RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Alessandro Cresci1, Rosario De Rosa2,3, Claudio Agnisola4
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
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Мы описываем поведенческих протокол, разработанный для оценки как личностей данио рерио влияние их ответ на водных течений и слабых магнитных полей. Рыбы с же личностями разделяются на их исследовательское поведение. Затем наблюдается их поведение rheotactic ориентации в плавательный туннель с низким расходом и в различных условиях магнитные.
Ориентироваться в окружающей их среды, животных интегрировать широкий спектр внешние сигналы, которые взаимодействуют с несколькими внутренними факторами, как личность. Здесь мы описываем поведенческих протокол, разработанный для изучения влияния данио рерио личности на ответ их ориентации на несколько внешних экологических подсказки, специально течений и магнитные поля. Этот протокол стремится понять, является ли активной или реактивной данио рерио отображать различные rheotactic порогов (то есть, скорость потока, на котором рыба начала течения) когда окружающие магнитного поля изменяет свое направление. Для выявления данио рерио с же личности, рыбы будут введены в темноте половины бака связанных с узкое отверстие ярко половину. Только активные рыбы исследовать роман, светлые среды. Реактивная рыбы не выйти из темной половины бака. Плавательный туннель с показателями низкого потока используется для определения rheotactic порог. Мы описываем двух установок для управления в туннеле, в диапазоне от напряженности магнитного поля земли магнитного поля: один, который управляет магнитного поля вдоль направления потока (одно измерение) и один, который позволяет 3 осевой контроль магнитного поля. Рыбу снимают испытывая поэтапное увеличение скорости потока в туннеле под различные магнитные поля. Данные на поведение ориентации собираются через видео отслеживание процедуры и применяется к модели логистической разрешить определение rheotactic порог. Мы доклад представителя результаты собранных от обмелению данио рерио. В частности они показывают, что только реактивной, разумно рыба Показать вариации rheotactic порога, когда магнитное поле меняется в его направлении, в то время как активную рыбу не реагировать на изменения магнитного поля. Эта методология может применяться к изучению магнитной чувствительности и rheotactic поведение многих водных видов, как отображение одиночной или обмелению плавательный стратегии.
В настоящем исследовании мы описываем поведенческих протокол на основе лаборатории, которая имеет сферу изучения роли личности рыбы на ориентацию ответ косяки рыбы для внешней ориентации подсказки, например течений и магнитные поля.
Ориентации решений животных в результате взвешивания различных сенсорной информации. Процесс принятия решений зависит от способности животного для навигации (например, способность выбрать и сохранить направление), его внутреннее состояние (например, кормления или репродуктивные потребности), его способность двигаться (например, биомеханика опорно) и несколько дополнительных внешние факторы (например, время суток, взаимодействие с сородичами)1.
Роль внутреннего состояния или животных личности в поведение ориентации часто плохо понимают или не изучены2. Дополнительные проблемы возникают в исследовании ориентации социальной водных видов, которые часто выполняют скоординированных и Поляризованные группы движение поведение3.
Вода токов играть ключевую роль в процессе ориентацию рыбы. Рыбы Ориент водных токов через unconditioned ответ называется Реотаксис4, который может быть положительным (то есть, вверх по течению ориентированные) или отрицательным (т.е. вниз по течению ориентированные) и используется для ряда мероприятий, начиная от нагула для минимизации энергичный расходы5,6. Кроме того растущий объем литературы сообщает, что многие виды рыб использовать геомагнитного поля для ориентации и навигация7,8,9.
Исследование Реотаксис и плавание производительности в рыба обычно проводится в поток камер (лотковыми), где рыбы подвергаются воздействию поэтапное увеличение скорости потока, от низкой до высокой скорости, часто до исчерпания (называется Критическая скорость)10, 11. С другой стороны предыдущие исследования исследованы роль магнитного поля в ориентации через наблюдение плавательный поведения животных в аренах с негазированной воды12,13. Здесь мы описываем лабораторная техника, которая позволяет исследователям изучить поведение рыб во время манипулирования океанских течений и магнитного поля. Этот метод был использован для в первый раз на косяки данио рерио (Danio рерио) в нашем предыдущем исследовании, приводит к выводу, что манипуляции окружающего магнитного поля определяет порог rheotactic (т.е., минимальная скорость воды в какие косяки рыбы Восток вверх по течению)14. Этот метод основан на использовании лотковыми камеры с медленным потоков, в сочетании с установки, предназначенные для управления магнитного поля в лотковая, в диапазоне от напряженности магнитного поля Земли.
Плавательный туннель используется для наблюдения за поведением данио рерио приводится на рисунке 1. Тоннель (из nonreflecting акриловый цилиндр диаметром 7 см и 15 см в длину) подключен к установки для контроля потока скорость14. С этой установкой скорости потока в туннеле варьируется между 0 и 9 см/сек.
Чтобы управлять магнитного поля в плавательный туннель, мы используем два методологических подходов: первый одномерный и второй трехмерный. Для любого приложения, эти методы манипулирования геомагнитного поля для получения конкретных магнитные условия в определенный объем воды — таким образом, все значения интенсивности магнитного поля, в этом исследовании включают геомагнитного поля.
Что касается одномерный подход15, манипулируют магнитного поля вдоль направления потока воды (определяемой как оси x) с помощью соленоида, обернутые вокруг плавательный туннель. Это подключено к блоку питания, и это порождает единообразных статические магнитные поля (рис. 2A). Аналогичным образом в случае трехмерного подхода, геомагнитного поля в томе, содержащем плавательный туннель изменяется с помощью катушек электрических проводов. Однако чтобы управлять магнитное поле в трех измерениях, катушки имеют дизайн трех ортогональных Гельмгольца пар (рис. 2B). Каждая пара Гельмгольца состоит из двух круговой катушек, ориентированный вдоль трех ортогональных космических направлениях (x, yи z) и оснащена 3 осевой магнитометр, работающих в условиях замкнутого цикла. Магнитометр работает с интенсивностью поля, сопоставимых с естественным полем Земли, и это недалеко от геометрический центр наборе катушек (где расположен плавательный туннель).
Мы реализуем методы, описанные выше, чтобы проверить гипотезу, что черты личности сочинять косяка рыб влияют на способ они реагируют на магнитные поля16. Мы проверить гипотезу, что люди с активной и реактивной личности17,18 по-разному реагируют при воздействии магнитного поля и водных потоков. Чтобы проверить это, мы сначала отсортировать данио рерио, с использованием установленной методологии для присвоения и группы лиц, которые являются активной и реактивной17,19,,2021. Затем мы оцениваем rheotactic поведение данио рерио, купание в стаи входят только реактивной лиц или составе только активных лиц в магнитных лотковыми танк, который мы представляем в качестве образца данных.
Метод сортировки на основе различных тенденция проактивные и реактивные лиц для изучения новых сред21. В частности мы используем танк разделен яркий и темная сторона17,19,20,21 (рис. 3). Животные акклиматизировались на темную сторону. Когда доступ к яркой стороне открытой, активные люди, как правило, быстро выйти из темной половины бака для изучения новой среде, в то время как реактивный рыбы не оставляют темные танк.
Следующий протокол был одобрен институциональный уход животных и использование комитета университета Федерико II в Неаполе, Неаполь, Италия (2015).
1. животных обслуживание
2. личность выбора в данио рерио
3. Настройка магнитного поля с одномерные магнитное поле манипуляции27
4. Установите вверх магнитного поля с трехмерной магнитным полем манипуляции27
5. тест данио рерио Реотаксис в камере потока
6. видео отслеживания
Как образец данных мы представляем результаты контроля магнитного поля вдоль направления потока воды на активной и реактивной обмеление данио рерио16 с помощью программы установки, показано на рисунке 2A (см. раздел 3 протокола). Эти результаты показывают, как описывается протокол можно выделить различия в ответах на магнитное поле в рыб с разными личностями. Общая концепция этих испытаний опирается на вывод, что направление магнитного поля относительно потока воды влияет порог rheotactic в обмелению данио рерио14. Таким образом, как изменения в магнитном поле модулировать Реотаксис, этот протокол может использоваться для оценки, если ответ данио рерио магнитные поля различаются в зависимости от их активной и реактивной личности28.
Во-первых, используя светлые/темные танк, как показано на рисунке 3данио рерио были разделены на разные группы согласно их активных/реактивных личности. После такого испытания косяки пяти рыб с же личности затем были протестированы в электромагнитный плавательный туннель (рис. 1 и рис. 2A). В общей сложности 20 рыб были протестированы: две стаи состоит из пяти реактивной рыбы каждый (10 реактивных рыбы) и две стаи состоит из пяти активных рыб каждый (10 активных рыб).
Один косяк в то время было видео, записанная во время купания в туннеле и текущей воды ускорился с поэтапное увеличение скорости потока как схематически показано на рисунке 4. Рыбы было разрешено акклиматизироваться на 1 ч в туннеле. После этого мы применяется протокол для количественной оценки rheotactic поведения, с помощью поэтапного увеличения скорости потока согласно классической Бретт протокол25. В частности скорость потока увеличился на 0,4 BL/s каждые 10 минут в общей сложности семь последовательных шагов (рис. 4). Поведение данио рерио был записан в течение всей продолжительности выполнения в туннеле (70 мин), и значение ри на каждом шаге была рассчитана (см. Протокол шаг 6.8).
Во время выполнения в плавательный туннель, магнитное поле был установлен в одном из следующих двух условий: 50 μT вниз по течению (то есть, горизонтальный компонент магнитного поля [вдоль оси x] имел такое же направление потока воды) и 50 μT вверх по течению (т.е. горизонтальный компонент магнитного поля была противоположном направлении относительно потока воды)16. Интенсивность вдоль осей y и z не пострадали, а также общей интенсивности и угла наклона вектора магнитного поля. Каждый мелководье пяти рыб была подвержена только один из двух магнитных условий. Например Учитывая активную рыбу, одна Проактивная мелководье магнитное поле направлено вниз по течению и другие активные мелководье были магнитное поле направлено вверх по течению.
Видео затем были проанализированы с помощью видео отслеживания программного обеспечения (раздел 6 протокола). Рыба была видео на весь срок выполнения в плавательный туннель. Однако были отслежены только последний 5 мин каждый 10 мин Лонг поэтапного увеличения скорости потока (рис. 4). В отслеживаемых время, были отмечены повороты каждой рыбы на каждой скорости потока (Рисунок 5, красный и синий точек данных). Затем они использовались как ссылки для вычисления ри каждой рыбы и скорость каждого потока (рис. 5). РИ индекс колеблется от 0% до 100%. Когда ниже 50%, индекс ри указывает, что рыба отображаться отрицательные Реотаксис (распространенность течению плавание); Когда ри выше 50%, он показывает, что животное имеет положительный ответ rheotactic (распространенность плавание вверх по течению). Ри, не существенно отличается от 50% будет означать отсутствие rheotactic ответа. Затем значения ри % всех пяти рыб в мелководье были среднем на каждой скорости потока. Эти усредненные данные были арксинус преобразованы и используется для кривых, отображаемый в рисунке 6A. Таким образом rheotactic индекс увеличивается sigmoidally когда скорость воды увеличивается, позволяя количественная оценка Реотаксис с простой математический метод. Отношения между Ри и скорость потока может быть установлен в следующих материально-технического сигмоид модель.
Три параметра и их изменчивости могут быть получены от форму кривой. РИплато измеряет максимальное тенденция животных вверх по течению сориентироваться в диапазоне скорости потока, используемые в эксперименте. РИснизу значение ри в отсутствие потока воды и гипотетически, не должен отличаться от 50%. Rtr -это скорость потока, на котором происходит максимальный наклон кривой, и он может использоваться как мера rheotactic порог6.
Результаты показывают, что rheotactic пороге данио рерио (trR) является очень низким, в диапазоне от нескольких сантиметров в секунду. Вариаций магнитного поля не влияют на Rtr активной рыбы (никакого эффекта магнитного поля, т-тест, P > 0.05). Противоположно изменения магнитного поля имеют выраженный эффект на rheotactic поведение реактивной данио рерио. Когда компонент магнитного поля вдоль плавательный туннель был направлен по течению, Rtr является очень низким и похож на активную рыбу. Порог был значительно выше, когда магнитное поле направлено вверх по течению (t-теста, P < 0.01).
Значениеплато ри реактивной животных был значительно ниже, когда магнитное поле направлено вверх по течению (t-теста, P < 0.01). Этот результат означает, что с этими условиями, реактивной рыбы достигнет полной положительный ответ rheotactic (RI = 100%) только на очень высокий дебит. Таким образом, этот результат подчеркивается, что, по сравнению с Rtr, Риплато предоставляет меньше сведений о поведении плавательный рыбы. В самом деле основываясь на сильной разница в реактивной риплато между двумя магнитные условия, мы можем заявить, что, под вверх по течению ориентированный магнитного поля, реактивной животных вероятно будет отображать полный rheotactic ответ на более высокой воды поток.
РИснизу значения, как правило, выше (хотя и не существенно) более 50% активных животных и реактивной животных, подвергшихся воздействию магнитного поля вниз по течению ориентированный. Это может свидетельствовать уклоном в протоколе, поскольку животных, характеризуется очень низкий порог может помнить опытных во время адаптационного направление потока. Чтобы проверить эту возможность можно было бы разработать соответствующий протокол.

Рисунок 1: Упрощенное представление плавательный туннель аппарат, используемых в настоящем исследовании. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2: Установки для управления магнитного поля. (A) оказание плавательный туннель с электромагнитным для индукции статический, горизонтальные магнитного поля внутри туннеля. Соленоид (0,83 поворотов/см) подключен к блоку питания и он генерирует поля в диапазоне ±250 МТ (диапазон интенсивности, который включает в себя диапазон магнитного поля Земли). На правой стороне показана фотография электромагнитный туннеля, подключенных к аппарату плавательный. Туннель состоит из акрила и имеет два перфорированные на подвод воды, акриловых пластин, которые обеспечивают поток быть рядом с ламинарным. (B) схемы и фото пар трех ортогональных Гельмгольца набор для элемента управления магнитного поля в геомагнитных диапазоне интенсивности. Датчик магнитного поля, процессор, цифро аналоговый преобразователь и катушки драйвера используется для закрытия цикла также показано. Каждая пара катушек состоит из двух круговой катушек с радиусом (r) 30 см и N = 50 витков AWG-14 медных проводов. 3 оси магнитометр (датчик) с возможностью выбора масштаба (± 88 МТ до ± 810 МТ) помещается в центре катушки набора. Диапазон датчика устанавливается в диапазоне до ±130 МТ. Эти значения были также использованы для описанных в представительных результатов измерений (в этих условиях, номинальный датчик резолюции это около 0,1 МТ). Интенсивность и направление магнитного поля осуществляется с системы цифровой обратной связи. Датчик измеряет трех компонент вектора магнитного поля (3 оси), и извлечены соответствующие сигналы об ошибке. Затем коррекция сигналы генерируются путем простой интегратор фильтр. Цифровая коррекция сигналы преобразуются в напряжения по цифро аналоговый преобразователь и усиливается драйвер подходит катушки. Эти последние сигналы используются отвезти Гельмгольца пар. Частота дискретизации фиксируется до 5 Гц и частота усиления единства петли составляет около 0,16 Гц. После того, как заданы течений в пар катушек Гельмгольца, Общее магнитное поле изменяется менее 2% от его средней интенсивности значения в Центральной кубический объем (с края [L] = 10 см) из катушек. Во время измерений rms магнитного поля составляет менее 0,2 МТ. В обеих установок (группы A и B) статическое электрическое поле создается ток в рулонах, производит магнитное поле16. Интенсивность электрического поля составляет около 0.4 V/m, когда применяется максимальный ток; Это значение является незначительным по сравнению с естественной или искусственной статических полей, присутствующих в окружающей среде, интенсивность которого составляет порядка 1 кв/м17. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3: Схематическое изображение танка (40 cm х 40 cm х 40 cm) используется для разделения активной реактивной данио рерио лиц (не в масштабе), по словам Рей et al.21. Объем бака выбора личности — 50, L. половины бака была оккупирована темной коробке с отверстием 5 см в диаметре на стороне коробки, сталкивается с яркой половины бака. Отверстие охватывается раздвижные двери (не показан), чьи открытия подписали начала выбора судебного разбирательства. Темная сторона цистерны должна Съемная крышка для доступа стороны сетей. Это облегчает размещение или ловить рыбу до и после поведенческих исследований. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4: Диаграмма скорости потока, используется в ходе испытаний для определения rheotactic порог данио рерио. Поток в течение 1 ч адаптационного периода было достаточно, чтобы гарантировать поставки достаточного количества кислорода к животным. Можно предположить, что с этой конструкции, снабжение кислородом является никогда не предел, даже в первом шаге 10 мин с потоком 0. Действительно, с содержанием кислорода воды при 27 ° C около 7.9 мг/л и потребления животных кислорода 1 mg/h.g (избыток приближение для потребления кислорода данио рерио, как в обычных условиях [Uliano et al.29], так и на низкой скорости плавательный [Палстра et «««Al.30]), это можно вычислить, что, в отсутствие потока, Ро2 в лотковыми не будет уменьшаться более чем 2% в животное, оставаясь значительно выше критической Po-2 (около 40 торр для данио рерио). Эта цифра была изменена Креши et al.14. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5: Поведение животных в туннель и расчету RI. Графиков представить позицию отдельных животных вдоль оси во время записи 300 s на три значения скорости потока. Красные точки представляют ниже по течению в вышестоящем повороты, голубой точки вверх по течению повороты. Соответствующие интервалы провел на животных по течению времени или вверх по течению, также регистрируются, и всего раз вверх и вниз по течению сообщается, из которого можно рассчитать значение ри. Можно отметить, что при увеличении скорости потока, вверх по течению времени и увеличить значения ри. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6: Представитель результаты. (A) связь между арксинус трансформированных ри значениями (RI-это процент всего ориентированных на время, что рыбы проводят навстречу потоку) и скорость потока для активной и реактивной обмеление данио рерио при двух условиях магнитного поля вдоль потока направление курса (один аспект управления). Каждая точка данных имеет среднее значений ри пяти рыб, составляющих отмель, на каждой скорости потока. Существенные различия между кривые были протестированы через сумму квадратов F-тест (альфа = 0,05)14. (B) магнитного поля осей и направление воды потока в туннеле. Трехмерное представление магнитного векторов в условиях двух магнитного поля, используемые в данном исследовании также показано. Магнитное поле в лаборатории (40 ° N, 14 ° E) был: F = 62 μT; Я = 64°; D = 44°. Эта цифра была изменена Креши et al.16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Авторы не имеют ничего сообщать.
Мы описываем поведенческих протокол, разработанный для оценки как личностей данио рерио влияние их ответ на водных течений и слабых магнитных полей. Рыбы с же личностями разделяются на их исследовательское поведение. Затем наблюдается их поведение rheotactic ориентации в плавательный туннель с низким расходом и в различных условиях магнитные.
Это исследование было поддержано базовые основания исследования кафедры физики и биологический факультет университета Федерико II в Неаполе. Авторы благодарят за статистической поддержки д-р Claudia Angelini (Институт применяется исчисление, Consiglio Nazionale делле ричерке [КНП], Италия). Авторы благодарят Scanu Мартина и Сильвия Frassinet за их техническую помощь в сборе данных и ведомственных техников F. Кассезе, G. Passeggio и р. Рокко за их умелые помощь в разработке и реализации экспериментальной установки. Мы благодарим Лаура язычников за помощь в проведении эксперимента во время съемки видео. Мы благодарим Diana Роуз Udel из университета Майами для съемки интервью заявления Креши Alessandro.
| 9500 G измеритель | FWБолл | н/д | гауссметр, DC-10 кГц; разрешение зонда: 0.01 μ Т |
| AD5755-1 | Analog Devices | EVAL-AD5755SDZ | Четырехканальный 16-разрядный цифро-аналоговый преобразователь |
| ALR3003D | двойным регулируемым блоком питания | ELC | 3760244880031 | постоянным током
| BeagleBone Black | Beagleboard.org | Н/Д | Одноплатная компьютерная |
| катушка | Драйвер Отечественный | Н/А | Усилитель на основе коммерческого OP (OPA544 by TI) |
| Пары Гельмгольца | Самодельные | катушки Н/Д | из стандартного провода AWG-14 |
| HMC588L | Honeywell | 900405 Rev E | Цифровой трехосевой магнитометр |
| MO99-2506 | FWБелтный | 129966 | Одноосный магнитный |
| зонд Плавательный аппарат | M2M Engineering Custom Scientific Equipment | Н/Д | Плавательный аппарат, состоящий из перистальтического насоса и SMC Переключатель расхода Расходомер с цифровой обратной связью |
| TECO 278 | TECO | N/A | Термокриостат |