为条件较差的鱼类设计的运动装置,可通过调节水流速度以实现趋流性,从而实施多种不同强度的运动方案。
为条件较差的鱼类设计的运动装置,可通过调节水流速度以实现趋流性,从而实施多种不同强度的运动方案。
为全面研究运动对健康与疾病的影响,动物模型发挥着关键作用。斑马鱼作为一种广泛应用的脊椎动物模式生物,为这类研究提供了独特的平台。本研究介绍了一种利用 readily available materials 制建的、专为斑马鱼运动研究设计的低成本装置。该装置基于泳道水槽原理,包含连接潜水泵的管道与阀门系统。水流由传感器精确监测并进行调控 通过 瓣膜。为评估该装置的有效性,实施了两种训练方案:中等强度持续训练(MICT)和高强度间歇训练(HIIT)。鱼类进行集体训练,并通过耐力测试评估其游泳表现。与久坐不动的对照组相比,两种训练方案在持续30天训练后均显著提升了游泳表现,并诱导了运动相关分子反应的改变。值得注意的是,HIIT的效果优于MICT。该斑马鱼训练系统被证实是研究运动生理学的有力工具,进一步拓展了斑马鱼模型在此领域的应用价值。
身体活动包括由骨骼肌收缩引起的任何导致能量消耗增加的身体运动,而运动则是身体活动中有计划且重复进行的子集1。运动是一种涉及全身的多因素、低成本且高效的活动,具有多种健康益处,例如可预防代谢综合征和肌肉减少症2。因此,运动生理学领域具有重要意义,其研究重点在于阐明机体如何应对运动带来的急性应激、长期训练引起的慢性应激,以及运动对健康的总体影响1。
在人类中开展运动生理学研究可能既昂贵又耗时,这主要是由于实验设计和受试者监测方面存在挑战3。因此,由于动物模型具有遗传和生理上的一致性,实验室研究中强烈推荐使用动物模型。此外,在受控的实验室条件下,动物通常具有久坐的生活方式和受调控的食物摄入量4。在各类动物模型中,啮齿类动物是运动相关研究中应用最广泛的模型1。然而,斑马鱼(Danio rerio;Hamilton, 1822)是小鼠及其他物种在运动研究中的重要补充模型5,6,7,8。
在斑马鱼研究中,可以通过市售或定制的游泳通道进行体力运动实验。在市售设备中,由Loligo System公司开发的Blazka型通道应用最为广泛7,9,10。该系统通过与电动机相连的螺旋桨驱动,使通道内产生持续的水流,从而诱导鱼类进行强制游泳。这种游泳行为基于鱼类的趋流性(rheotaxis)原理,即鱼类天生倾向于逆流游动并保持自身位置的本能行为11。趋流性使得研究人员能够测定临界游泳速度(Ucrit),即鱼类在特定时间内可持续游动的最高速度。然而需要注意的是,尽管该设备在评估游泳行为和耗氧量方面具有重要价值,但其成本较高12。
研究人员已开发出多种用于斑马鱼运动的替代装置,这些装置通常基于Blazka型机制10,13,14,或采用更简单的机制8,15,16。然而,这些方法可能受限于实验方案的技术要求,包括耗时较长、设备成本较高,以及通量和精确度方面的局限性。因此,本研究的主要目标是利用 readily available materials 设计一种价格低廉且操作简便的斑马鱼运动系统,为鱼类的体力运动提供一种新的替代装置。次要目标是在斑马鱼中实施有氧和无氧运动方案,进一步推动斑马鱼模型在运动研究干预策略中的应用。
本实验程序已获得圣保罗联邦大学动物使用伦理委员会的事先批准(CEUA/UNIFESP 编号:9206260521)。本研究仅使用6月龄、体重为2.5–3 g的成年雌性野生型Danio rerio。实验所需的仪器和试剂列于材料表中。
1. 定制的斑马鱼运动装置
注意:运动装置为定制设备。详细信息请参见图1、补充表1、补充文件1和补充文件2。
2. 仪器操作
3. 耐力测试
注意:此步骤概述了用于测定斑马鱼最大游泳速度(Umax)的耐力实验流程。
4. 运动分组与实验流程
注意:为了建立不同的运动方案,必须设置一个久坐组,使其暴露于相同的实验条件下,以便与进行高强度运动的实验组比较运动方案的效果,尽管该组不进行高强度运动。同时,必须确定最大摄氧量(Umax),因为需要以 Umax 的百分比来确定运动方案的强度。
5. 身体测量
该运动装置在调节流速方面表现出显著的高效性。为了逐步提高游泳速度,除SED组保持0.06 m/s的恒定流速外,其余各组每周均逐步增加水流速度。值得注意的是,该装置实现了极高的精确度,流速调节精度可达0.001 m/s。然而,在低流速(如0.06 m/s)时误差率为30%;在高流速(如0.3 m/s和0.5 m/s)时,误差率则为3%–4%(图2)。在最后一次耐力训练中,SED组达到的最高速度为0.4 m/s,MICT组为0.44 m/s,HIIT组为0.49 m/s。
使用耐力测试中的最大游泳速度(Umax)每周评估斑马鱼的运动表现。结果显示,与静坐对照组(SED)相比,进行中等强度持续训练(MICT)和高强度间歇训练(HIIT)的斑马鱼运动表现显著提升(图4)。MICT和HIIT组在训练期间完成的游动距离相同;然而,HIIT组表现出更快的改善效果,仅在训练两周后即观察到Umax显著增加(p = 0.0003)。在整个训练过程中,HIIT组每周持续提升约10%,最终总体提升约30%。相比之下,MICT训练的改善较为缓慢,仅在第三周观察到Umax显著提高约10%(p = 0.0024),随后一周未见进一步提升。这些结果凸显了HIIT与MICT训练方案对斑马鱼运动表现的不同影响。

图 1:装置设计。(A)游泳装置的示意图。蓝色箭头表示水流方向。图中显示了相关管道长度。字母代表补充表 1中描述的各个装置组件。(B)装置的照片。请点击此处查看此图的放大版本。

图2通过测量0.5 L水流所需时间对水流量传感器进行校准。 0.06 m/s 组的均方误差为 0.277,0.3 m/s 组为 0.123,0.5 m/s 组为 0.109。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3:Arduino 与 LCD 连接示意图。 传感器的相应导线应连接或焊接在 Arduino 的 D2 引脚与 10 kΩ 电阻之间(信号线)、Arduino 的接地端(黑色导线)以及 Arduino 的 5 V 电源端(红色导线)。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4:以最大游泳速度(Umax)表示的游泳能力。 a、b 和 c 表示各组内每周游泳能力估计值之间的统计学差异。* 表示组间差异,采用双因素方差分析(Tukey 事后检验)进行比较。*p = 0.01;**p = 0.001;***p = 0.0001。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5:形态学测量。(A)体况指数(体重 [g] / 标准体长 [mm]2;BMI)。(B)体长测量的代表性图像。(C)体况评分(BCS)。误差条表示 BMI 的范围为 0.026 至 0.045,BCS 的范围为 0.4 至 0.96。请点击此处查看此图的放大版本。
补充表1:斑马鱼运动装置的材料与组装指南。 表格中的字母与图示中的组装顺序相对应。请点击此处下载该文件。
补充文件 1:用于测量水流速度的带注释 Arduino 程序。 每行代码的注释均位于双正斜杠之后。 请点击此处下载该文件。
补充文件 2:Arduino 文件,包含设置详情。 请点击此处下载该文件。
本研究受Loligo Systems的游泳隧道呼吸测定仪21和水槽系统22启发,开发出一种创新且经济高效的运动系统,用于全面评估斑马鱼的游泳能力。通过分阶段系统性地增加水流速度,每阶段持续较短时间(20–30分钟),直至鱼类达到力竭状态,以此测定最大游泳速度(Umax);力竭的判定标准为鱼类连续三次出现疲劳或无法克服游泳隧道中的水流。这些测定结果对于设计两种运动干预方案(MICT和HIIT)具有关键作用。与各阶段持续时间相对较长(从一小时到数小时不等)的其他方案不同,本系统中测定的力竭时水流速度即为临界游泳速度(Ucri)12。利用该运动系统测得的Umax值处于其他研究报道的范围之内7,证实了该游泳隧道装置在评估斑马鱼运动能力方面的有效性。此外,该装置结构紧凑,能够覆盖全范围的水流速度,便于灵活定制各种训练方案。
在该装置的开发中,仅通过控制水流速度即可创建不同的运动方案。在低速条件下,水流速度的精确测量存在困难,导致误差率约为30%。然而,在中速和高速(接近Umax)条件下,速度测量的精度提高,误差率降低至3%-4%,结果更为可靠。因此,该设备在低速范围内的精度存在局限性。尽管如此,研究发现,即使水流速度变化0.02 m/s,对SED组在训练期间的运动能力也未观察到显著影响。这表明,在本研究提出的模型中,低强度训练的微小变化可能不会对运动能力产生显著影响。该装置的另一局限性是缺乏氧气传感器,因此无法测量耗氧量。
既往研究表明,成年雄性和雌性斑马鱼在游泳速度上存在显著差异,可能的原因包括形态学差异(如怀卵雌鱼体型更粗壮)以及生理学差异(如怀卵鱼类肌肉输出功率降低)5,23,24。本研究仅对雌性斑马鱼实施训练方案,并注意到这些雌鱼在训练前、训练期间及训练后均经历了三个繁殖周期,且每次繁殖均在体征测量之前完成。这一策略有效消除了性别间的体型差异。此外,本研究发现各训练组之间的身体参数(图5)以及雌鱼训练前后身体参数均无明显差异。尽管未对个体间的年龄差异进行严格控制,但已有充分文献表明,由于个体发育、繁殖和衰老等因素,游泳表现及运动能量需求在整个生命周期中可能发生显著变化25,26,27。尽管每组内部可能存在年龄差异,但所有实验动物均根据体型、体重以及一致的性成熟成体阶段进行了精细分组。值得注意的是,在开始运动训练前,各组之间未观察到具有统计学意义的差异。因此,可以合理推断,所观察到的游泳能力提升可明确归因于所采用的运动训练方案。
本研究旨在通过实施两种不同的运动方案来评估该运动系统的有效性。虽然中等强度持续训练(MICT)包含一种持续的、连续的运动方案,高强度间歇训练(HIIT)则包含短时间最大强度运动,随后是短暂的低强度恢复期。两种方案均经过精心调整,以在整个训练期间提供相等的训练负荷,同时避免诱发疲劳。SED组与其他运动组一样,在四周内每周进行一次耐力测试,但其运动表现提升极小。耐力训练已被证实可增强心输出量、最大摄氧量以及线粒体生物合成28;然而,每周的运动频率不足以引起游泳表现的显著变化。当斑马鱼接受MICT训练时,在训练第三周后观察到游泳表现的显著提升。但在随后的一周内未见进一步改善。MICT要求个体在较长时间内维持亚最大负荷运动,需要高于平均水平的功率输出22。尤为显著的是,HIIT组表现出最明显的改善,在训练仅两周后即出现运动表现的显著提升,并持续至第四周。尽管已有充分证据表明,短时间高强度运动可导致耐力适应,但具体哪种运动类型可引发肌肉表型转变,仍是当前研究持续探讨的课题28。
需要明确的是,本论文所呈现的研究不存在任何相关的竞争性财务利益。未与任何组织或实体建立可能影响或偏倚本研究结果的财务合作关系或关联。本声明旨在保证研究过程的直接性和诚实性,确保没有任何财务冲突影响研究结果。本研究的发表源于对研究主题的真挚热情,完全由对学术和科学知识追求的热爱所驱动。
感谢Omar Mertins博士慷慨提供实验室,用于鱼类的饲养和实验操作。此外,感谢圣保罗研究基金会(FAPESP,项目编号2020/12084-8和2021/14313-7)、国家科学技术发展委员会(CNPq,项目编号151756/2022-8)以及高等教育人员培训协调机构(CAPES)为支持本研究提供的奖学金资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 用于管道的CPVC雌性90度弯头 | Tigre | 22150260 | 3/4英寸 |
| 24AWG导线 | Sky Cablo Store | 穿孔电路板组件之间的连接(1米) | |
| 亚克力管 | The Clear Plastic Shop | 41138408 | 3/4英寸 |
| 水族箱潜水式鱼缸泵 | Aqua Tank | 300瓦 | |
| CPVC管 | Tigre | 10121787 | 3/4英寸 |
| 带外螺纹的雌性闸式水阀 | Tigre | 27950310 | 3/4英寸 |
| 带外螺纹的雌性截止水阀 | Tigre | 27940510 | 3/4英寸 |
| 通孔电阻器 | BXV | 10 kΩ, 0.25W | |
| 带夹具的实验室支架,配30英寸杆 | Masiye Labs | RSC0001 | 用于支撑水平管道 |
| LCD显示屏 | Eichip | 16 x 2,型号JHD162A | |
| 公对公杜邦跳线 | Chyan | Arduino与流量传感器之间的连接(30厘米) | |
| 单面穿孔电路板 | KY WIN ROBOT | 5 x 10 厘米 | |
| 电位器 | LUSYA | DL-ALPSA01 | 10kΩ |
| 防水胶带卷 | One World | 5603131000 | 用于防止泄漏 |
| 硅胶软管 | Tigre | 14211250 | 内径2厘米 |
| 焊台 | QHTITEC | EU/US PLUG | Arduino系统焊接 |
| 焊锡丝线轴 | BEEYIHF | I001-A001-Set | Arduino系统焊接 |
| 带螺纹的雄性接头和无螺纹的雌性接头CPVC管件 | TIgre | 35447849 | 3/4英寸 |
| 三卡因(MS-222) | Sigma-Aldrich | E10521 | 麻醉剂 |
| UNO-R3开发板,UNO R3 CH340G+MEGA328P芯片,16MHz | FSXSEMI | 适用于Arduino UNO R3开发板 | |
| 无螺纹CPVC三通管件,雌性 | Tigre | 22200267 | 3/4英寸 |
| 无螺纹雌性CPVC插座管件 | Tigre | 22170260 | 3/4英寸 |
| 水流传感器 型号YF-B5 | Siqma Robotics | SQ8659 | 1-25 升/分钟 |
| 水泵 | Sunsun | 型号HJ-2041,3000升/小时,65瓦 | |
| 储水箱 | 定制 | 30 升 |
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