Name: 一种用于多种训练方法的游泳诱导斑马鱼锻炼器材 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-10-18T12:50:00.000+00:00
Duration: 10 min 34 s
Description: 学习使用Arduino控制的游泳隧道系统对斑马鱼进行高强度间歇训练和中强度持续训练。该装置可精确调节水流速度，每周提升10%游泳性能，为水生运动生理学研究提供可靠方法。

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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。

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。
<ol>
	<li>将一个潜水泵（N）放入水箱（O）（≥30 L）中。确保水满足以下条件：pH 为 7.2 ± 0.5，电导率为 400 ± 50 µS，温度为 28 ± 1 °C。</li>
	<li>参照补充表 1和图 1，将管道（I）连接至三通管（B）的一端，并在 B 的侧面连接一段小管（G）。从 G 出发，依次连接截止阀（F），再连接另一段 G 管，然后顺序连接至弯头管（A）和 I，从而完成系统中用于调节水压的管路部分。该调节通过回流水至水箱（O）实现。</li>
	<li>在三通管（B）的另一分支上，连接管道（J），随后连接 A 和 G。使用直通管接头（D）将闸阀（E）与 G 管连接。</li>
	<li>通过将 B 一端连接至 G，并在另一端连接另一段 G 管，在系统中集成一个鱼类入口。随后将直通管接头（C）连接至该段 G 管，形成与亚克力管（K）的连接序列，该亚克力管对观察鱼类游泳行为至关重要。
	<ol>
		<li>为将 K 与水流传感器（M）连接，使用管件 C、G 和 D。接着使用 D 将 M 连接到 G，然后接入 A、G 和 H，以使水流返回储水箱。 
		注意：在闸阀与截止阀之间的短管段（F2）中插入一层蚊帐网，以防止鱼类进入装置的其他部分。截止阀（F）具有双重功能。第一个截止阀（F1）控制进入装置其余部分之前返回储水箱的水流，作为系统压力控制阀；第二个截止阀（F2）则作为斑马鱼进入和离开系统的通道。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在亚克力管下游安装一个水流传感器。 
	注意：水流传感器应连接至 LCD 显示屏，并使用 Arduino 进行编程（图 1）。Arduino 设置的详细信息见补充文件 2。</li>
</ol>
2. 仪器操作
<ol>
	<li>为安全地将鱼类引入系统，必须中断水流。为此，请关闭闸阀（E），同时保持截止阀（F1）处于开启状态。随后打开截止阀（F2）（作为系统的入口），轻柔地放入鱼类，并立即关闭F2阀。最后，打开E阀，使水充满实验区域。</li>
	<li>使用截止阀控制水流速度，并在需要时将水流导回储水罐。</li>
	<li>利用闸阀（F2）进行精确的流量调节，并控制鱼类的进出。</li>
	<li>在测试结束时移除鱼类，观察到鱼类达到力竭标准后，关闭阀门（E）。然后打开阀门F，并将其相对于亚克力管轴线旋转180°；此举将促使水流携带力竭的鱼类一同排出。</li>
	<li>执行流量监测。 
	注意：必须通过一个包含Arduino Nano、16×2 LCD显示屏、10 kΩ、0.25 W穿孔电阻和10 kΩ电位器的系统来监测水流速度。流量传感器基于霍尔效应技术持续监测水流速度17。每次电流脉冲对应传感器叶轮的一次旋转，产生的频率（Hz）为6.6 × Q（流量，单位为L/min）。
	<ol>
		<li>将流量传感器的相应导线连接至Arduino Nano的5 V、GND和D2引脚（补充表1）。使用Arduino IDE将提供的程序草图（补充文件1）上传至Arduino。通过Arduino的USB端口为系统供电。 
		注意：流量测量结果将显示在16×2 LCD屏幕上。水流传感器的校准曲线见图2。Arduino与LCD之间连接的电路图见图3。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>首先，让鱼类在游泳通道内每天适应低水流速度（0.06 m/s）60分钟，持续两周。 
	注意：经过24小时的预适应期后，每条斑马鱼将进行持续游泳能力测试。该测试的目的是确定每条鱼的最大游泳速度（Umax）。</li>
	<li>将斑马鱼单独放入实验装置中。</li>
	<li>测试条件：使鱼逆水流游动，初始流速为0.06 m/s，持续10分钟。</li>
	<li>流速递增：以离散阶段逐步增加水流速度，每分钟增加0.02 m/s，持续40–50分钟。</li>
	<li>Umax的确定：当鱼达到力竭标准时，记录其最大游泳速度（Umax）。 
	注意：力竭的定义为出现以下任一情况的首次发生：（1）无法维持在逆水流中的位置超过三次；或（2）无法持续维持位置超过5秒。</li>
	<li>一旦观察到力竭标准，立即关闭阀门（E）。然后打开阀门F，并将其相对于亚克力管轴线旋转180°。此举将促进水流排出，从而将力竭的鱼带出。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>久坐（SED）组：使鱼类在0.06 m/s的水流速度下进行60分钟的强制逆流游泳。 
	注意：该装置产生持续的水流，依据鱼类趋流性原理，迫使鱼类逆流游动11。</li>
	<li>中等强度持续训练（MICT）组：使鱼类在最大游泳速度（Umax）的60%下进行35分钟的强制逆流游泳，Umax值由最大能力测试确定。 
	注意：本方案改编自Húngaro等人的研究18。在前10分钟内，鱼类需适应与久坐组相同的流速（0.05 m/s）。</li>
	<li>高强度间歇训练（HIIT）组：使鱼类进行交替速度的强制游泳：以Umax的90%游2分钟，随后以Umax的30%游2分钟，重复进行18分钟（共9个循环）。本方案改编自Marcinko等人的研究19。 
	注意：在运动期的前10分钟内，需使鱼类适应与久坐组相同的流速（0.06 m/s）。</li>
	<li>所有运动方案均每周实施5天，持续4周。 
	注意：鱼类应饲养在提供适宜条件的水族箱中，仅在指定运动时段内放入运动装置。每日应投喂三次热带鱼薄片饲料，饲养水族箱中的水应每2天进行一次部分更换。</li>
	<li>每周结束时重复进行耐力测试，以疲劳时的潜伏期和速度数据作为体能状况参数的指标。</li>
	<li>为诱导过度训练效应，应根据每4天训练周期后进行的耐力测试结果，每周逐步提高水流速度。训练时长需根据所行进的距离（速度 × 时间）进行调整，并确保各运动组之间的训练时长保持一致。</li>
	<li>根据水流速度的增加相应调整游泳时间，从而在各运动组之间标准化训练负荷。</li>
</ol>
5. 身体测量
<ol>
	<li>通过浸入0.0075%（w/v）三卡因对鱼类进行麻醉，以进行体质量测量（体重和体长）20。</li>
	<li>对鱼类进行拍照并称重，使用ImageJ软件测定其身体尺寸。</li>
	<li>将数据表示为体况指数（体重[g]/标准体长[mm]²；BMI）和体况评分（BCS）20。</li>
	<li>为消除卵子形成引起的体型和体重差异，应对鱼类进行标准化繁殖处理20，然后进行测量和称重。</li>
</ol>

<ol><li>Seo, D. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Humanized+animal+exercise+model+for+clinical+implication%5BTitle%5D)+AND+%22Pflugers+Arch+Eur.+J+Physiol%22%5BJournal%5D)">Humanized animal exercise model for clinical implication.</a> Pflugers Arch Eur. J Physiol. 466 (9), 1673-1687 (2014).</li>
<li>Nylén, E. S., Gandhi, S. M., Lakshman, R. Cardiorespiratory fitness, physical activity, and metabolic syndrome. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNyl%C3%A9n%2C+ES+%22Cardiorespiratory+Fitness+in+Cardiometabolic+Diseases%3A+Prev.+%26+Manag.+in+Clin.+Pract%22">Cardiorespiratory Fitness in Cardiometabolic Diseases: Prev. & Manag. in Clin. Pract</a>. , Springer. 207-215 (2019).</li>
<li>Cholewa, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Basic+models+modeling+resistance+training%3A+an+update+for+basic+scientists+interested+in+study+skeletal+muscle+hypertrophy%5BTitle%5D)+AND+%22J+Cell+Physiol%22%5BJournal%5D)">Basic models modeling resistance training: an update for basic scientists interested in study skeletal muscle hypertrophy.</a> J Cell Physiol. 229 (9), 1148-1156 (2014).</li>
<li>Martin, B., Ji, S., Maudsley, S., Mattson, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((34%3BControl%26%2334%3B+laboratory+rodents+are+metabolically+morbid%3A+Why+it+matters%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+USA%22%5BJournal%5D)">34;Control&#34; laboratory rodents are metabolically morbid: Why it matters.</a> Proc Natl Acad Sci USA. 107 (14), 6127-6133 (2010).</li>
<li>Palstra, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Swimming-induced+exercise+promotes+hypertrophy+and+vascularization+of+fast+skeletal+muscle+fibres+and+activation+of+myogenic+and+angiogenic+transcriptional+programs+in+adult+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Genomics%22%5BJournal%5D)">Swimming-induced exercise promotes hypertrophy and vascularization of fast skeletal muscle fibres and activation of myogenic and angiogenic transcriptional programs in adult zebrafish.</a> BMC Genomics. 15 (1), 1-20 (2014).</li>
<li>Blazina, A. R., Vianna, M. R., Lara, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+spinning+task%3A+A+new+protocol+to+easily+assess+motor+coordination+and+resistance+in+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22Zebrafish%22%5BJournal%5D)">The spinning task: A new protocol to easily assess motor coordination and resistance in zebrafish.</a> Zebrafish. 10 (4), 480-485 (2013).</li>
<li>Gilbert, M. J. H., Zerulla, T. C., Tierney, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Zebrafish+%28Danio+rerio%29+as+a+model+for+the+study+of+aging+and+exercise%3A+Physical+ability+and+trainability+decrease+with+age%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Gerontol%22%5BJournal%5D)">Zebrafish (Danio rerio) as a model for the study of aging and exercise: Physical ability and trainability decrease with age.</a> Exp Gerontol. 50, 106-113 (2014).</li>
<li>Usui, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+French+press%3A+A+repeatable+and+high-throughput+approach+to+exercising+zebrafish+%28Danio+rerio%29%5BTitle%5D)+AND+%22Peer+J%22%5BJournal%5D)">The French press: A repeatable and high-throughput approach to exercising zebrafish (Danio rerio).</a> Peer J. 2018 (1), 1-12 (2018).</li>
<li>Tierney, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Swimming+performance+assessment+in+fishes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Swimming performance assessment in fishes.</a> J. Vis. Exp. (51), e2572(2011).</li>
<li>Palstra, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Establishing+zebrafish+as+a+novel+exercise+model%3A+Swimming+economy%2C+swimming-enhanced+growth+and+muscle+growth+marker+gene+expression%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Establishing zebrafish as a novel exercise model: Swimming economy, swimming-enhanced growth and muscle growth marker gene expression.</a> PLoS One. 5 (12), e0014483(2010).</li>
<li>Arnold, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rheotropism+in+fishes%5BTitle%5D)+AND+%22Biol+Rev+Camb+Philos+Soc%22%5BJournal%5D)">Rheotropism in fishes.</a> Biol Rev Camb Philos Soc. 49 (4), 515-576 (1974).</li>
<li>Messerli, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptation+mechanism+of+the+adult+zebrafish+respiratory+organ+to+endurance+training%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Adaptation mechanism of the adult zebrafish respiratory organ to endurance training.</a> PLoS One. 15 (2), 1-20 (2020).</li>
<li>Bek, J. W., De Clercq, A., Coucke, P. J., Willaert, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ZE-tunnel%3A+An+affordable%2C+easy-to-assemble%2C+and+user-friendly+benchtop+zebrafish+swim+tunnel%5BTitle%5D)+AND+%22Zebrafish%22%5BJournal%5D)">The ZE-tunnel: An affordable, easy-to-assemble, and user-friendly benchtop zebrafish swim tunnel.</a> Zebrafish. 18 (1), 29-41 (2021).</li>
<li>Lucon-Xiccato, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+automated+low-cost+swim+tunnel+for+measuring+swimming+performance+in+fish%5BTitle%5D)+AND+%22Zebrafish%22%5BJournal%5D)">An automated low-cost swim tunnel for measuring swimming performance in fish.</a> Zebrafish. 18 (3), 231-234 (2021).</li>
<li>Blazina, A. R., Vianna, M. R., Lara, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+spinning+task%3A+A+new+protocol+to+easily+assess+motor+coordination+and+resistance+in+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22Zebrafish%22%5BJournal%5D)">The spinning task: A new protocol to easily assess motor coordination and resistance in zebrafish.</a> Zebrafish. 10 (4), 480-485 (2013).</li>
<li>Depasquale, C., Leri, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+influence+of+exercise+on+anxiety-like+behavior+in+zebrafish+%28Danio+rerio%29%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Processes%22%5BJournal%5D)">The influence of exercise on anxiety-like behavior in zebrafish (Danio rerio).</a> Behav Processes. 157, 638-644 (2018).</li>
<li>Karsenty, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comprehensive+review+of+integrated+hall+effects+in+macro-%2C+micro-%2C+nanoscales%2C+and+quantum+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">A comprehensive review of integrated hall effects in macro-, micro-, nanoscales, and quantum devices.</a> Sensors. 20 (15), Basel, Switzerland. 4163(2020).</li>
<li>Húngaro, T. G. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+exercise+exacerbates+acute+kidney+injury+induced+by+LPS+via+toll-like+receptor+4%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Physiol%22%5BJournal%5D)">Physical exercise exacerbates acute kidney injury induced by LPS via toll-like receptor 4.</a> Front Physiol. 11, 1-13 (2020).</li>
<li>Marcinko, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+intensity+interval+training+improves+liver+and+adipose+tissue+insulin+sensitivity%5BTitle%5D)+AND+%22Mol+Metab%22%5BJournal%5D)">High intensity interval training improves liver and adipose tissue insulin sensitivity.</a> Mol Metab. 4 (12), 903-915 (2015).</li>
<li>Chen, W., Ge, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gonad+differentiation+and+puberty+onset+in+the+zebrafish%3A+Evidence+for+the+dependence+of+puberty+onset+on+body+growth+but+not+age+in+females%5BTitle%5D)+AND+%22Mol+Reprod+Develop%22%5BJournal%5D)">Gonad differentiation and puberty onset in the zebrafish: Evidence for the dependence of puberty onset on body growth but not age in females.</a> Mol Reprod Develop. 80 (5), 384-392 (2013).</li>
<li>Conradsen, C., Walker, J. A., Perna, C., McGuigan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Repeatability+of+locomotor+performance+and+morphology-locomotor+performance+relationships%5BTitle%5D)+AND+%22J+Exp+Biol%22%5BJournal%5D)">Repeatability of locomotor performance and morphology-locomotor performance relationships.</a> J Exp Biol. 219 (18), 2888-2897 (2016).</li>
<li>Widrick, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+open+source+microcontroller+based+flume+for+evaluating+swimming+performance+of+larval%2C+juvenile%2C+and+adult+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+ONE%22%5BJournal%5D)">An open source microcontroller based flume for evaluating swimming performance of larval, juvenile, and adult zebrafish.</a> PLoS ONE. 13 (6), 1-14 (2018).</li>
<li>Gilbert, M. J. H., Zerulla, T. C., Tierney, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Zebrafish+%28Danio+rerio%29+as+a+model+for+the+study+of+aging+and+exercise%3A+Physical+ability+and+trainability+decrease+with+age%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Gerontol%22%5BJournal%5D)">Zebrafish (Danio rerio) as a model for the study of aging and exercise: Physical ability and trainability decrease with age.</a> Exp Gerontol. 50 (1), 106-113 (2013).</li>
<li>Hammer, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fatigue+and+exercise+tests+with+fish%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Gerontol%22%5BJournal%5D)">Fatigue and exercise tests with fish.</a> Exp Gerontol. 112 (1), 1-20 (1995).</li>
<li>Takahiro Hasumura, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exercise+quantity-dependent+muscle+hypertrophy+in+adult+zebrafish+%28Danio+rerio%29%5BTitle%5D)+AND+%22J+Comp+Physiol+B%22%5BJournal%5D)">Exercise quantity-dependent muscle hypertrophy in adult zebrafish (Danio rerio).</a> J Comp Physiol B. 186, 603-614 (2016).</li>
<li>Wang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+aerobic+exercise+as+a+treatment+on+type+2+diabetes+mellitus+with+depression-like+behavior+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22Life+Sciences%22%5BJournal%5D)">Effect of aerobic exercise as a treatment on type 2 diabetes mellitus with depression-like behavior zebrafish.</a> Life Sciences. 300, 120578(2022).</li>
<li>Conradsen, C., McGuigan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sexually+dimorphic+morphology+and+swimming+performance+relationships+in+wild-type+zebrafish+Danio+rerio%5BTitle%5D)+AND+%22J+Fish+Bio%22%5BJournal%5D)">Sexually dimorphic morphology and swimming performance relationships in wild-type zebrafish Danio rerio.</a> J Fish Bio. 87 (5), 1219-1233 (2015).</li>
<li>Hughes, D. C., Ellefsen, S., Baar, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptations+to+endurance+and+strength+training%5BTitle%5D)+AND+%22Cold+Spring+Harb+Perspect+Med%22%5BJournal%5D)">Adaptations to endurance and strength training.</a> Cold Spring Harb Perspect Med. 8 (6), 1-18 (2018).</li>
</ol>

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。

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。

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。

<table><tbody><tr><td>用于管道的CPVC雌性90度弯头</td><td>Tigre</td><td>22150260</td><td>3/4英寸&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>24AWG导线</td><td>Sky Cablo Store</td><td></td><td>穿孔电路板组件之间的连接（1米）</td></tr><tr><td>亚克力管</td><td>The Clear Plastic Shop</td><td>41138408</td><td>3/4英寸&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>水族箱潜水式鱼缸泵</td><td>Aqua Tank</td><td></td><td>300瓦</td></tr><tr><td>CPVC管</td><td>Tigre</td><td>10121787</td><td>3/4英寸&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>带外螺纹的雌性闸式水阀</td><td>Tigre</td><td>27950310</td><td>3/4英寸&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>带外螺纹的雌性截止水阀</td><td>Tigre</td><td>27940510</td><td>3/4英寸&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>通孔电阻器</td><td>BXV</td><td></td><td>10 k&amp;Omega;, 0.25W</td></tr><tr><td>带夹具的实验室支架，配30英寸杆&amp;nbsp;</td><td>Masiye Labs</td><td>RSC0001</td><td>用于支撑水平管道</td></tr><tr><td>LCD显示屏&amp;nbsp;</td><td>Eichip</td><td></td><td>16 x 2，型号JHD162A</td></tr><tr><td>公对公杜邦跳线</td><td>Chyan</td><td></td><td>Arduino与流量传感器之间的连接（30厘米）</td></tr><tr><td>单面穿孔电路板</td><td>KY WIN ROBOT</td><td></td><td>5 x 10 厘米</td></tr><tr><td>电位器</td><td>LUSYA</td><td>DL-ALPSA01</td><td>10k&amp;Omega;</td></tr><tr><td>防水胶带卷</td><td>One World</td><td>5603131000</td><td>用于防止泄漏</td></tr><tr><td>硅胶软管</td><td>Tigre</td><td>14211250</td><td>内径2厘米</td></tr><tr><td>焊台</td><td>QHTITEC</td><td>EU/US PLUG</td><td>Arduino系统焊接&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>焊锡丝线轴</td><td>BEEYIHF</td><td>I001-A001-Set</td><td>Arduino系统焊接&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>带螺纹的雄性接头和无螺纹的雌性接头CPVC管件</td><td>TIgre</td><td>35447849</td><td>3/4英寸&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>三卡因（MS-222）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>E10521</td><td>麻醉剂</td></tr><tr><td>UNO-R3开发板，UNO R3 CH340G+MEGA328P芯片，16MHz&amp;nbsp;</td><td>FSXSEMI</td><td></td><td>适用于Arduino UNO R3开发板</td></tr><tr><td>无螺纹CPVC三通管件，雌性</td><td>Tigre</td><td>22200267</td><td>3/4英寸&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>无螺纹雌性CPVC插座管件</td><td>Tigre</td><td>22170260</td><td>3/4英寸&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>水流传感器&amp;nbsp; 型号YF-B5&amp;nbsp;</td><td>Siqma Robotics</td><td>SQ8659</td><td>1-25 升/分钟</td></tr><tr><td>水泵&amp;nbsp;</td><td>Sunsun</td><td></td><td>型号HJ-2041，3000升/小时，65瓦</td></tr><tr><td>储水箱</td><td>定制</td><td></td><td>30 升</td></tr></tbody></table>

一种用于多种训练方法的游泳诱导斑马鱼运动装置

A Swimming-Induced Zebrafish Exercise Apparatus for Versatile Training Approaches

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。

该运动装置在调节流速方面表现出极高的效率。为了逐步提高游泳速度，除SED组保持在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，该装置具有极高的精确度，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。
采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，与静息对照组（SED）相比，进行中等强度持续训练（MICT）和高强度间歇训练（HIIT）的斑马鱼在运动表现上均有显著提升（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，在训练仅两周后即观察到 Umax 的显著提高（p = 0.0003）。在整个训练过程中，HIIT 组每周持续提升约 10%，最终总体提升幅度约为 30%。相比之下，MICT 训练带来的改善较为缓慢，仅在第三周观察到约 10% 的显著提升（Umax），随后一周未见进一步改善（p = 0.0024）。这些结果凸显了 HIIT 与 MICT 两种训练方案对斑马鱼运动表现的不同影响。
<img alt="水过滤系统示意图和装置；潜水泵；水循环；净化过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66382/66382fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
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）装置实物照片。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66382/66382fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示流速（L/h）和0.5 L输出平均时间的柱状图；数值对应0.06、0.30、0.5 m/s。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66382/66382fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
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。 SEM在0.06 m/s组为0.277，0.3 m/s组为0.123，0.5 m/s组为0.109。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66382/66382fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="Arduino Nano 与 10kΩ 电位器及 16x2 LCD 连接示意图；电子电路图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66382/66382fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 3"> 
图 3：Arduino 与 LCD 连接的电路图。 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）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66382/66382fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="运动影响图表；VO2max（对照组百分比）随周数变化；SED、MICT、HIIT 比较；柱状图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66382/66382fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 4"> 
图 4：游泳表现以最大游泳速度（Umax）表示。 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）。*p = 0.01；**p = 0.001；***p = 0.0001。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66382/66382fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="BMI 和 BCS 分析，比较 SED、MICT、HIIT 水平的柱状图，鱼类形态学测量。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66382/66382fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 5"> 
图 5：形态学测量。（A）体型状况指数（体重 [g] / 标准体长 [mm]²；BMI）。（B）体型测量的代表性图像。（C）体型状况评分（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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66382/66382fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的高清版本。</a>
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66382/Supplementary%20Table%201.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66382/Arduino%20Sketch.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 2：Arduino 文件，包含设置详情。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66382/flowsensor.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

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。

为了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……

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。

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