多室社交偏好实验已从啮齿类动物改良应用于斑马鱼,有助于在模式生物中研究社交行为。本方案验证了一种低成本的三室开放式水箱实验方法,利用网络摄像头和开源软件测量斑马鱼的社交偏好,使其更适用于本科生科研与教学。
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多室社交偏好实验已从啮齿类动物改良应用于斑马鱼,有助于在模式生物中研究社交行为。本方案验证了一种低成本的三室开放式水箱实验方法,利用网络摄像头和开源软件测量斑马鱼的社交偏好,使其更适用于本科生科研与教学。
理解社会行为是神经行为学研究的核心目标之一,通常通过社会偏好任务进行研究。这些任务最初为啮齿类动物设计,随后被改进用于斑马鱼,广泛用于研究社会动态和行为反应。三室开放式自由游泳任务(OTFST)包括一个中央实验箱,两侧各有一个刺激箱,上方设有摄像头,用于记录中央箱中实验个体的行为,同时使用偏振膜和背光照明以提高视频质量和有效性。本方案采用低成本装置,使用USB网络摄像头和易于获取的材料。我们重点介绍了DeepLabCut的应用,这是一种开源的无标记姿态估计算法工具,可精确追踪动物运动视频,并提供位置时间序列数据,用于多种指标的分析。预实验验证了该系统捕捉稳定社会偏好行为的能力。这种经济型方法为研究斑马鱼社会互动的实验室提供了一个易于实施且可扩展的平台,而三室OTFST的灵活性和相对简便性也使其适用于本科生教学实验室和科研项目。
社会偏好是指个体对社交刺激的接近、寻求或回避倾向,是社会行为的一个基本方面,在包括人类在内的动物群体中对建立联系和等级关系起着关键作用1,2,3,4。理解社会偏好对于揭示社会互动背后的神经和行为机制至关重要。先前的研究表明,社会偏好的缺陷可能与神经发育障碍和精神疾病相关5,6,7,8。动物模型有助于揭示社会行为的生物学基础,并促进用于诊断和治疗社交障碍的转化工具的开发。这些动物模型从啮齿类动物9,10到水生物种11,12,为相关研究提供了有用的框架。
由于啮齿类动物在生理学上与人类具有相似性14,15,自19世纪早期起便被首次用于行为学研究13。尽管最初的研究集中于攻击性等行为,但对社会偏好行为的系统性测量仍较为有限。为填补这一空白,Nadler 等人开发了三室社会偏好实验任务16。该装置由三个相互连通的实验腔室组成。通常,一侧腔室中放置一只新的同种动物,而另一侧腔室则保持空置。实验动物可自由探索所有腔室,记录其在各腔室中停留的时间,并以此作为社会偏好的评估指标。该装置及其操作流程,以及多种变体形式,已获得广泛应用,被用于研究社会行为表现的多个方面17,18,19,以及自闭症谱系障碍啮齿类模型中的社会功能缺陷5,20,21。然而,啮齿类动物研究成本较高,且需要较大的空间。因此,许多研究人员转而采用水生物种开展神经行为学研究。
水生物种中最突出的是斑马鱼(Danio rerio),其具有复杂的行为谱系,包括复杂的社会互动22。由于其在生物医学研究中的实用价值以及社会互动在其行为生态学中的重要性,斑马鱼为研究社会反应提供了一个有意义的框架,可用于与人类进行比较23。斑马鱼在行为神经科学研究中日益流行,因其饲养成本低廉且所需空间相对较小,使其成为大规模研究社会行为和社会偏好的经济且实用的模型24。在一些研究中,采用相邻水箱构型来研究水生物种的社会互动25,26;然而,这种设置在评估社会偏好时通量有限,因为仅呈现一种刺激。这一局限性在2018年通过将小鼠三室实验任务改进应用于斑马鱼得以解决27。改进后的三室开放式自由游泳任务(OTFST)装置由一个丙烯酰胺水箱组成,通过固定的丙烯酰胺隔板分为一个中性起始区和两个侧室,每个侧室分别容纳一条熟悉的或陌生的同种个体。为测量社会偏好,记录个体在每个侧室附近停留的累计时间,结果表明乙醇暴露和sam2基因敲除会降低斑马鱼对新奇刺激的偏好27。尽管啮齿类动物的三室社会互动测试允许受试个体与测试同种个体通过视觉、化学、触觉和听觉等多种模式进行复杂的多模态互动,但水生三室OTFST中使用独立隔室的方式将受试个体与刺激动物之间的互动限制在仅视觉模态。虽然这种单模态互动在生态效度上可能较低,但它为实验提供了更强的控制性,并提高了本科生研究人员开展项目时的操作简便性。在现有文献中,已有不同研究者探索了三室OTFST的多种改进形式,以研究影响斑马鱼社会行为的遗传和环境因素28,29,30,31,32。
当前对三室开放式场测试装置(3-chamber OTFST)的改进设计旨在提供一种多功能且适合本科生使用的模型设备。FishLab 是一个完全由本科生参与的实验室,创建并应用了该装置,并已证明其作为高通量工具在研究斑马鱼社会偏好的有效性。利用该装置开展的研究探索了斑马鱼社会偏好在多种自变量操控下的不同方面。第一项研究证明斑马鱼能够区分真实活体与模拟的社会刺激33,第二项研究考察了斑马鱼对已建立群体与新形成群体的偏好差异34,最近的一项研究则检验了斑马鱼区分化学警戒信号存在与否的群体的能力35。这些研究共同探讨了社会行为的不同方面,包括刺激的真实性、熟悉度以及威胁识别能力,同时揭示了群集偏好的共性,并评估了对捕食风险的反应。然而,前述研究中使用的装置采用了安装在专业摄像支架上的数字IP摄像头、专用的水生动物饲养架系统,以及专有的视频采集与分析软件,总成本可能对预算有限的研究人员或教师而言过高。随着开源软件和高质量USB网络摄像头的出现,现在研究人员可以构建一种低成本版本,适用于指导本科生开展此类技术研究,其总成本(约2,000美元,不含计算机)远低于高成本系统(约20,000美元以上,不含计算机)。
以下方案概述了斑马鱼三室社交测试装置(3-chamber OTFST)低成本版本的开发与应用。由于其成本低廉、操作简便且用途广泛,该装置对于经费有限的小型实验室或教学环境而言是一种实用的工具。当与低成本的饲养环境(如常见的10加仑水族箱)结合使用时,当前系统的部署和维护成本显著降低。此外,使用开放获取软件(如开放广播系统OBS)记录实验过程,以及多种追踪分析软件(例如DeepLabCut、SLEAP等),为捕获斑马鱼社交行为的视频并生成时间序列数据提供了一个低成本且易于获取的技术框架。
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所有实验程序均经克里斯托弗纽波特大学机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准(方案编号 #2025-23)。
1. 动物
2. 三室开放式水箱自由游泳实验装置与软件
3. 行为学测试
4. 获取用于分析的结构化数据
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为了验证上述低成本方法,采用 Velkey 等人实验中的一项条件33 使用当前低成本装置重复了该实验。向受试者(N = 23,男性11名,女性12名)呈现左侧的人工移动模型(低保真度)社交刺激和右侧的真实鱼群(高保真度)社交刺激(图2);如先前的研究所示33,34 未使用OTFST检测到刺激位置的任何效应或交互作用,人工社交刺激和真实社交刺激的位置是固定的,未进行平衡。采用样本技术获取的数字视频通过DeepLabCut进行特征分析,以每秒30帧的频率提供每个受试者在测试过程中运动的位置时间序列数据补充文件 1)。实验中将中心实验区域的视频画面均分为三个等大的垂直区域(左侧移动区、中央区和右侧活体鱼群区),并使用Python代码对这些区域进行后续分析。分析结果提供了每条鱼在各区域内所停留时间占整个实验时长的百分比,以及在各区域内静止不动的时间占整个实验时长的百分比(像素移动少于3个像...
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本方案表明,当前这种低成本改造的三室开放式场测试装置(3-Chamber OTFST)能够可靠地通过个体在特定区域停留的时间来表征成年斑马鱼的社会偏好行为。利用低成本的构建材料、USB连接的网络摄像头以及开源的视频采集与分析软件,本系统成功重现了斑马鱼更偏好真实活体同种鱼群而非低仿真移动模型的经典发现。这些结果验证了低成本三室OTFST模型在研究鱼类视觉介导社会偏好方面的有效性。在本方案实施过程中,必须在中央测试室两侧壁上安装偏振薄膜,以确保只有实验个体能够看到两侧相邻测试室中的视觉刺激,同时防止活体刺激鱼看到对侧测试室中的视觉刺激。同样,必须通过PVC框架将测试室固定到位,以保证各次实验间视频构图的一致性。为保持光照恒定,在测试装置后方设置了LED背光源,并校准至照度均匀的15 lux。为确保视频采集正常进行,摄像头应正对中央测试室放置,使水箱正面完全充满视频画面。为尽量减少摄像头位置的扰动,需将摄像头牢固地旋紧在支架上,并将USB线缆固定在安装杆上。为进一步降低干扰风险,可在摄像头外部或安装框架上加装摄像头防护笼,防止摄像头因碰撞而偏离对准位置。
本方案的一个显著优势在于整合了...
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作者声明不存在利益冲突。资助方在研究设计、数据收集、分析或解释、论文撰写,以及决定是否发表研究结果等方面均未发挥作用。
作者谨此感谢克里斯托弗纽波特大学 TheFishLab 团队的 Rommel Pagkalinawan、Robby Buck、Elizabeth Hiltz、Haley Dewitt、Maia Tankersley、Alexis Thai-Nguyen、Grady Fleming、Jacob Young 和 Jack Medlin,他们在动物饲养以及验证实验的数据收集中作出了贡献。作者还感谢 Samantha Commons 在 2025 年夏季社区负责人项目期间提供的协助,包括对现有高成本装置和低成本装置的所有组件进行清点。作者同时感谢克里斯托弗纽波特大学学生研究与创意活动办公室通过本科生暑期学者项目为 K.K. 提供的资金支持。图 2 由 Kinslow, K. (2025) 使用 BioRender 制作。https://BioRender.com/wbf0wph。
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