زيبرافيش Rheotaxis المقايسة: طريقة لقياس سلوك التوجيه استجابة لمعدلات تدفق المياه المختلفة

Overview

يصف هذا الفيديو المقايسة الريوتيكسية في سمك الحمار الوحشي. وتنطوي هذه الطريقة على قياس السلوك التوجيهي لسمك الحمار الوحشي استجابة لمعدلات تدفق المياه المختلفة تحت تأثير المجالات المغناطيسية المختلفة.

Protocol

1. إعداد المجال المغناطيسي مع التلاعب المجال المغناطيسي أحادية الأبعاد

1. قم بتشغيل وحدة الطاقة (الشكل 1A).
2. ضع النفق ملفوف في الموقع حيث سيتم تنفيذ بروتوكول rheotactic (القسم 3) ولكن يبقيه قطع من جهاز السباحة(الشكل 1A). ضع مسبارا مغناطيسيا متصلا بجهاز Gauss/Teslameter داخل النفق وتحقق من الجهد اللازم للحصول على قيمة المجال المغناطيسي المختارة على طول المحور الرئيسي للنفق.
   ملاحظة: بسبب الخصائص المغناطيسية للسولينويد ، يكون الحقل موحدا بشكل معقول داخل النفق ؛ يمكن التحقق من ذلك عن طريق تحريك المسبار ببطء أفقيا وعموديا.
3. قطع المسبار وتوصيل نفق التدفق بجهاز السباحة.
4. ابدأ بالبروتوكول الريوتاتيك (القسم 3).

2. إعداد المجال المغناطيسي مع التلاعب المجال المغناطيسي ثلاثي الأبعاد

1. التبديل على وحدة المعالجة المركزية، DAC، ولفائف السائقين (الشكل 1B).
2. تعيين المجال المغناطيسي المختار على كل واحد من المحاور الثلاثة (س، ص، وz).
3. ضع النفق في وسط مجموعة أزواج هيلمهولتز.
4. ابدأ بالبروتوكول الريوتاتيك (القسم 3).

3. اختبار ل Rheotaxis حمار وحشي في غرفة التدفق

1. نقل 1-5 الأسماك إلى نفق التدفق باستخدام خزان 2 لتر مع الجانبين والسفل محجوبة.
2. تشغيل المضخة وتعيين معدل التدفق في النفق إلى 1.7 سم / ثانية.
   ملاحظة: هذه المياه بطيئة الحركة سوف تبقي المياه في النفق المؤوكسجين، وسوف تسهل استعادة الحيوانات.
3. دع الحيوانات تتكيف مع نفق السباحة لمدة ساعة واحدة.
4. بدء تسجيل الفيديو من سلوك الأسماك في النفق.
   ملاحظة: استخدمنا كاميرا (على سبيل المثال، Yi 4K Action) مع جهاز تحكم عن بعد (على سبيل المثال، البلوتوث) وحفظنا الفيديو كما .mpg (30 إطارا/ثانية).
5. بدء الزيادة التدريجية لمعدل التدفق وفقا للبروتوكول التجريبي المختار (1.3 سم/ثانية في هذه الدراسة؛ الشكل 2).
   ملاحظة: لهذا البروتوكول، استخدمنا معدلات تدفق منخفضة والتي، لسمك الحمار الوحشي، تتراوح من 0 إلى 2.8 BL (أطوال الجسم)/ثانية. هذه السرعات التدفق هي في نطاق أقل من معدلات التدفق التي تحفز السباحة الموجهة المستمرة في حمار وحشي (3٪-15٪ من سرعة السباحة الحرجة [U_crit]). يرتبط استخدام معدلات التدفق المنخفضة (وفقا لبروتوكول بريت) بالخصائص السلوكية المحددة لهذا النوع في وجود تيارات مائية. حمار وحشي تميل إلى السباحة على طول المحور الرئيسي للغرفة، وتحول في كثير من الأحيان، حتى في وجود تدفق المياه، وتميل إلى السباحة على حد سواء المنبع والمصب. يتأثر هذا السلوك بمعدل تدفق المياه ، ويختفي بسرعات عالية نسبيا (> 8 BL / ثانية) ، عندما تسبح الحيوانات باستمرار في مواجهة المنبع (استجابة الريسوتاك الإيجابية الكاملة). الإزاحة الرأسية والعابرة نادرة جدا.
6. إجراء مورفوميتري للحيوانات (الجنس والطول الإجمالي [TL] ، طول الشوكة [FL] ، أو BL) على صور الأسماك في غرفة مورفومترية.
   1. حدد الصورة المناسبة.
   2. افتح الصورة في ImageJ.
   3. يحيط علما بجنس الحيوان (ذكر حمار وحشي نحيلة وتميل إلى أن تكون مصفرة، في حين أن الإناث هي أكثر تقريب وتميل إلى أن يكون التلوين الأزرق والأبيض).
   4. انقر على تحليل > تعيين مقياس وتعيين مقياس الصورة بالسنتيمتر، باستخدام الطول الأفقي الكامل للنفق كمرجع.
   5. انقر على تحليل > قياس وتسجيل الطول الخطي للحيوان.
   6. حساب وزن الجسم (BW).
      ملاحظة: يتم حساب BW من العلاقات بين الجنس وFL-BW التي تم بناؤها سابقا في المختبر أو من البيانات الوصفية. الإجراء كله يتجنب التلاعب الإجهاد على الحيوانات.

Representative Results

الشكل 1: الإعداد للتحكم في المجال المغناطيسي. (أ) تقديم نفق السباحة مع سولينويد لتحريض حقل مغناطيسي ثابت وأفقي داخل النفق. يتم توصيل السولينويد (0.83 يتحول / سم) إلى وحدة الطاقة ويولد حقول في نطاق ±250 ميكروت (نطاق الكثافة التي تشمل نطاق المجال المغناطيسي للأرض). على الجانب الأيمن، تظهر صورة للنفق السولينويد المتصل بجهاز السباحة. النفق مصنوع من الاكريليك ويحتوي على صفيحتين من الاكريليك المثقبة وضعت في مدخل المياه ، والتي تضمن تدفق لتكون قريبة من صفح. (ب)رسم بياني وصورة لأزواج هيلمهولتز المتعامدة الثلاثة التي تم تعيينها للتحكم في المجال المغناطيسي في النطاق المغناطيسي الأرضي للكثافة. كما يتم عرض مسبار المجال المغناطيسي ووحدة المعالجة المركزية والمحول الرقمي إلى التناظري وبرامج تشغيل اللفائف المستخدمة لإغلاق الحلقة. كل زوج من لفائف يتكون من اثنين من لفائف دائرية مع دائرة نصف قطرها (ص) من 30 سم و N = 50 يتحول من الأسلاك النحاسية AWG-14. يتم وضع مقياس مغناطيسي ثلاثي المحاور (مستشعر) مع مقياس قابل للاختيار (± 88 ميكروت إلى ± 810 ميكروت) بالقرب من مركز مجموعة اللفائف. تم تعيين نطاق المستشعر إلى قيم تتراوح بين 130 ميكروت ±. واستخدمت هذه القيم أيضا في القياسات الموصوفة في النتائج التمثيلية (في هذه الظروف، تبلغ دقة الاستشعار الاسمية حوالي 0.1 ميكروت). يتم التحكم في كثافة واتجاه المجال المغناطيسي من خلال نظام التغذية المرتدة الرقمية. يقيس المستشعر المكونات الثلاثة لمتجه المجال المغناطيسي (المحاور الثلاثة)، ويتم استخراج إشارات الخطأ المقابلة. ثم يتم إنشاء إشارات التصحيح بواسطة عامل تصفية متكامل بسيط. يتم تحويل إشارات التصحيح الرقمي إلى جهد كهربائي بواسطة محول رقمي إلى تناظري ويتم تضخيمها بواسطة سائق لفائف مناسب. وتستخدم هذه الإشارات الأخيرة لدفع أزواج هيلمهولتز. يتم تثبيت تردد أخذ العينات إلى 5 هرتز وتردد اكتساب الوحدة من الحلقات حوالي 0.16 هرتز. بمجرد ضبط التيارات في أزواج هيلمهولتز من اللفائف ، يختلف المجال المغناطيسي الإجمالي أقل من 2٪ من متوسط قيمة الكثافة في الحجم المكعب المركزي (مع الحافة [L] = 10 سم) من اللفائف. خلال القياسات، يكون المجال المغناطيسي rms أقل من 0.2 ميكروت. في كل من الاجهزة (لوحات A و B)يتم إنشاء حقل كهربائي ثابت من قبل التيار في لفائف إنتاج المجال المغناطيسي. تبلغ كثافة المجال الكهربائي حوالي 0.4 فولت /م عند تطبيق الحد الأقصى للتيار؛ هذه القيمة لا تذكر مقارنة بالحقول الثابتة الطبيعية أو الاصطناعية الموجودة في البيئة والتي تكون شدتها من 1 كيلو فولت/م.

الشكل 2: رسم بياني لمعدلات التدفق المستخدمة خلال الاختبارات لتحديد عتبة الريوتاتيك لسمك الحمار الوحشي. كان التدفق خلال فترة التأقلم 1 ساعة كافيا لضمان إمدادات كافية من الأكسجين للحيوانات. يمكن افتراض أنه مع هذا التصميم ، فإن إمدادات الأكسجين ليست أبدا حدا ، حتى في الخطوة الأولى التي تبلغ 10 دقائق مع التدفق 0. في الواقع، مع محتوى الأكسجين من الماء في 27 درجة مئوية من حوالي 7.9 ملغم / لتر واستهلاك الأكسجين الحيواني من 1 ملغ / ساعة (تقريب الزائدة لاستهلاك الأكسجين حمار وحشي على حد سواء في ظل الظروف الروتينية والسباحة منخفضة السرعة)، فمن الممكن لحساب ذلك، في غياب التدفق ، فإن بو₂ في الفلوم لن ينخفض أكثر من 2 ٪ لكل ، وتبقى أعلى بكثير من بو₂ الحرجة (حوالي 40 تور لسمك الحمار الوحشي).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
9500 G meter	FWBell	N/A	Gaussmeter, DC-10 kHz; probe resolution: 0.01 μT
AD5755-1	Analog Devices	EVAL-AD5755SDZ	Quad Channel, 16-bit, Digital to Analog Converter
ALR3003D	ELC	3.76024E+12	DC Double Regulated power supply
BeagleBone  Black	Beagleboard.org	N/A	Single Board Computer
Coil driver	Home made	N/A	Amplifier based on commercial OP (OPA544 by TI)
Helmholtz pairs	Home made	N/A	Coils made with standard AWG-14 wire
HMC588L	Honeywell	900405	Rev E Digital three-axis magnetometer
MO99-2506	FWBell	129966	Single axis magnetic probe
Swimming apparatus	M2M Engineering Custom Scientific Equipment	N/A	Swimming apparatus composed by peristaltic pump and SMC Flow switch flowmeter with digital feedback
TECO 278	TECO	N/A	Thermo-cryostat