩小视野范围(建议将相机安装在约3米高度)。确保相机发出的红外光在亚克力顶部产生的反射不会遮挡夜间录像中画面的关键区域。
    2. 电源规格:确保每个项目相机均有充足的电源供应,以支持连续录制视频,满足过夜拍摄(约20小时)的需求。
      注意:若无交流电源,可使用深循环密封铅酸12伏电池供电(例如,两块12 V 20 Ah凝胶电池并联连接)。
    3. 录制参数:为尽量减少文件存储量,应录制能够清晰计数Y迷宫中舌舔次数的最低质量视频。
      注意:高分辨率视频需要较大的存储空间,降低分辨率是有效控制文件大小的可行方法。
      1. 将视频的帧率(每秒帧数,FPS)限制在能够检测到舔舌动作所需的最低水平(例如,以800 × 450的分辨率录制,最高帧率为25 FPS,每次试验产生的视频数据约为120 GB)。
    4. 获取与处理视频的实验方案
      1. 在每次嗅闻事件开始时启动摄像机(2.3.10),并持续记录至焦点事件结束(约20 h)。
      2. 每次试验结束后,关闭相机电源并取出SD卡(2.4.4)。将视频资料转移至指定的存储位置。
      3. 由于SD卡通常会强制录像设备以5分钟为一段录制视频片段,因此可使用视频处理软件将这些片段合并,以便于后续处理。
      4. 使用支持可变播放速度和自定义前进跳转间隔的媒体文件播放程序来审阅视频内容。
        注意:如果视频处理过程中不需要精细尺度的分辨率,此步骤可将审阅时间从约20小时减少至最多1小时。
  3. 气味标记动物行为实验方案
    注意:由于野生爬行动物需要较长的适应时间,本节步骤大约需要1.5天完成。
    1. 参见第1.3.1节中的偏差前言,以确保迷宫中不存在任何偏差。
    2. 操作任何表面或实验动物时,全程佩戴丁腈手套,以避免气味污染。
    3. 将用于提供气味或作为焦点的动物放入其箱中,至少在试验前24小时进行适应。
      注意:为尽量减少应激影响,将箱子放置在靠近迷宫的阴蔽区域,避免受到清洁或其他活动的干扰。确保所有被测试的动物(嗅觉刺激动物、目标动物)均以此方式进行适应性驯养。
    4. 在干净的表面上准备新的、清洁的引诱纸,长度需足以覆盖Y形管的分叉连接处,并完全覆盖底部表面(2条臂管用纸=121.9 cm;1条基部用纸=152.4 cm)。
    5. 用美纹纸胶带将纸张的两端固定在盒子附近以及Y型连接处。
    6. 安装隔板,使用长隔板阻挡基臂的一半(左侧或右侧),并使用短隔板阻挡对侧臂的入口。安装屏障时,切勿撕破留有气味的纸张。对于体型较大的留味动物,应在屏障后方固定一个易于移除和清洁的重物作为支撑,以防止屏障失效(2.1.1.5)。
      注意:气味轨迹必须始终从基部的一侧开始,然后延伸至对侧臂,以确保目标动物的选择明确。
    7. 将亚克力顶板逐段滑入到位,并确保各角度完全贴合。使用透明塑料胶带覆盖任何缝隙。
    8. 使用翼形螺母和/或挂锁将两个臂箱与迷宫连接,固定面板,并确保门已锁定在打开状态。
    9. 日落前两小时,安装基础箱(内含用于引诱的动物),所有操作动作须缓慢平稳,以尽量减少对动物的应激。
    10. 启动相机,并打开底箱的门,确保使用两个桶形螺栓锁将门固定到位。保持不在动物的视线范围内,然后离开该区域。
    11. 3小时后(日落后1小时),记录动物在迷宫中的位置以及周围环境条件。如果动物正在移动中,需等待其进入箱内后再进行记录。
      1. 若动物位于任何盒子中,应先关闭并固定盒门,取下盒子,然后小心取出动物,注意防止动物在盒内释放防御性气味。
      2. 如果动物在迷宫主体内静止不动,可使用视觉提示(例如长杆或挥手)刺激其进入箱体。若动物仍不移动,则移除臂箱,以便取下亚克力顶盖,手动取出动物并转移至袋中。
        注意:处理大型动物时,必须始终穿戴适当的个人防护装备(PPE)(如防刺穿手套、眼部防护装置)。
    12. 部分拆解迷宫以移除内部隔板(避免扰动气味纸),然后重新组装。若发生排便,应使用干净的超细纤维布尽可能收集并吸干,但不得清洗该区域。
    13. 前往第2.4节查看运行焦点动物的方案。
  4. 黄昏期焦点动物观察实验方案
    注意:本节步骤需耗时约2天,且应与第2.3节的开始时间大致同步进行。
    1. 在进行迷宫实验前至少24小时,将预定的实验动物置于箱中进行适应。
      1. 在焦点动物适应的最后几小时内,在进入下一步(2.3.9)之前,先运行布 scent 动物。
        注意:应将气味铺设步骤的时间尽量接近目标动物进入迷宫的时间,以减少气味降解。
    2. 使用翼形螺母和/或挂锁将装有目标动物的底盒固定在Y迷宫的基座上。在持握或移动盒子时,应动作缓慢、平稳,以尽量减少对目标动物的应激。
      1. 确保臂箱的两个门均已打开并固定。通过使用圆柱形螺栓打开并固定基座箱的门,开始进行定位试验。操作过程中应避开动物的视线,并在完成后离开该区域。
        注意:在野生夜行性爬行动物实验中,目标动物需在迷宫中过夜以供其探索。
    3. 日出后4小时,返回迷宫并按照第2.3.11.1节步骤移除目标动物。
    4. 收集相机的SD卡,并在需要时为电池充电。丢弃迷宫中使用过的纸张,然后进行清洁(第1.5节)。

用于动物行为研究的Y迷宫装置示意图和照片,包含胶合板和可移动隔板。
图1. 美国地质调查局(USGS)Y迷宫的布局。 左侧为示意图,显示Y迷宫的各个组成部分,并附有比例尺以提供尺寸参考。右侧为摄像机拍摄的快照,展示了行为记录时的视野范围。请点击此处查看该图的高清版本。

结果

Y迷宫实验可记录和/或评分多种变量。研究设计应主要由预期结果/产出决定。此外,如果研究依赖于重复测量(例如,重复使用相同的焦点动物),则需要适当的测试和分析结构。例如,由于美国农业部的实验依赖于对焦点蜥蜴的重复测试,实验试验的规划采用了完全随机化设计。

选择数据: 大多数使用Y迷宫的研究仅报告简单的二元选择数据,并采用二项检验等参数统计方法分析结果。此处的主要限制在于样本量,样本量直接影响任何统计分析的检验效能。 图2,针对不同研究样本量展示了一系列统计学阈值,这些阈值表明在给定的二项检验中需要出现多少次“成功”才能获得具有统计学意义的结果。这些阈值是通过数学方法推导得出的,因此可推广应用于任何Y迷宫实验。二项检验统计量可通过在线免费软件轻松生成。在计算概率时,若假设为单侧分布,则使用单尾分布 先验的 应给出理由;否则,应使用双尾分布。

选择某一臂通常由目标动物在给定臂中移动的距离决定。设定该阈值最简单的方法是在迷宫内建立一个标志点。在大多数Y迷宫研究中,该标志点为臂箱的入口。由于爬行动物通过头部前端的化学感受器官完成全部化学感知,因此在实验过程中以头部作为观察焦点。例如,由于缅甸蟒的体长常常超过整个迷宫的长度,因此以头部越过标志点来判断其选择是最准确且最高效的方法。其他判断选择的方法包括动物在某一臂内停留的时间,或目标动物整体完全进入某一箱体。若目标动物在特定时间内未做出选择,则判定为试验失败。

可以从Y迷宫中的选择数据中得出更精细分辨率的分析结果。例如,研究人员可以计算选择惩罚分数16。在此方法中,研究人员必须记录目标动物探索迷宫非目标臂的程度。非目标臂是指研究人员根据所检验的备择假设,在实验前a priori确定目标动物不会选择的臂。最简单的非目标臂示例是当仅有一个臂含有目标气味时,未加气味的臂。更复杂的例子包括来自同一来源但以不同浓度呈现的两种气味之间的选择7。当实验设计为多水平,或数据由二元类型转为渐进类型(如选择惩罚分数)时,应采用适当的统计学方法,例如重复测量方差分析(ANOVA)或其他适用于连续型或比例型数据集的方法。

行为: 在观察目标动物的整个实验过程中,可对多种个体行为进行量化。这些变量的数量可以事先确定 先验的 取决于已知信息16 或 事后检验 基于部分数据的初步观察14,15研究目的及其所需解决的问题程度决定了是否需要在迷宫中进行行为评估(例如,在许多研究中,仅对选择数据进行量化)17)。可对迷宫中的行为进行全面评估,也可分段或在特定时间段内进行;例如,仅在迷宫基部或臂 junction 处出现的行为可能被优先考虑8视频记录有助于行为学评分,但在实验开始前应考虑视频的分辨率和时长,因为这些因素会影响数据存储需求。

时间变量: 与行为变量类似,动物在Y形迷宫实验中的许多时间特征也可以被量化。例如,研究人员可以记录潜伏期(如从箱中出来的潜伏期8)。大多数时间变量与迷宫探索相关,例如总追踪时间或在每个臂中花费的时间。这些变量通常采用多因素分析方法进行分析,例如多因素方差分析(ANOVA)。

观察者偏倚:在涉及动物行为的研究中,观察者偏倚会显著影响数据收集18。因此,观察者应对于所测试的处理措施保持盲态。实现这一点的最简单方法是对视频文件进行数字编码,然后在分配给观察者之前将其随机排序(例如使用随机数生成器)。当只能进行实时数据收集时,控制观察者偏倚极为困难甚至不可能。在野外条件下,这需要两名合作者:一名对处理措施不知情的观察者,以及一名负责设置实验的协调员。已有大量综述总结了实验者偏倚对行为学和生态学研究中数据收集与解释的影响18,19。

显示目标与非目标选择频率的柱状图,n=7 至 n=15,数据比较。
图2.Y迷宫实验结果中二项检验的样本量与P值。 每个给定的样本量代表一组试验次数,其中一种气味被放置在Y迷宫的一个臂(目标臂)中,而另一个臂可能为对照(非目标臂)。每个柱上方的顶部数字为该目标臂选择次数对应的单尾P值,底部数字为双尾P值。顶部柱内的数字表示仍可达到传统统计学显著性(P < 0.05)的最大非目标选择次数。请点击此处查看此图的放大版本。

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讨论

尽管Y型迷宫是研究爬行动物化学生态学的有力工具,但其有限的设计可能限制其他研究途径。然而,目前已有多种替代方法可供选择11,12,20,21,22。例如,舌 flick 测定法操作更为简便,可同时评估动物对多种化学刺激物相对于对照气味所表现出的行为反应23,24,25,26。开放场测试是另一种选择,即让目标动物在围栏中自由探索,直至其遇到化学信号源,随后对其行为反应进行评分27,28。结合使用这些方法可在不同情境下评估爬行动物的辨别能力,例如同时提供人工与天然气味以及藏身处29。Y型迷宫也可进行改造,使动物仅暴露于空气传播的化学信号,或同时暴露于基质传播的信号16,30,并且 post hoc 推断可用于重新设计数据采集流程,前提是已有存档的视频数据31。生物测定实验的设计应尽量简化数据收集过程,并最大限度减少干扰性刺激,尤其是在评估特定类型的信号源(如化学信号21)时。

动物行为学研究人员通常在新颖且人为设计的环境中观察并量化目标动物的反应(例如,一个具有无特征景观的封闭迷宫),此时应谨慎评估特定动物表现出的是自然探索行为,还是回避、焦躁或类似的应激行为。实验装置中动物的应激行为主要归因于新奇恐惧症(neophobia):即对新事物的恐惧32。例如逃逸行为,即目标动物用力推挤装置的接缝或边缘以试图逃离;另一个例子是胆怯行为,即目标动物表现出不愿进入迷宫,其程度可通过进入迷宫的潜伏期进行量化。通过重新设计实验装置,可促进目标动物的参与,从而避免这些由应激引起的混杂效应。最常见的方法是在正式测试开始前,让目标动物反复接触该装置,以消除环境的新奇性;此外,现代统计模型(如广义线性混合模型)允许将同一批测试动物用于多次试验。一个与行为测试中生态学因素相关的要点是,较低的新奇恐惧症与入侵物种的成功密切相关33。因此,根据对所研究物种的 a priori 先验知识,新奇恐惧症在实验设计中的重要性可能有所不同。

从视频中获取行为数据存在多种限制,这些限制会成为实验时间进程中的主要瓶颈。例如,单次试验的时长可能使数据提取时间呈指数级增长。一种应对方法是仅分析行为数据直至达到预设阈值(如总活跃时间)。该阈值可基于特定试验中最长视频的时长来确定。另一种方法是开发基于机器的观测系统(例如人工智能),但这种方法耗时且耗费资源,并需要大量投入以确保质量控制。另一个问题是数据管理:视频必须具备足够质量以支持行为评分与评估,这导致数据存储面临压力。尽管目前云存储已可获取,但上传/下载速度常常存在问题,尤其是在偏远野外地点进行数据采集时尤为突出。此外,记录工具本身的局限性也会影响行为观察的完整性。清晰观察目标动物的行为始终是必要的,但可视性常受到不可控因素的干扰(如湿气、昆虫、风力引起的晃动)。此外,当录像仅来自单一视角(例如俯视角度)时,发生在垂直平面内的行为(例如抬头动作14)难以准确评估。解决方法是在每次试验中设置多个摄像角度。最后,一天中的时间对行为记录具有显著影响。夜间行为分析需要配备夜间模式的摄像机,并尽量减少光线投射,以避免Y迷宫表面产生干扰性反光,或吸引可能中断摄像信号的昆虫。综上所述,若事先了解研究地点或物种生物学特性,便可预判可能出现的限制因素及其发生频率,从而指导合理样本量的设计。

行为与生理密切相关,Y型迷宫在多种物种行为内分泌学评估中的应用价值已得到证实。然而,本文强调,实验的具体实施方式会因目标物种、研究问题及可用资源的不同而有所差异。因此,在选择实验材料和每个测试装置的尺寸时,应充分考虑未来可能开展的后续研究扩展。第2节描述了对第1节所述材料所作的改进,这些改进旨在适应未来更为复杂的大蜥蜴行为实验。增加大沼泽地迷宫的垂直深度,将有助于回答有关野生捕获大蜥蜴化学生态学的新问题,同时避免不必要地延长项目设计和搭建过程,进一步证明了该实验装置的可转化性。

在相对偏远的环境中应用上述技术时(见第2节),必须考虑若干限制因素,其中项目规划至关重要。根据预定处理实验所需的统计功效以及目标物种的生物学时间特征(如季节性),所需的资源和人力将受到影响。此外,如果需要对焦点动物进行单次或重复使用,则必须特别注意减少潜在的应激源。这些因素中的每一项都会延长项目时间,或需要增加人力、空间和材料投入。例如,第2节中描述了使用野外捕获的雄性蟒蛇作为跟随另一组经激素处理的野外捕获雄性蟒蛇的焦点动物,所有个体均需在暂养箱中静置约24小时以进行适应,从而最大限度地降低应激影响。尽管此类适应期使每次试验时间延长至两天以上,但圈养和操作带来的应激会影响野生动物的行为,因此必须将其降至最低,以获得高质量的数据集34,35。

综上所述,Y型迷宫是一种功能强大且适应性强的工具,可在各种不同条件下用于研究多种野生动物的化学生态学,前提是必须进行严谨的 a priori 规划。研究人员必须仔细考虑,以选择合适的研究问题,并针对特定的分类群和实验条件合理设计实验方案。研究人员和管理者可通过使用Y型迷宫更深入地理解动物化学感受生物学,因为这类工具支持灵活的实验设计,能够获取大量精细的行为数据,尤其是在与远程监测工具结合使用时。

致谢

首个Y型迷宫的开发得到了詹姆斯·麦迪逊大学(JMU)与美国农业部动植物卫生检验局之间签订的合作协议(15-7412-1155-CA、16-7412-1269-CA 和 17-7412-1318-CA)的支持。在大沼泽地国家公园内Y型迷宫的开发由JMU与国家公园管理局之间的合作协议(P18AC00760)资助。我们感谢T. Dean和B. Falk在大沼泽地国家公园推动本项目开展,并在许可申请和资金支持方面提供的协助。我们感谢W. Kellow在USGS Y型迷宫建造过程中提供的帮助。C. Romagosa、L. Bonewell和R. Reed提供了行政与后勤支持。我们感谢两位匿名审稿人提出的有益反馈意见。大沼泽地相关工作的资金及实物支持由美国地质调查局(USGS)大沼泽地优先生态系统科学计划、国家公园管理局(P18PG00352)以及USGS入侵物种计划提供。文中提及的任何贸易、公司或产品名称仅用于描述目的,不意味着美国政府的背书。本文所载的研究发现和结论尚未由美国农业部正式发布,不应被解释为代表美国农业部的决定或政策。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1" 钢制镀锌角撑Everbilt,家得宝13619参见补充文件1,步骤2.1 "90度 2.5 cm 钢制角撑"
121.92 cm 宽 × 304.8 cm  L × 1.27 cm H 白色聚丙烯超高位分子量耐高温扩展范围板材TIVARUHMNV SH参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.1. "白色聚丙烯")
182.88 cm 长 × 81.28 cm 宽 × 0.64 cm 厚 透明亚克力板有机玻璃32032550912090参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.1.6. "丙烯酸部件")
2.54 cm 宽 x 2.54 cm 高 x 243.84 cm 长,磨砂表面铝制实心角材钢铁厂11354参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.1.1. "铝制角撑板")
4.5 千克装 5 毫米圆形聚丙烯焊接焊条卷热风工具AS-PP5N10参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.1. "热焊")
5 mm 平头铝铆钉箭头RLA3/16IP参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.1.1. "铆钉")
铝角,1.9 cmEverbilt,家得宝802527参见补充文件1,步骤1.2 "铝角(1.9 cm × 1.9 cm × 0.16 cm 厚)"
铝角,2.5 cmEverbilt,家得宝800057参见补充文件1,步骤1.2和2.2.2 "铝角(2.5 cm × 2.5 cm × 0.16 cm 厚)"
铝角,3.2 cmEverbilt,家得宝800037参见补充文件1,步骤1.2 "铝角(3.2 cm × 3.2 cm × 0.16 cm 厚)"
铝制扁条 1" x 1/8" 厚Everbilt,家得宝801927参见补充文件1,步骤3.2.1 "铝带"
Avigilon 2.0 MP 相机Avigilon,摩托罗拉解决方案公司旗下企业2.0C-H4SL-BO1-IR参见 "1.5 相机设置与视频采集" (步骤 1.5.1 "Avigilon 2.0 MP")
Avigilon NVRAvigilon,摩托罗拉解决方案公司旗下企业HD-NVR3-VAL-6TB-NA参见 "1.5 相机设置与视频采集" (步骤 1.5.3 "NVR")
透明亚克力板(5.6 毫米厚)美国塑料公司44363参见补充文件1,步骤1.3 "透明亚克力板" 以及步骤 3.2.1 "透明亚克力门"
3/16 角焊焊嘴" x 15/32" 4.5 x 12 毫米TRIAC107.139参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.1. "热焊")
悬挂式文件夹盒Sterilite18689004参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.2.1) "盒子")
HardiePanel HZ10詹姆斯·哈迪建筑产品9000525参见补充文件1,步骤1.1 "纤维水泥外墙板"
热焊接枪TRIAC141.227参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.1. "热焊")
Kraft 牛皮纸卷,24"Bryco 商品24 英寸 × 175 英尺参见 "1.2 跑道上释放气味的泰加蜥实验方案" (步骤 1.2.1.2 "牛皮纸")
Kraft 牛皮纸卷,宽 46 cmBryco 商品BGKW2100参见 "2.3. 散发气味的蟒蛇行为实验方案" (步骤 2.3.4. "加香纸")
Micro-90 浓缩清洗液 国际产品公司M-9050-12参见 "1.4 分解与清理" (步骤 1.4.4) "实验室级皂液")
MKV ToolNix - 适用于 Linux/Unix 和 Windows 的 Matroska 工具Moritz Bunkusv.48.0.0参见 "2.2. 相机设置与视频采集" (步骤 2.2.4.2. "电影处理软件")
网络摄像头Axis CommunicationsM3104-LVE参见 "2.2. 相机设置与视频采集" (步骤 2.2.1) "投影相机")
Palight 项目PVC 1/4"Palram159841参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.2.3. "面罩")
Palight ProjectPVC 1/8"Palram156249参见 "2.1. Y迷宫组件及对美国农业部设计修改的原理 " (步骤 2.1.2.1. "门")
隐私挡风板(绿色)MacGregor大小适配参见补充文件1,步骤4.2 "绿色重型遮阳布"
防护手套,全指式ArmOR 手部装置HS1010-RGXL参见 "2.3. 散发气味的蟒蛇行为实验方案" (步骤 2.3.11.2. 注意: "耐穿刺手套")
REScue 消毒剂Virox 动物健康44176参见 "1.5. 分解与清理。" (步骤 1.5.4. 注意 "消毒溶液")
可逆式PVC封边条,1/2" × 24"UFP 工业公司,Veranda 产品H120XWS17参见补充文件1,步骤2.1 "PVC板隔断",以及步骤 3.2.1 "较薄的PVC装饰板"
S4S / Veranda HP TRIMUFP 工业公司,Veranda 产品H190OWS4参见补充文件1,步骤1.2、2.2.2和2.2.3 "PVC板"
S4S / Veranda HP TRIM (1" × 8" 名义的UFP 工业公司,Veranda 产品827000005参见补充文件1,步骤3.2.1 "PVC 装饰板"
ScotchBlue 24英寸预贴式油漆工胶带’塑料3MPTD2093EL-24-S参见 "1.2 跑道上释放气味的南美蜥蜴实验方案" (步骤 1.2.1.3 "塑料薄膜")
Sterilite 114 L 储物箱Sterilite 公司1919,Steel参见补充文件1,步骤3.2 "臂盒"
Sterilite 189 L 储物箱Sterilite 公司1849,钛参见补充文件1,步骤3.2 "底座盒"
超级大篷顶ShelterLogic25773参见补充文件1,步骤4.3 "白色顶棚"
VLC 媒体播放器 VideoLANv.3.0.11参见 "2.2. 相机设置与视频采集" (步骤 2.2.4.3. "媒体文件审阅程序")
白色亭帐国王树冠BJ2PC参见补充文件2 "3. 围护材料及注意事项" (步骤 3) "帐篷篷")

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重印与许可

勘误


Formal Correction: Erratum: Using Enclosed Y-Mazes to Assess Chemosensory Behavior in Reptiles
Posted by JoVE Editors on 7/27/2021. Citeable Link.

An erratum was issued for: Using Enclosed Y-Mazes to Assess Chemosensory Behavior in Reptiles. An author name was updated.

The name of the tenth author was updated from:

Amy Y. Yackel Adams

to

Amy A. Yackel Adams

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