遊泳用ゼブラフィッシュ運動装置による多様なトレーニングアプローチ

ゼブラフィッシュの研究では、市販の遊泳トンネルや特注の遊泳トンネルを使って運動をすることができます。ここでは、手軽に入手できる材料を用いて、ハイスループットで使い勝手の良いゼブラフィッシュの運動システムを開発しました。この設定は、ゼブラフィッシュの実際のアクセス動作に基づいています。

装置の効率をテストするために、2つの運動プロトコルが採用されました。中強度の連続トレーニングと高強度のインターバルトレーニング。フローセンサーが示す水の流速を監視するために、Arduino Nano、16 x 2 LCDスクリーン、10キロオームの1/4ワットのスルーホール抵抗器、および10キロオームのポテンショメータを採用しています。

指定されたスキームに従ってコンポーネントを組み立てます。パーフボード、はんだワイヤー、はんだごて、ワイヤー、ワイヤー、3つのオスジャンパーを使用します。提供されたArduinoスケッチを、ArduinoIDEを介して適切なUSBケーブルを使用してロードします。

水の流量、最後のリセットからの時間(分単位)、および水の速度がLCD画面に表示されます。水再循環システムを組み立てるには、4分の3インチのPVCパイプと4分の3インチのコネクタを使用します。2つの水出口を作成する必要があります。

1つ目は、メインフローから貯水池に水を導き、2つ目は、フローを魚のトレーニングエリアに導きます。戻りの流れを調整するためにグローバルバルブを追加します。上部水出口バルブを追加して、トレーニングエリアへの水の流れを調整します。

上部バルブにT接続を取り付けます。魚が装置の底部に入るのを防ぐために、バルブの近くの接続部にネットを追加する必要があることに注意してください。T接続で、システムからの魚の出入りのゲートとして機能するグローバルバルブを追加します。

アクリルパイプをTコネクタに取り付けます。次に、アクリルパイプにフローセンサーを取り付けます。魚が通過しないように、パイプの内側にスクリーンを配置する必要があることに注意してください。

部分的に組み立てられた装置を貯水池内の水中ポンプに接続します。水の再循環を維持するためには、フローセンサーの後、ホースを装置の最終部分に接続する必要があります。最後に、水の流速を監視するために、流量センサーをモニターに接続します。

これらは、正しい順序で接続する必要があるコネクタであることに注意してください。これで、使用する準備が整いました。ゼブラフィッシュを装置に追加する前に、フローを設定する必要があります。

これを行うには、まず両方の流量制御バルブを完全に開いて、気泡がシステムから出るようにし、魚の入口と出口のバルブを閉じたままにします。次に、流れを最大速度(秒速約0.6メートル)に調整します。これにより、上部バルブを使用した流量調整の精度が向上します。

魚を捕まえ、上部バルブを閉じて水の流れを止めます。次に、魚のエントリーゲートとして機能する次のバルブを完全に開きます。バルブの開口部を上に向けておくことが重要です。

その直後に、インレットバルブを閉じ、フローコントロールバルブを開きます。最大6匹の魚の小さなグループを配置することが可能で、一度にすべて挿入する必要があります。魚を取り除くには、上部バルブを完全に閉じ、魚の入口出口バルブを回転させて、開口部を下向きにします。

次に、バルブを完全に開きます。容器を使用して、装置から重力によって流れる水と一緒に魚を収集します。最後に、インレットアウトレットバルブを閉じて、水漏れを止めます。

運動プロトコルを採用する前に、動物を1週間、1日あたり少なくとも60分間、比較的遅く一定の速度に順応させる必要があります。各運動セッションの前に、動物を10分間順応させる必要があります。順応期間の後、Umaxは、流れに対する最大遊泳速度を評価することによって決定する必要があります。

このために、魚が枯渇するまで、流量は毎分毎秒0.02メートルずつ増加します。速度を上げるには、上部バルブを静かに開き、LCDを介して速度を監視します。最大容量テストで決定されたように、Umaxの60%の水流に逆らって魚を強制的に泳がせます。

最初の 10 分間は、魚は座りがちなグループと同じ速度 (秒速 0.06 メートル) に順応します。魚は、肉体的な疲労状態に達することなく、一定の水の流量に逆らって泳ぎます。魚を交互に泳がせるように強制します。

Umaxの90%で2分間、続いてUmaxの30%で2分間、18分間、9サイクル繰り返します。魚は、肉体的な疲労状態に達することなく、交互の水流量に逆らって泳ぎます。セットアップは正確で、流速を微調整することができました。

しかし、速度が遅いときは誤差が約30%、秒速0.06メートルでした。秒速約0.3メートル、秒速0.5メートルと高速の場合、エラー率はわずか3〜4パーセントでした。トレーニング中に到達した最速速度は、座りがちなグループで0.4メートル/秒、中程度のトレーニンググループで0.44メートル/秒、高強度グループで0.49メートル/秒でした。

どちらのトレーニングレジメンも同じ距離をカバーするように設計されていましたが、高強度のトレーニングプロトコルは、毎週のUmaxの増加によって証明されるように、より迅速なパフォーマンスの向上をもたらしました。高強度のトレーニングにさらされた魚は、毎週パフォーマンスを10%向上させ、全体で約30%向上しました。一方、適度なトレーニングを受けた魚は進行が遅く、Umaxは3週目のみで10%増加し、次の週にはそれ以上の改善は見られませんでした。

これらの結果は、トレーニングプロトコルの選択がゼブラフィッシュの身体能力にどのように異なる影響を与えるかを浮き彫りにしています。本研究では、既存の遊泳トンネルと水路システムに触発された、費用対効果の高い新しい運動システムを作成しました。このシステムにより、ゼブラフィッシュの遊泳性能を徹底的に検証することができます。

魚が疲れ果てるまで水の流れを徐々に増やすことによってUmaxを決定しましたが、これは3回連続して疲労するか、流れに逆らって泳ぎ続けることができないことを特徴としています。これらの知見は、2つの運動プロトコルを設計し、ゼブラフィッシュの身体能力を評価するための遊泳トンネル装置の有効性を確認するのに役立ちました。さらに、このコンパクトなシステムは汎用性が高く、幅広い水流速度をカバーし、トレーニングプロトコルのカスタマイズを容易にします。