Het gebruik van een 3D automatisch videosysteem dat individuele en groepen zebravissen kan volgen, wordt beschreven. Als toepassingsvoorbeeld onderzoeken we de effecten van de NMDA-receptorantagonist MK-801 op scholen zebravissen.
Methodenartikel
Het gebruik van een 3D automatisch videosysteem dat individuele en groepen zebravissen kan volgen, wordt beschreven. Als toepassingsvoorbeeld onderzoeken we de effecten van de NMDA-receptorantagonist MK-801 op scholen zebravissen.
Net als veel aquatische dieren, beweegt de zebravis (Danio rerio) zich in een 3D-ruimte. Het is dus beter om een 3D-opnamesysteem te gebruiken om zijn gedrag te bestuderen. Het gepresenteerde automatische videotrackingsysteem bereikt dit door gebruik te maken van een spiegelsysteem en een kalibratieprocedure die de aanzienlijke fout corrigeert die wordt veroorzaakt door de overgang van licht van water naar lucht. Met dit systeem is het mogelijk om zowel enkele als groepen volwassen zebravissen op te nemen. Voor gebruik moet het systeem worden gekalibreerd. Het systeem bestaat uit drie modules: Opname, Padreconstructie en Gegevensverwerking. De stapsgewijze protocollen voor kalibratie en het gebruik van de drie modules worden gepresenteerd. Afhankelijk van de experimentele opstelling, kan het systeem worden gebruikt voor het testen van neofobie, witte afkeer, sociale cohesie, motorische stoornissen, verkenning van nieuwe objecten etc. Het is vooral veelbelovend als eerste stap om de effecten van medicijnen of mutaties op basisgedragspatronen te bestuderen. Het systeem geeft informatie over de verticale en horizontale verdeling van de zebravis, over de xyz-componenten van kinematische parameters (zoals beweging, snelheid, versnelling en draaihoek) en het geeft de gegevens die nodig zijn om parameters voor sociale cohesie te berekenen bij het testen van scholen.
De zebravis is een belangrijk model geworden voor biologische en farmacologische onderzoeken1-3. Het volgen van beweging en ruimtelijke verdelingspatronen van individuele zebravissen en van scholen van zebravissen is van onschatbare waarde. Oudere studies passen handmatige kwantificering toe op basis van opgenomen beelden4. Nu worden 2D automatische videovolgsystemen vaak gebruikt5. Echter, aangezien zebravissen en veel andere aquatische en niet-aquatische dieren zich in een driedimensionale ruimte bewegen, groeit de interesse in 3D-systemen6. Het beschreven 3D-systeem werd voor het eerst gepubliceerd in 20077. Voor technische details en vergelijkingen met andere systemen zie8. Het belangrijkste voordeel van dit systeem in vergelijking met andere systemen is dat het twee (optioneel drie) synchrone en onafhankelijke weergaven verkrijgt met behulp van een spiegelsysteem en een tweestaps kalibratieprotocol gebruikt. In de eerste stap wordt de 3D-geometrie van het stereosysteem (gevormd door de camera en de spiegels) gekalibreerd. In de tweede stap worden de niet-lineaire fouten veroorzaakt door lichtbreking gecorrigeerd. Bij het bestuderen van aquatische dieren kan de impact van lichtbreking aanzienlijk zijn wanneer deze niet wordt gecorrigeerd. Andere tot nu toe gepubliceerde systemen (zelfs nieuwere ontwikkelingen9) laten de tweestaps kalibratieprocedure weg. Voor technische details over objectidentificatie, occultatie met multi-objecttracking, jiggelruis etc. wordt de lezer verwezen naar de originele publicaties8,9. Het systeem is gevalideerd voor de studie van angstachtige gedragsreacties10,11, scholen8,11,12 en, in een voorlopige studie, voor antagonistisch gedrag bij zebravissen13. Het is ook getest voor andere vissoorten (goudvissen8, zwaarddrager, tijgerbaars) en voor muizen9.
Hier volgen de protocollen voor kalibratie en voor het gebruik van het systeem en de resultaten van een experiment waarin de effecten van de NMDA-receptor niet-competitieve antagonist MK-801 op scholen van zebravissen worden getest als een representatief voorbeeld om het type gegevens te demonstreren dat kan worden verkregen met het systeem.
Zowel in de natuurlijke omgeving als in aquaria zwemmen zebravissen meestal in scholen14. Scholingsvoorkeuren lijken afhankelijk te zijn van verschillende factoren, zoals opvoeding, geslacht en voedselbeschikbaarheid14,15. Interessant is dat de afstand tussen individuele zebravissen in een school kleiner wordt wanneer signalen van potentieel gevaar aanwezig zijn, zoals alarmferomonen16 of nieuwigheid11. Het scholingsparadigma wordt daarom ook gebruikt om anxiolytische geneesmiddelen te testen17. Dominantiehiërarchieën18 en sociaal leren19 zijn fascinerende aspecten van het gedrag van zebravissen. Vanwege zijn hoog ontwikkelde sociale gedragskarakter zijn zebravissen ook interessant geworden voor autismeonderzoek20,21.
MK-801 is gerapporteerd om het sociale gedrag bij zebravissen te veranderen5,22,23, wat doet denken aan zijn effecten op zoogdieren24. Echter, MK-801 heeft ook veel andere effecten op ander gedrag (zoals zwemgedrag, remmingsvermijding en plaatsvoorkeur25-27). Daarom is het cruciaal om in eerste experimenten zoveel mogelijk informatie te verkrijgen uit basiswaarnemingen. Dit zal de basis vormen voor het ontwerpen van meer gerichte experimenten.
Overzicht van het opnameapparaat en de software
In de huidige configuratie bevindt de observatiecontainer (25 cm x 25 cm x 18 cm, L x B x H), waarin de zebravis zich bevindt, zich in de observatiekamer (91 cm x 46 cm x 56 cm, L x B x H). De kamer bevat ook een camera, een spiegel die ongeveer op een hoek van >45° boven de container hangt, en LED-lichtstaven. Figuur 1 toont een vereenvoudigd diagram. De camera neemt zowel de vooraanzicht als het bovenaanzicht (spiegel) op om de 3D-trajecten van de zebravis te construeren door zijn x-, y- en z-coördinaten te bepalen. Voor oriëntatie worden de coördinaatvectoren gepresenteerd in de linkervoorste hoek van de observatiecontainer (positie ten opzichte van de camera), wat overeenkomt met de vectoren die worden gepresenteerd in de 3D-weergaven (bijv. Figuur 15) gegenereerd door de Path Reconstruction Module (zie verderop). De bemonsteringssnelheid hangt af van de camera en de computer. In onze experimenten is dit ongeveer 40 frames/sec (fps). De ruimtelijke resolutie van de opgenomen frames is 640 x 480 pixels (deze configuratie is gekozen als optimale balans tussen ruimtelijke en temporele resolutie). Windows XP of hoger is vereist.
Voor de eerste opname moet het systeem worden gekalibreerd om de locaties van de wanden van de container en het wateroppervlak te bepalen, om de schaalfactor van de opgenomen frames te bepalen en om te corrigeren voor de aanzienlijke fout die wordt gegenereerd door lichtbreking bij het overgaan van water naar lucht. In principe hoeft kalibratie alleen te worden uitgevoerd tijdens de eerste installatie en nadat onderdelen van de opstelling, zoals camera of spiegel, zijn verplaatst of vervangen. Desalniettemin is het een goede praktijk om van tijd tot tijd te controleren of de kalibratie nog correct is en indien nodig opnieuw te kalibreren.
De software bestaat uit drie modules. De Recordings Module neemt de frames op (twee voorbeeldframes worden getoond in Figuur 2). De Trajectory Module reconstrueert de paden voor elke zebravis. De Data Processing Module berekent een reeks standaard kinematische en ruimtelijke parameters. Voor het doel van verdere analyse kunnen de gegevens worden geïmporteerd in spreadsheet- of statistische software.
Alle experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de National Institute of Health Guide for Care and Use of Laboratory Animals.
1. Kalibratie
Zes maanden oude vrouwelijke zebravis (Danio rerio) van een niet-gespecificeerde ('short-fin') wild-type stam werden gekocht bij Aquatica Tropicals, Inc. In totaal werden 120 zebravisen gebruikt. Zij werden gedurende ongeveer 8 weken in 38 L aquaria geacclimatiseerd aan de laboratoriumomstandigheden voordat de experimenten startten. De watertemperatuur was gelijk aan de kamertemperatuur (~23° C). Lichtregime: 14 uur licht (6:00-20:00), 10 uur donker. De zebravisen werden drie keer per dag gevoed: 8:00 Tetra tropical flakes; 12:00 levende pekelgarnaallarven; 15:00 Tetra tropical flakes. Op de dagen van de experimenten werden de zebravisen alleen om 8:00 met flakes gevoerd. Direct na de tweede opname werden de zebravisen geëuthanaseerd met 300 mg/L tricaine methansulfaat (MS-222).
Voor de controlegroep werden 14 kwartetten (i.e. groepen van vier zebravisjes) gebruikt (n =14), en voor de MK-801 groep 16 kwartetten (n = 16). Na 1 uur blootstelling aan 10 µM MK-801 (beginnend om 9:30) in containers van 1 L, werden de kwartetten overgebracht naar de observatiecontainers. De opname werd onmiddellijk gestart (om 10:30) en duurde 20 min. Vervolgens werden de zebravisjes 3,5 uur in de containers gelaten. Tijdens deze periode werd beluchting verzorgd via een slang verbonden met een luchtpomp. Om 14:00 werd een tweede opname van 20 min gemaakt. Het doel van de twee opnamen was om de effecten van habituatie en/of de afnemende effecten van de geneesmiddelen te bestuderen (de halfwaardetijd van MK-801 bij ratten is ongeveer 2 uur28). We analyseerden (1) de gemiddelde sociale afstanden (ook wel inter-individuele afstanden genoemd11,29) als maat voor sociale cohesie, (2) de verticale distributie over tien diepteniveaus, (3) de horizontale distributie over vier radiale zones (zie Figuur 24A, inzet voor de locaties van de zones) en over kwadranten (zie Figuur 24B, inzet voor de locaties van de kwadranten), en (4) de drie componenten (x,y,z) van de afgelegde afstand. De gegevens werden gemiddeld per school. Nadat Shapiro-Wilkins tests uitwezen dat niet alle variabelen normaal verdeeld waren, werden voor alle variabelen Mann-Whitney U-tests toegepast om de gemiddelden van de controle- en MK-801 groepen te vergelijken. Deze vergelijkingen werden afzonderlijk uitgevoerd voor de ochtend- en middagsessies. We hanteerden α = 0,05/4 = 0,0125, omdat er vier (groepen) variabelen werden gebruikt (zie boven).
Figuur 2A toont een typisch voorbeeldframe voor controle-zebravissen en Figuur 2B toont een typisch voorbeeldframe voor zebravissen behandeld met MK-801, beide opgenomen tijdens de ochtendsessie. Let op dat de controle-zebravissen zich dicht bij de bodem bevonden, dicht bij de voorwand (d.w.z. de zijde die het dichtst bij de camera ligt) en dicht bij elkaar bleven (d.w.z. de sociale cohesie was hoog). In tegenstelling hiermee bevonden de met MK-801 behandelde zebravissen zich dicht bij de bovenkant, vertoonden zij geen voorkeur in het horizontale vlak en zwommen zij op aanzienlijke afstand van elkaar (d.w.z. de sociale cohesie was laag). Figuur 21 toont representatieve trajecten. De controle-zebravissen vertoonden een duidelijke tendens om zich aan de voorzijde van de observatiecontainer te houden. Bovendien bleven ze het grootste deel van de tijd dicht bij de bodem. Zebravissen behandeld met MK801 zwommen daarentegen overal in het horizontale vlak. Zij hadden echter om 10:30 een duidelijke voorkeur voor de bovenste diepteniveaus. Om 14:00 werd hun verticale distributie homogener.
Kwantitatieve analyse van de gegevens bevestigde onze beschrijving. Figuur 22A laat zien dat de gemiddelde sociale afstand (d.w.z. de gemiddelde interindividuele afstanden tussen de vier zebravissen van de quadrupletten) voor MK-801-zebravissen in de ochtend (om 10:30) meer dan drie keer zo groot was als voor controlezebravissen, met U = 0 en p<0.00001. Na 3,5 uur habituatie (om 14:00) nam de sociale afstand bij de controlezebravissen toe, terwijl deze bij de MK-801-zebravissen min of meer ongewijzigd bleef. Desondanks bleef er een significant verschil bestaan tussen beide groepen (U = 19, p<0.0005). Figuur 22B toont de tijdlijnen van de sociale afstand voor de twee experimentele groepen voor zowel 10:30 als 14:00.
De verticale distributie was ook zeer verschillend voor beide groepen. Figuur 23 laat zien dat zowel in de ochtend (10:30) als in de middag (14:00) de controle-zebravissen het grootste deel van de tijd doorbrachten op de twee tot drie laagste diepteniveaus (i.e. de niveaus het dichtst bij de bodem van de observatiecontainer). De MK-801-zebravissen zwommen daarentegen om 10:30 het grootste deel van de tijd dicht bij het wateroppervlak (Figuur 23A). Na 3,5 hr habituatie waren ze om 14:00 min of meer gelijkmatig verdeeld over alle diepteniveaus.
De horizontale distributie was ook zeer verschillend voor beide experimentele groepen. In Figuur 24A zien we dat MK-801 zebravissen minder tijd in de buitenste zone en meer tijd in de middelste en centrale zones doorbrachten dan de controlezebravissen. De verschillen tussen de groepen met betrekking tot de kwadranten waren nog duidelijker (Figuur 24B). Controlezebravissen hadden een zeer sterke voorkeur voor de twee voorste kwadranten (1 en 4), i.e. de zijde van de container die het dichtst bij de camera lag. MK-801 zebravissen waren daarentegen min of meer gelijkmatig verdeeld over de vier kwadranten.
Wat betreft de kinematische parameters beperken we de discussie hier tot de afgelegde afstand (Figuur 25). De MK-801 zebravis bewoog meer dan de controlezebravis. Interessant is dat dit verschil vooral significant was voor de y-component van de afgelegde afstand. Dit is de richting van de camera (zie Figuur 1). Inderdaad bleven controlezebravissen de meeste tijd dicht bij de voorwand in kwadranten 1 en 4 (zoals te zien is in Figuren 24A en 24B). MK-801 zebravissen bewogen daarentegen heen en weer tussen de voor- en achterste helften van de container.
Hier hebben we slechts een voorbeeld gepresenteerd van de mogelijke manieren om de door het experiment verstrekte gegevens te analyseren. Op dit moment onthouden we ons van het koppelen van een specifieke biologische interpretatie aan de resultaten. Het is echter vermeldenswaard dat is vastgesteld dat MK-801 sociale terugtrekking induceert30 en sociaal onderzoekend gedrag bij ratten vermindert31, en dat het is bestudeerd als model voor negatieve symptomen van schizofrenie30. Het veroorzaakte ook hyperactiviteit31, cirkelend gedrag32, sensorische stoornissen33 en een verminderde prepulse-inhibitie34 bij zoogdieren. Hoewel we niet specifiek op deze stoornissen hebben getest, lijken onze bevindingen hiermee consistent te zijn. Specifiekere experimentele opstellingen zijn nodig om te bepalen of de beschreven effecten van MK-801 in zebravissen vergelijkbaar zijn met die beschreven bij zoogdieren. Verdere analyses en experimenten zouden ook noodzakelijk zijn om vast te stellen of angst, ademhalingsproblemen, ruimtelijke desoriëntatie, aandachtstekort, stereotypie etc. een significante rol speelden in de door MK-801 geïnduceerde veranderde gedragingen bij de zebravis.

Figuur 1. Schematisch diagram van de apparatus. De camera legt frames vast (d.w.z. stilstaande beelden) die zowel het vooraanzicht als het bovenaanzicht van het observatietank tonen. De frames worden opgeslagen in de computer voor verdere verwerking. Let op de posities van de xyz-dimensies, die belangrijk zijn voor het beschrijven van de 3D-kenmerken van de bewegingen en locaties van de zebravis. De twee gearceerde wanden in de figuur (en de bodem van de tank) waren in ons experiment (zie Representatieve Resultaten) wit geverfd, terwijl de twee andere wanden transparant waren. Klik hier om de afbeelding in een groter formaat te bekijken.

Figuur 2. Voorbeeldbeelden. Let op dat vooraanzichten of bovenaanzichten alleen worden gekenmerkt door informatieverlies. Dit is vooral duidelijk zichtbaar in paneel B, waar de drie zebravissen links in het vooraanzicht dicht bij elkaar lijken te zijn, terwijl het bovenaanzicht laat zien dat dit niet het geval is. Aan de andere kant geeft het bovenaanzicht geen indicatie van de afstand tot de bodem. A) Controle-zebravissen. B) Zebravissen behandeld met 10 µM MK-801. Let op dat de kleur (blauw) van de achtergrond is gegenereerd door de opnamesoftware en is gekozen om een goed contrast te verkrijgen. De werkelijke kleur van de wanden aan de achterzijde en rechts, en van de bodem, was wit. Klik hier om de afbeelding in een groter formaat te bekijken.

Figuur 3. Uitlijning van de zijspiegel. De witte pijl links geeft de voorwand (het dichtst bij de camera) in de zijspiegel aan. Als er twee lijnen zichtbaar zijn, corrigeer dan de positie van de zijspiegel totdat er slechts één lijn zichtbaar is (stap 1.2). De 5 LED's van het kalibratiepaneel zijn duidelijk zichtbaar in alle drie de weergaven. Let op dat er, omdat de lampen in de kamer aan staan, veel andere reflecties zichtbaar zijn op het LED-paneel (stap 1.4). Klik hier om de afbeelding in een groter formaat te bekijken.

Figuur 4. Het taggen van de LED's. Het linkerpaneel laat zien dat de vijf tags (genummerd van 0-4) die door de kalibratieprocedure zijn geïdentificeerd, niet samenvallen met de werkelijke LED's. Naast de LED's zijn andere lichtvlekken (eigenlijk reflecties) zichtbaar. In het rechterpaneel zijn de gain en de sluiter verlaagd, zodat alleen de LED's zichtbaar zijn. Nu zijn de vijf tags correct toegewezen (zoals beschreven in stappen 1.7-1.10). Klik hier om de afbeelding in een groter formaat te bekijken.

Figuur 5. Verzamel containerinformatie. De volgorde van de zes punten die geselecteerd moeten worden (door met de rechtermuisknop te klikken) wordt weergegeven. De lijnen worden automatisch getrokken. Let op dat de hier aangegeven nummers niet op het scherm verschijnen. Wanneer dit is voltooid, druk op 'Collect container info' (zoals beschreven in stap 1.12). Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 6. Volume verzamelen. Klik met de rechtermuisknop op de aangegeven locaties die de hoeken van het waterlichaam markeren: markeer eerst de hoek in het vooraanzicht en daarna in het bovenaanzicht. Ga vervolgens naar de volgende hoek (van 1-8). Let op dat de acht punten de omtrek van het waterlichaam markeren, en niet die van de tank. Houd er ook rekening mee dat er bij het rechtsklikken met de muis alleen 'x0' verschijnt, wat weer verdwijnt bij het klikken op het volgende punt (de nummers 1-8 verschijnen dus niet daadwerkelijk op het scherm). De procedure wordt beschreven in stap 1.17. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 7. Ongecorrigeerd contrast. De afbeelding is overbelicht en het contrast tussen de vissen en de achtergrond (vooral in het vooraanzicht) is laag. Klik hier om de afbeelding in een groter formaat te bekijken.

Figuur 8. Gecorrigeerd contrast. Het contrast is nu verbeterd in vergelijking met Figuur 7. Let op dat de kleuren op het scherm valse kleuren zijn. Klik hier om de grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 9. Algemene instellingen. Na het selecteren van 'Camera control' in het hoofdmenu opent het venster 'General Settings'. Deselecteer de vakjes 'Shutter' en 'Gain' en gebruik de schuifregelaars om het beste contrast tussen de vis en de achtergrond te vinden. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 10. Kleurinstellingen. Deselecteer in het venster 'White Balance/Color' het vakje 'Auto' en gebruik de schuifregelaars 'Red' en 'Blue' om de beste combinatie te vinden voor een goed contrast tussen de vis en de achtergrond. Parameters. Selecteer na het openen van de Trajectory Module het experimentele bestand via 'Data location' en open vervolgens het venster 'Parameters' via 'System Setup'. Hier worden goede startwaarden aan de parameters toegewezen. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 11. Parameters. Selecteer na het openen van de Trajectory Module het experimentele bestand via ‘Data location’ en open vervolgens het venster ‘Parameters’ via ‘System Setup’. Hier zijn goede startwaarden aan de parameters toegewezen. .Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 12. Uitlijning van de kaders. Let op hoe de rode kaders voor het bovenaanzicht en het vooraanzicht de gebieden definiëren waarin de vissen kunnen worden aangetroffen. Het kader links is gereduceerd tot een lijn om dit gebied uit de zoekopdracht uit te sluiten. Klik hier om de afbeelding in een groter formaat te bekijken.

Figuur 13. Tag-toewijzingen. Na het klikken op de knop 'Start generating trajectories' en het kiezen van het startframe (normaal gesproken frame #0), opent het venster 'Tag assignments'. Klik op 'Step forward' totdat de tag ('X0') op het scherm verschijnt. Als de tag niet op de afbeelding van de vis is geplaatst, klik dan op 'No' totdat deze correct is geplaatst. Klik vervolgens op 'Go'. Klik hier om de afbeelding in een groter formaat te bekijken.

Figuur 14. Informatiescherm. Paneel (A) toont de correcte toewijzing van de tag. De tag ('X0') is in beide weergaven op de afbeelding van de vis geplaatst. Normaal gesproken loopt er een lijn door de tag. Paneel (B) toont overmatige ruis en de afwezigheid van tagtoewijzing. De frames zijn verkregen uit dezelfde opname door de kleur- en grootte-drempelwaarden (in stap 2.2) respectievelijk te wijzigen van 1.000-50 en 10-5. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 15. Driedimensionale weergave van het gereconstrueerde pad. De oorsprong van de pijlen bevindt zich in de linker-voorhoek van het aquarium voor oriëntatiedoeleinden (zie ook Figuur 1). In dit voorbeeld blijft de vis dus dicht bij de linkerwand (relatief ten opzichte van de camera). Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 16. Trajectafvlakking. Dit venster opent na het klikken op de knop 'Trajectory smoothing'. Accepteer voorlopig de standaardwaarde door op 'OK' te klikken. Klik hier om de afbeelding in een groter formaat te bekijken.

Figuur 17. Submappen. De map die tijdens de opname is gegenereerd, wordt hierboven getoond. Na padreconstructie bevat deze de zes aangegeven submappen. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 18. Afgevlakt bestand. Het bovenste gedeelte van een voorbeeld van een point.smoothed-file wordt getoond, waarin het aantal frames, de duur van de opname (in min), de coördinaten van het centrum van de watermassa ten opzichte van de camera, en voor elk frame de coördinaten en de duur zijn aangegeven. Klik hier om de afbeelding in een groter formaat te bekijken.

Figuur 19. Gegevensverwerking. Selecteren van de te analyseren bestanden (rechtervenster). Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 20. Voorbeeld van analyse. De relevante eindpunten kunnen worden berekend door ze uit het menu te selecteren. In dit voorbeeld is 'Duration Freezing' geselecteerd. Het programma vraagt om drempelwaarden voor snelheid en duur die bevriezing definiëren. Het resultaat wordt uitgedrukt als een percentage van de totale duur van de opname. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 21. Representatieve trajecten. Twee representatieve trajecten voor controle-zebravissen en twee representatieve trajecten voor met 10 µM MK-801 behandelde zebravissen worden gepresenteerd voor de ochtendsessie beginnend om 10:30 (bovenste rij) en voor de middagsessie beginnend om 14:00 (onderste rij). De trajecten voor de individuele zebravissen van elk kwartet worden weergegeven in een verschillende kleur. Let er echter op dat er tag-swapping kan hebben plaatsgevonden. Handmatige correctie is vereist als het cruciaal is om de individuele lijnen te volgen. De linker voorzijde (oorsprong van de inzetpijlen) van de afgebeelde container is de zijde die het dichtst bij de camera staat (zie Figuur 1 voor de positionering van het aquarium). Klik hier om de grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 22. Gemiddelde sociale afstand tussen vissen. A) Gemiddelde sociale afstanden voor controle-zebravissen en met 10 µM MK-801 behandelde zebravissen worden gepresenteerd voor de ochtend- en middagsessies. Gemiddelde en S.E.M. worden weergegeven. ***, p<0.001. B) De tijdlijnen van de gemiddelde inter-individuele afstanden worden gepresenteerd voor beide groepen. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 23. Diepteverdeling. A) Verdeling van de zebravis over tien gelijke diepteniveaus (waarbij niveau 1 het niveau dichtst bij de bodem is) voor de ochtendsessie. B) Verdeling van de zebravis voor de middagsessie. Gemiddelde en S.E.M. worden weergegeven. *, p<0.0125; **, p<0.005; ***, p<0.001. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 24. Horizontale distributies. (A) De temporele distributie over de vier radiale zones van de experimentele groepen wordt weergegeven. De inzet toont de locaties van de zones van het centrum naar de periferie: centrum, midden, buitenste en gecombineerde hoekzones. (B) De temporele distributie over de vier kwadranten van de experimentele groepen wordt weergegeven. De inzet toont de locatie van de kwadranten. De wanden aangeduid met dubbele lijnen vertegenwoordigen witte wanden, die met enkele lijnen vertegenwoordigen transparante wanden. De camera bevindt zich links van de inzet, d.w.z.. het dichtst bij kwadranten 1 en 4 (zie ook Figuur 1). Gemiddelde en S.E.M. worden weergegeven. Zwarte asterisken duiden vergelijkingen tussen de groepen voor de ochtendsessie aan en grijze asterisken die voor de middagsessies: *, p<0.0125; **, p<0.005; ***, p<0.001. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 25. Afgelegde afstand. De xyz-componenten van de afgelegde afstand voor de zebravis tijdens de ochtend- en middagsessies worden getoond. Gemiddelde en S.E.M. zijn weergegeven. Zwarte asterisken duiden vergelijkingen tussen de groepen voor de ochtendsessie aan en grijze asterisken die voor de middagsessies: *, p<0.0125; ***, p<0.001. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.
De experimentele procedure die hier wordt getoond, maakt het mogelijk om individuele zebravissen, paren zebravissen (bijv. om paring of agressie te bestuderen) en scholen zebravissen (zoals getoond in het representatieve voorbeeld) op te nemen. Het systeem is speciaal geschikt voor het gelijktijdig verkrijgen van informatie over 3D (verticale en horizontale) verdeling, kinematische kenmerken (bijv. snelheid, versnelling, draaihoek) en sociale parameters (bijv. sociale cohesie). Hieronder vermelden we enkele belangrijke zaken om rekening mee te houden bij het plannen van experimenten.
Afhankelijk van de experimentele procedure kunnen verschillende gedragssystemen worden bestudeerd. Om bijvoorbeeld neofobie (d.w.z. angst voor nieuwe omgevingen) te onderzoeken, moet de opname onmiddellijk worden gestart nadat de zebravis is geïntroduceerd in de observatietank (na een paar seconden te wachten tot het water is bezonken om ruis te verminderen), zonder voorafgaande habituatie11,17,37. Aan de andere kant kunnen sommige onderzoeksonderwerpen vereisen dat de zebravissen goed gehabitueerd zijn, bijvoorbeeld bij het bestuderen van de effecten van alarmferomonen16. Bij het bestuderen van groepen zebravissen moet de onderzoeker zich ervan bewust zijn dat, hoewel de software het schakelen van tags minimaliseert, het op dit moment niet mogelijk is om individuele zebravissen gedurende de hele tijd te volgen. Dit is ook niet belangrijk voor scholingsstudies waarbij de nadruk ligt op sociale cohesie, maar zou cruciaal zijn bij het onderzoeken van agressie of paring. Handmatig opnieuw toewijzen van tags is een optie, maar kan erg tijdrovend zijn.
De kleur van de wanden van de observatiecontainer en van de observatiekamer kan een grote invloed hebben op het gedrag van de zebravissen. Bijvoorbeeld, witte muren zijn beschreven om afwijkingsreacties te induceren36, 37. Wanneer je verschillende kleuren probeert, houd dan twee dingen in gedachten: 1) het is belangrijk dat de voormuur (d.w.z. de muur die het dichtst bij de camera staat) transparant blijft en dat een deksel (indien er een wordt gebruikt) ook transparant moet zijn; 2) wanneer je een kleur selecteert die nog nooit eerder is gebruikt, bepaal dan eerst of de contrast tussen zebravis en achtergrond geschikt is voor opname. Doe een testrun. Het wijzigen van de camera-instellingen voor opname (Gain, Shutter, Rood en Blauw, zoals uitgelegd in stappen 2.5 en 2.6) en de instellingen voor trajectreconstructie (bijv. kleur- en groottedrempels, zoals uitgelegd in stappen 3.3, 3.5, 3.11 en 3.12) kan een groot verschil maken. Ervaring met het systeem zal een lange weg gaan om te beslissen wat mogelijk is.
Afhankelijk van het doel van het experiment, kan een lichtbron met verschillende kenmerken (bijv. spectrum, intensiteit) wenselijk zijn. De LED-balken kunnen eenvoudig worden vervangen. Zorg ervoor dat het licht elk deel van de container bereikt.
Als het experiment vereist dat de zebravis enkele uren in de observatiecontainer blijft, zorg er dan voor dat er beluchting is. Een luchtbuis kan aan de achterrechterhoek worden bevestigd met behulp van een clip. Controleer op het computerscherm of de clip de opname niet verstoort, d.w.z. dat de zebravis op geen enkel moment uit het zicht wordt verborgen. In Figuren 2A en 2B kan de zwarte clip in de topview worden gezien. Idealiter zou beluchting vóór of tussen opnames moeten worden geboden, maar niet tijdens opname om ruis te voorkomen. Merk ook op dat het in- of uitschakelen van sterke beluchting de zebravis kan verschrikken.
Als het experiment vereist dat de zebravis overnacht in de container wordt gehouden, is het nuttig om de observatiekamer te bedekken met een transparant deksel om te voorkomen dat de zebravis eruit springt (wat een veel voorkomende gebeurtenis is). Als het deksel niet wordt verwijderd voor opname (om de zebravis niet te storen), overweeg dan de volgende twee punten: 1) zorg ervoor dat de spiegelbeelden van de lichtbronnen de opname niet belemmeren (bijv door de lichtbronnen te verschuiven of door een deksel te kiezen dat het licht minimaal reflecteert); 2) overweeg dat het deksel misschien mistig kan worden wanneer het 's nachts wordt gebruikt, vooral omdat in dit geval ook beluchting moet worden geboden; een manier om dit te verminderen is om een deksel met kleine gaatjes te kiezen.
Voor sommige experimenten kan het essentieel zijn om het basisgedrag van de zebravis te bepalen voordat een medicijn wordt toegediend. In dit geval kan het medicijn tussen sessies worden toegevoegd via een buis (vergelijkbaar met de hierboven besproken beluchtingsbuis).
Hoewel de focus hier was op het opnemen van zebravissen (Danio rerio), kunnen natuurlijk ook andere vissoorten met het systeem worden opgenomen. Het is gebruikt om gedragingen bij (juveniele) goudvissen (Carassius auratus), tijgerbaars (Barbus tetrazona) en groene zwaardstaart (Xiphophorus helleri) te bestuderen.
Ten slotte moet worden opgemerkt dat andere afmetingen van de observatietanks in principe mogelijk zijn. Het zou echter vereisen dat het systeem opnieuw wordt geconfigureerd en een goede balans wordt gevonden tussen ruimtelijke en temporele resolutie bij het gebruik van veel grotere observatiecontainers. Bovendien moet de vorm van de container kubusvormig zijn. Het aantal zebravissen of andere experimentele onderwerpen is theoretisch onbeperkt; echter, tag-swapping neemt toe met het aantal onderwerpen.
Hans Maaswinkel, Liqun Zhu en Wei Weng zijn werknemers van xyZfish, Ronkonkoma NY, dat het volgsysteem produceert dat in dit artikel wordt gebruikt.
De auteurs hebben geen erkentelijkheid.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| AABT-3D Tracking Hardware | xyZfish | AABT II | Bevat camera, videokaart, observatiecompartiment met spiegel en verlichting |
| AABT-3D Calibratieapparatuur | xyZfish | calib | Bevat kalibratiepaneel en zijspiegel |
| AABT-3D Observatiecontainers | xyZfish | cubes | |
| AABT-3D Tracking software | xyZfish | v.1.0 | |
| Computer | optioneel | N/A | Windows XP of hoger |
| (+)-MK-801 hydrogen maleate | Sigma | M107 | |
| Luchtpomp | Fusion | 500 | |
| Luchtleiding 3/16” | Lee’s Aquarium and Pet Products | 14508 | |
| Medium Binder Clips | OfficeDepot | 561339 | Om luchtleiding aan observatiecontainer te bevestigen |
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen