Artículo de método

Evaluar la influencia de la personalidad en la sensibilidad a los campos magnéticos en el pez cebra

DOI:

10.3791/59229

⸱

18 de marzo de 2019

 ,  , 
1Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, Department of Ocean Sciences, University of Miami, 2Department of Physics, Monte S. Angelo (MSA) Campus, University of Naples Federico II, 3Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), 4Department of Biology, MSA Campus, University of Naples Federico II

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Se describe un protocolo de comportamiento diseñado para evaluar cómo influyen en su respuesta al agua corrientes y campos magnéticos débiles personalidades de pez cebra. Peces con los mismo personajes se separan en base a su comportamiento exploratorio. Luego, se observa su comportamiento de orientación rheotactic en un túnel de natación con un bajo caudal y bajo diferentes condiciones magnéticas.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Para orientarse en su entorno, animales integran una amplia gama de estímulos externos, que interactúan con factores internos, como personalidad. Aquí, describimos un comportamiento protocolo diseñado para el estudio de la influencia de la personalidad de pez cebra en su respuesta de orientación a múltiples señales ambientales externos, específicamente las corrientes de agua y los campos magnéticos. Este protocolo intenta comprender si es proactiva o reactiva pez cebra Mostrar diferentes umbrales rheotactic (es decir, la velocidad del flujo en que el pescado comienza nadando contra la corriente) cuando el campo magnético circundante cambia su dirección. Para identificar el pez cebra con la misma personalidad, peces se introducen en la oscuridad de la mitad de un tanque conectada con una abertura estrecha a la mitad brillante. Sólo proactiva peces exploran la novela, brillante del ambiente. Pescado reactiva no salga la mitad oscura del tanque. Un túnel de natación con caudales bajos se utiliza para determinar el umbral de rheotactic. Se describen dos configuraciones para controlar el campo magnético en el túnel, en el rango de intensidad del campo magnético de la tierra: uno que controla el campo magnético a lo largo de la dirección del flujo (una dimensión) y que permite un control de tres axial del campo magnético. Pescado se filman mientras se experimentan un aumento gradual de la velocidad del flujo en el túnel bajo campos magnéticos diferentes. Datos sobre el comportamiento de orientación son recogidos a través de un procedimiento de seguimiento de video y aplicados a un modelo logístico para permitir la determinación del umbral rheotactic. Divulgamos resultados representativos de shoaling pez cebra. Específicamente, estos demuestran que pescado sólo reactiva, prudente Mostrar variaciones del umbral rheotactic cuando el campo magnético varía en su dirección, mientras que peces proactiva no responden a los cambios del campo magnético. Esta metodología puede aplicarse al estudio de la sensibilidad magnética y rheotactic comportamiento de muchas especies acuáticas, tanto mostrando a solitario o shoaling estrategias de natación.

Introducción

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En el presente estudio, se describe un protocolo de comportamiento basado en el laboratorio que tiene el objetivo de investigar el papel de la personalidad de pescado en la respuesta de orientación de shoaling pescado a las señales de orientación externos, tales como campos magnéticos y corrientes de agua.

Las decisiones de orientación de los animales resultan de peso de diversas informaciones sensoriales. El proceso de decisión está influenciado por la capacidad del animal para navegar (por ejemplo, la capacidad para seleccionar y mantener una dirección), su estado interno (por ejemplo, necesidades de alimentación o reproducción), su capacidad de movimiento (e.g., biomecánica de la locomoción) y varios adicionales Factores externos (por ejemplo, hora del día, interacción con sus congéneres)1.

El papel del estado interno o animal personalidad en el comportamiento de la orientación es a menudo mal entendido o no explora2. Problemas adicionales surgen en el estudio de la orientación de especies acuáticas sociales, que a menudo realizan coordinada y polarizaron grupo movimiento comportamiento3.

Las corrientes de agua juegan un papel clave en el proceso de orientación de los peces. Pescado orientar las corrientes a través de una respuesta de unconditioned llamado rheotaxis4, que puede ser positivo (es decir, contra la corriente orientada) o negativo (es decir, aguas abajo orientado) de agua y se utiliza para diversas actividades, que van desde la alimentación a la minimización de gasto energético5,6. Por otra parte, un creciente cuerpo de literatura informes de que muchas especies utilizan el campo geomagnético para orientación y navegación7,8,9.

El estudio de rendimiento rheotaxis y natación en los peces se realiza en cámaras de flujo (flujo), donde peces están expuestos al progresivo aumento de la velocidad del flujo, de bajas a altas velocidades, a menudo hasta el agotamiento (llamada velocidad crítica)10, 11. Por otra parte, estudios previos investigaron el papel del campo magnético en la orientación a través de la observación del comportamiento de la natación de los animales en arenas con agua12,13. Aquí, describimos una técnica de laboratorio que permite a los investigadores estudiar el comportamiento de los peces mientras manipula las corrientes de agua y el campo magnético. Este método fue utilizado por primera vez el shoaling pez cebra (Danio rerio) en nuestro estudio anterior, lleva a la conclusión de que la manipulación del campo magnético circundante determina el umbral de rheotactic (es decir, la mínima velocidad del agua en que shoaling pescado Oriente aguas arriba)14. Este método se basa en el uso de una cámara de canal con flujo lento combinado con una instalación diseñada para controlar el campo magnético en el canal, dentro de la gama de la intensidad del campo magnético de la tierra.

El túnel de natación utilizado para observar el comportamiento del pez cebra se describe en la figura 1. El túnel (hecho de un cilindro de acrílico de nonreflecting con un diámetro de 7 cm y 15 cm de longitud) está conectado a una instalación para el control de la tasa de flujo14. Con esta configuración, el rango de caudales en el túnel varía entre 0 y 9 cm/s.

Para manipular el campo magnético en el túnel de natación, utilizamos dos enfoques metodológicos: el primero es unidimensional y la segunda es tridimensional. Para cualquier uso, estos métodos de manipulan el campo geomagnético para obtener condiciones magnéticas en un volumen definido de agua, por lo tanto, todos los valores de intensidad del campo magnético en este estudio incluyen el campo geomagnético.

En cuanto a la unidimensional enfoque15, el campo magnético se manipula a lo largo de la dirección del flujo de agua (definida como el eje x) usando un solenoide envuelto alrededor del túnel de la natación. Esto está conectada a una unidad de potencia y genera campos magnéticos estáticos uniforme (figura 2A). Del mismo modo, en el caso del enfoque tridimensional, el campo geomagnético en el volumen que contiene el túnel de natación se modifica usando bobinas de los cables eléctricos. Sin embargo, para controlar el campo magnético en tres dimensiones, las bobinas tienen el diseño de tres pares de Helmholtz ortogonales (figura 2B). Cada par de Helmholtz está compuesto por dos bobinas circulares orientadas a lo largo de las tres direcciones del espacio ortogonal (x, yy z) y equipado con un magnetómetro de tres axial en condiciones de circuito cerrado. El magnetómetro trabaja con intensidades de campo comparables con campo natural de la tierra, y está situado cerca del centro geométrico del conjunto de bobinas (donde se encuentra el túnel de natación).

Implementamos las técnicas descritas anteriormente para probar la hipótesis que los rasgos de personalidad de los peces que componen un banco influyen en la manera que responden a campos magnéticos16. Probamos la hipótesis de que los individuos con personalidad proactiva y reactiva17,18 responden de manera diferente cuando se expone a corrientes y campos magnéticos. Para probar esto, clasificamos primero pez cebra utilizando una metodología establecida para asignar y grupo de individuos que son proactivos o reactivos17,19,20,21. Luego, evaluamos el comportamiento rheotactic del pez cebra nadan en cardúmenes compuesto por sólo reactivos individuos o compuesto de sólo individuos proactivos en el tanque de arrastre magnético, que presentamos como datos de la muestra.

El método de ordenación se basa en la diferente tendencia de las personas proactivas y reactivas para explorar nuevos ambientes21. En concreto, utilizamos un tanque dividido en un brillante y un lado oscuro17,19,20,21 (figura 3). Animales son aclimatados al lado oscuro. Cuando acceso al lado brillante es abierta, proactivo individuos tienden a salir rápidamente de la mitad oscura del tanque para explorar el nuevo entorno, mientras que el reactivo pescado no deje el tanque oscuro.

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Protocolo

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El siguiente protocolo ha sido aprobado por el cuidado de Animal institucional y Comité de uso del Universidad de Nápoles Federico II, Nápoles, Italia (2015).

1. animal mantenimiento

  1. Utilizar tanques de al menos 200 L a sede de un banco de por lo menos 50 individuos de ambos sexos en cada tanque.
    Nota: La densidad de los peces en el tanque tiene que ser un animal por cada 2 litros o menos. Bajo estas condiciones, el pez cebra mostrará comportamiento shoaling normal.
  2. Establecer las condiciones de mantenimiento como sigue: temperatura 27 – 28 º C; conductividad en < 500 μS; pH 6.5-7.5; NO3 en < 0,25 mg/L; y un fotoperíodo de luz: oscuridad a las 10 h de h:14.
    Nota: Explotación idénticas condiciones deben usarse para la población mixta y las poblaciones separadas de proactivas y reactivas.

2. personalidad selección en pez cebra

  1. Preparar y colocar el depósito de selección de personalidad en una habitación tranquila (figura 3) con la misma agua utilizada en los tanques de mantenimiento.
  2. Coloque una cámara de video, encima o al lado del tanque. Conecte la cámara a un ordenador con un monitor ubicado en una zona donde no haya contacto visual con el tanque.
  3. Nueve seleccionados al azar de peces del tanque de mantenimiento y transferirlos al lado oscuro del tanque de selección de personalidad, con una red sin nudos.
    Nota: Tratar de limitar las interacciones con los tanques y los peces a la menor cantidad de tiempo posible. Evitar ruidos y movimientos rápidos. Si es necesario, los animales en un pequeño volumen de transporte de tanque (aprox. 2 L) de agua desde el depósito de la transferencia. Para evitar la exposición al aire de los animales, utilizar un vaso de precipitados de 250 ml y suavemente inducir al animal a entrar en el vaso. Trate de minimizar el tiempo de captura, evitar que recogían los pescados múltiples ya que puede causar daño físico a los animales y no retener a los peces durante más de unos segundos en la red como estos factores pueden aumentar el estrés. Peces deben ser alimentados ad libitum antes de la transferencia al tanque experimental. Esto limita la posibilidad de que diversas tendencias de comportamiento de búsqueda de alimentos afectaría el comportamiento de los individuos durante el siguiente experimento22. Realizar experimentos repetidos en el mismo momento del día. Esto reduce al mínimo la variabilidad en el comportamiento de los grupos experimentales causadas por posibles ritmos circadianos23.
  4. Después de 1 h de aclimatación, abrir la puerta corredera.
    Nota: Individuos que salen del agujero, explorando el lado brillante del tanque dentro de 10 min, se consideran proactivo21.
  5. Después de 10 minutos, suavemente saque a las personas proactiva del depósito y transferencia para el depósito de mantenimiento proactivo.
  6. Después de 15 minutos, recoger los peces que permanecen en la caja oscura, que se consideran reactivos21y transferirlos al tanque de mantenimiento reactivo.
    Nota: Deseche los peces que se mueven hacia el lado brillante del tanque después de 10 min21. Realizar el test de personalidad con nueve peces hasta que se recoge el número de peces proactivas y reactivas necesarias para los ensayos descritos en la sección 5. Consistencia de la personalidad proactiva y reactiva puede comprobarse usando el mismo enfoque.

3. Configure el campo magnético con la manipulación de campo magnético unidimensional27

  1. Encienda la unidad de potencia (figura 2A).
  2. Coloque el túnel en espiral en el lugar donde será el protocolo de rheotactic realizada (sección 5) pero mantener desconectado de los aparatos de la piscina (figura 2A). Coloque una sonda magnética conectada con un Gauss/Teslameter dentro del túnel y verificar que voltaje es necesario para obtener el valor del campo magnético longitudinal del túnel.
    Nota: Debido a las propiedades magnéticas de un solenoide, el campo es bastante uniforme dentro del túnel; Esto puede comprobarse moviendo lentamente la sonda tanto horizontal como verticalmente.
  3. Desconectar la sonda y conectar el túnel de flujo para el aparato de la natación.
  4. Comience con el protocolo rheotactic (sección 5).

4. ajustar el campo magnético con el campo magnético tridimensional manipulación27

  1. Encienda la CPU, DAC y conductores de la bobina (figura 2B).
  2. Establecer el campo magnético sobre cada uno de los tres ejes (x, y y z).
  3. Lugar el túnel en el centro del conjunto de pares de Helmholtz.
  4. Comience con el protocolo rheotactic (sección 5).

5. prueba de los Rheotaxis de pez cebra en la cámara de flujo

  1. Transferencia de peces de uno a cinco para el túnel de flujo con un depósito de 2 L con los lados y el fondo oscurecido.
  2. Encienda la bomba y la velocidad de flujo en el túnel a 1.7 cm/s.
    Nota: Esta agua de lento-mudanza mantendrá el agua en el túnel de oxigenada y facilitará la recuperación de animales.
  3. Deje que los animales aclimatarse al túnel de nadar durante 1 hora.
  4. Iniciar la grabación de vídeo del comportamiento de los peces en el túnel.
    Nota: Se utilizó una cámara (por ejemplo, acción de Yi 4K) con control remoto (por ejemplo, Bluetooth) y había guarda el video en .mpg (30 fotogramas/s).
  5. Iniciar el aumento gradual de la velocidad de flujo según el protocolo experimental solicitada (1,3 cm/s en este estudio; Figura 4).
    Nota: De este protocolo, se utilizaron tasas de flujo bajo que, para el pez cebra, van desde 0 hasta 2,8 BL (longitud de cuerpo) / s. Estas velocidades de flujo son en la gama más baja de las tasas de flujo que inducen natación continua orientada en el pez cebra (3 – 15% de la velocidad crítica de natación [Ucrit])24. La utilización de bajos caudales (protocolo25) de Brett siguiente está ligada a las características de comportamiento específicas de esta especie en presencia de corrientes de agua. Pez cebra tienden a nadar a lo largo del eje mayor de la cámara, girando con frecuencia, incluso en presencia de flujo de agua y tienden a nadar por aguas arriba y aguas abajo24,26. Este comportamiento se ve afectado por la tasa de flujo de agua, desapareciendo a velocidades relativamente altas (> 8 BL/s)26, cuando los animales continuamente nadan hacia aguas arriba (respuesta completa positiva rheotactic). Desplazamientos verticales y transversales son muy raros.
  6. Realizar morfometría de los animales (sexo y total Longitud [TL], longitud de horquilla [FL] o BL) sobre imágenes de peces en una cámara morfométricos.
    1. Seleccionar la imagen adecuada.
    2. Abra la imagen en ImageJ.
    3. Tomar nota del sexo del animal (hombre pez cebra son delgada y tienden a ser amarillentas, mientras que las hembras son más redondas y tienden a tener colorantes azules y blancos).
    4. Haga clic en Analyze > Set escala y sistema de la escala de la imagen en centímetros, utilizando la longitud entera horizontal del túnel como referencia.
    5. Haga clic en analizar > mida y anote la longitud del animal.
    6. Calcular su peso corporal (BW).
      Nota: BW se calcula de las relaciones sexo-FL-BW previamente construidas en el laboratorio o de metadatos. Todo el procedimiento evita el estrés de la manipulación de los animales.

6. vídeo de seguimiento

  1. Abra el archivo de vídeo con Tracker 4.84 Video herramienta de análisis y modelado.
    Nota: Si es necesario, corregir cualquier distorsión de video usando perspectiva y distorsión radial ser.
  2. Haga clic en sistema de coordenadas en el menú superior y definir las unidades de longitud en centímetros y las unidades de tiempo a segundos.
  3. Haga clic en archivo > importar > vídeo y abierto uno de los vídeos de Tracker 4.84.
  4. Haga clic en "Ejes de coordenadas" y el sistema de referencia para seguir la posición de los peces en el tiempo, con el eje x a lo largo del túnel. Establecer el origen en la esquina baja de las aguas abajo terminando la pared (a la salidadel agua).
  5. Haga clic en pista > nuevo > punto de masa y seguimiento un pez en un momento de inicio. Seguimiento de lo últimos 5 min de cada paso que el pescado a cada velocidad de flujo.
  6. Adelantar el video manualmente en el marco de cinco intervalos (0.5 s) y marca el tiempo y la posición del animal en cada vuelta ascendente descendente (UDt, puntos rojos en la figura 5) y en cada vuelta downstream upstream (DUt; puntos azules en la figura 5).
    Nota: Utilice la posición del ojo peces como referencia para la posición de los peces. Seguimiento de la posición del animal con una masa del punto. Impedir el seguimiento de cualquier período de natación no orientado (es decir, tiempo de maniobrando).
  7. Al final de cada sesión de seguimiento, seleccione los valores de x y tiempo valores de la tabla en la esquina inferior derecha de la ventana del software. Haga clic en los datos y haga clic en copiar datos > precisión.
  8. Guardar los valores de tiempo y valores de x de todas las posiciones de giro en un archivo de plantilla de hoja de cálculo para calcular el tiempo contra la corriente total (suma de todos los intervalos entre UDT y conducto) y el tiempo total (suma de los intervalos entre el conducto y UDt) que aguas abajo, así como los valores del índice rheotactic en porcentajes (% de RI) para cada flujo de paso (ver figura 5).
    Nota: El comportamiento rheotactic se cuantifica por el porcentaje del tiempo total orientada a que los peces hacia aguas arriba (natación o congelación raramente [es decir, permanecen todavía en la parte inferior del túnel]27). Esta proporción se define como el % de RI (figura 5).
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Resultados

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Como datos de ejemplo presentamos resultados de controlar el campo magnético a lo largo de la dirección del flujo de agua en proactivas y reactivas shoaling pez cebra16 utilizando la configuración que se muestra en la figura 2A (ver artículo 3 del Protocolo). Estos resultados muestran cómo el protocolo descrito puede resaltar las diferencias en las respuestas al campo magnético en los peces con diferentes personalidades. El concepto ge...

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Discusión

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El protocolo descrito en este estudio permite a los científicos a cuantificar las respuestas de orientación complejo de especies acuáticas resultante de la integración entre dos señales externas (agua corriente y geomagnético campo) y uno de los factores interno del animal, tales como personalidad. El concepto general es crear un diseño experimental que permite a los científicos separar a individuos de personalidad diferente e investigar su comportamiento de orientación mientras que controlar por separado o simultáneamen...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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El estudio fue apoyado por la Fundación de investigación básica del Departamento de física y el Departamento de Biología de la Universidad de Nápoles Federico II. Los autores agradecen a Dr. Claudia Angelini (Instituto de aplicar cálculo, Consiglio Nazionale delle Ricerche [CNR], Italia) para el apoyo estadístico. Los autores agradecen su ayuda técnica con la recolección de los datos y los técnicos departamentales F. Cassese, Passeggio G. y R. Rocco por su asistencia experta en el diseño y realización de la instalación experimental Martina Scanu y Silvia Frassinet. Agradecemos a Laura Gentile para ayudar a llevar a cabo el experimento durante el rodaje del video. Agradecemos a Diana Rose Udel de la Universidad de Miami para tomar las declaraciones de la entrevista de Alessandro Cresci.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Medidor de 9500 GFWBellN/AGaussímetro, DC-10 kHz; resolución de la sonda:  0.01 μ T 
AD5755-1Analog DevicesEVAL-AD5755SDZConvertidor de canal cuádruple, 16 bits, de digital a analógico
ALR3003DELC3760244880031DC Fuente de alimentación doble regulada
BeagleBone BlackBeagleboard.orgN/Acomputadora de placa única
AmplificadorN/Acasero basado en OP comercial (OPA544 by TI)
Pares de HelmholtzN/Acaseras fabricadas con alambre AWG-14 estándar
HMC588LHoneywell900405 Rev EMagnetómetro digital de tres ejes
MO99-2506FWBell129966Sonda magnética de un solo eje
Aparato de nataciónM2M Engineering Equipo científico personalizadoN/AAparato de natación compuesto por bomba peristáltica y SMC Caudalímetro de interruptor de flujo con retroalimentación digital
TECO 278TECON/ATermocriostato 
Controlador de bobina de Bobinas

Referencias

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