一种用于多种训练方法的游泳诱导斑马鱼运动装置

在斑马鱼研究中，可以通过市售或定制的游泳通道来实施体力运动。本文中，我们利用易于获取的材料，开发了一种高通量、操作简便的斑马鱼运动系统。该装置的设计基于斑马鱼的真实接近行为。

为了测试该装置的效率，采用了两种运动方案：中等强度持续训练和高强度间歇训练。为了监测流量传感器显示的水流速度，我们使用了Arduino Nano、16×2液晶显示屏、一个10千欧¼瓦直插式电阻和一个10千欧电位器。

按照提供的示意图组装组件。使用面包板、导线、电烙铁、电线和三个公头跳线。通过 Arduino IDE 使用合适的 USB 数据线加载提供的 Arduino 程序。

LCD 屏幕上显示水流速率、距上次重置后的时间（分钟）以及水流速度。组装水循环系统时，使用 3/4 英寸的 PVC 管道和 3/4 英寸的连接件。需要创建两个出水口。

第一个管道将水流从主通道引回储水池，第二个管道将水流导向鱼类训练区。添加一个总阀门以调节回流水量，再添加一个上部出水阀以调节流向训练区的水量。

将三通接头连接到上部阀门。注意，必须在靠近阀门的接头内部添加一个网片，以防止鱼类进入装置的底部。在三通接头中安装一个总控阀门，该阀门将作为鱼类进出系统的闸门。

将亚克力管连接到三通接头。接下来，将流量传感器连接到亚克力管。注意，必须在管内放置一个筛网，以防止鱼类通过。

将部分组装好的装置连接到水箱内潜水泵上。为了维持水的循环，需将软管连接至流速传感器之后的装置末端部分。最后，将流速传感器连接至监测器，以监测水流速度。

请注意，这些是必须按正确顺序连接的接头。现在设备已准备就绪，可在添加斑马鱼之前，需先设定好流速。

为此，首先完全打开两个流量控制阀，使气泡能够排出系统，同时保持鱼入口和出口阀关闭。接着，将流速调节至最大速度，约为 0.6 米每秒。这将有助于利用上方阀门更精确地调节流量。

捕获鱼类后，关闭上方阀门以停止水流。然后完全打开下一个阀门，作为鱼类的入口通道。需注意保持阀门开口朝上。

随后立即关闭进水阀并打开流量控制阀。可放入最多六条鱼的小群体，应一次性全部放入。如需取出鱼类，需完全关闭上方阀门，旋转鱼的进出口阀门，使其开口朝下。

然后完全打开阀门。使用容器收集鱼类以及将因重力作用从装置中流出的水。最后关闭进出水阀门，以防止水泄漏。

在实施运动实验方案之前，必须使动物适应相对较低且恒定的速度，每天至少60分钟，持续一周。每次运动训练前，必须使动物适应10分钟。适应期结束后，需通过评估动物逆流游泳的最大速度来确定Umax。

为此，每分钟将流速增加 0.02 米/秒，直至鱼类力竭。要提高流速，只需轻轻打开上方阀门，并通过液晶显示屏监控流速。根据最大能力测试所确定的 Umax 的 60%，使鱼类在水流中进行 35 分钟的强制游泳。

注意，在前10分钟内，鱼类以与久坐组相同的速度进行适应，即0.06米每秒。鱼类在不达到体力耗竭状态的情况下，逆着恒定的水流速度游泳。对鱼类施加强制游泳，交替改变游泳速度。

以90% Umax强度持续2分钟，随后以30% Umax强度持续2分钟，重复进行18分钟，共9个循环。鱼类在交替变化的水流速度下游泳，但未达到身体力竭状态。该装置设计精确，可对流速进行精细调节。

然而，当速度较低（0.06 米/秒）时，误差约为 30%。当速度较高（约 0.3 米/秒和 0.5 米/秒）时，误差率仅为 3% 至 4%。在最终的耐力测试中，久坐组训练期间达到的最高速度为 0.4 米/秒，中等训练组为 0.44 米/秒，高强度训练组为 0.49 米/秒。

两种训练方案的设计均覆盖相同的距离，但高强度训练方案在提升表现速度方面效果更显著，这从每周最大游泳速度（Umax）的增加中可见一斑。接受高强度训练的鱼类每周表现提升约10%，总体提升约30%。相比之下，接受中等强度训练的鱼类进展较慢，仅在第三周表现出明显的10% Umax提升，而在随后的一周内未见进一步改善。

这些结果强调了训练方案的选择可能对斑马鱼的运动表现产生不同的影响。在本研究中，我们设计了一种新的低成本运动系统，其灵感来源于现有的游泳隧道和水槽系统。该系统可对斑马鱼的游泳能力进行系统而全面的评估。

我们通过逐步增加水流速度直至斑马鱼力竭来确定其最大游泳速度（Umax），力竭的判定标准为连续三次疲劳或无法继续逆流游泳。这些结果帮助我们设计了两种运动方案，并验证了泳道装置在评估斑马鱼运动能力方面的有效性。此外，该紧凑型系统具有良好的通用性，可覆盖较宽范围的水流速度，便于定制训练方案。