Summary
이 기사 연속 기록과 대 심장 및 운동 활동의 분석에 대 한 비 침범 성 biomonitoring 시스템을 제공합니다. 근 적외선 광학 센서, 비디오 추적 모듈, 및 그것의 생리 적인 상태를 반영 하 고 심장 박동 변동 동안 대 동작 특징 대 하트 비트를 평가 하기 위한 소프트웨어가이 시스템에 의하여 이루어져 있다.
Abstract
왕새우 중추적인 수생 무척 추 동물의 행동 및 생리 적 연구에 대 한 실용적인 생물 모델 및 수 질의 유용한 생물 학적 지표로 유기 체 이다. 비록 대 직접 물 품질 저하를 일으키는 원인이 되는 물질을 지정할 수 없습니다, 그들은 수 즉시 (몇 초 이내) 경고 그들의 심장 활동과 행동에 심각한 변화를 통해 수 질 악화의 인간.
이 연구에서 우리는 단순 하 고 하나의 모델에 신뢰성의 조합 때문에 다양 한 조건에서 구현 될 만큼 간단 비 침범 성 방법 제시.
생물학 유기 체 환경 평가 프로세스로 구현 됩니다,이 접근의 경고 하 고 주변 환경에서 급성 물 저하를 방지 하기 위한 안정적이 고 적시 경보를 제공 합니다. 따라서, 대 생리를 기반으로 하는이 비 침 투 적인 시스템 그리고 ethological 매개 변수 녹음은 수생 환경에 변화의 검출에 대 한 조사. 이 시스템은 이제 음료 생산을 위해 사용 되는 물의 품질을 제어 하기 위한 현지 양조장에 적용 하지만 연속, 실시간 수 질 평가 및 일반 실험실에 대 한 모든 수 처리 및 공급 시설에서 사용할 수 있습니다. 왕새우 심장 생리학 및 행동의 조사입니다.
Introduction
수생 생물 응용 프로그램, 다양 한 실험실 조사1,2 모형 유기 체와 산업 및 자연/환경 수 질3,4 를 모니터링 하기 위한 도구 둘 다의 주제 공부 잘 될 것으로 보인다. 그럼에도 불구 하 고,이 항목은 다른 직종 또는 사회 과학에 속하는지 여부에 관계 없이 인 간에 대 한 주목할 만한 관심사의 아직도. 특정 매개 변수 (소위 "생체")5,6,7,8, 선택 하기 위한 가장 중요 한 요구 사항을 모니터링 하기 위한 고급 방법의 숫자의 존재에도 불구 하 고는 표시기의 세 가지 간단한 요소 구성 됩니다: (i) 단순, (ii) 안정성, 및 (iii) 일반적인 가용성.
왕새우, 민물 동물군의 필수적인 대표 자체를 구별 하기 때문에 전세계 발견, 광범위 하 게, 대부분의 경우9일에 충분히 크고 단단한 갑 각 조작에 적합. 이 갑각류 충분 한 개발 중요 한 생리 시스템 및 동안, 각 장기의 같은 시간에 상대적으로 간단한 조직10을 유지를 제공 하는 높은 무척 추 동물의 그룹에 속한다.
과학 문학에 설명 된 대로 crayfishes의 생물 학적 및 행동 매개 변수, 범위 평가에 기반 하는 방법 일반적 biomonitoring 고 대 연구의 발전에 기여 크게 했다. 왕새우 심장 박동 측정에 대 한 현재 사용할 수 있는 침략 적 방법의 대부분 심전도 기록 요구는 복잡 하 고 정밀한 수술11,,1213; 하는 기반 이러한 조작 상당한 스트레스를 일으킬 수 있는 고 왕새우에 의해 장기 적응을 해야 할 수도 있습니다. 또한, 그것은 알 수 없습니다 긴 왕새우 같은 전극 수행할 수 있는 방법과 같은 첨부 파일을 실행 하는 동안 탈피 성공적으로 것입니다 여부. 설명된 비 침범 성 방법 plethysmographic 녹음, 하드웨어 복잡성에 의해 복잡 하 고 신호 필터링14 및 증폭 또는 정확 하 고 비싼 광학 구성 요소15 컨디셔닝 회로 필요에 기반 ,16.
이 연구에서 우리는 기존 결과에 기여 하 고 현재의 대 심장 박동 측정 절차를 개선 하기 위한 새로운 대안을 제공 하는 방법 설명. 장점, 중 (i); 장기 생리 적 적응을 요구 하지 않는 빠르고 비 침 투 적인 첨부 파일 있습니다. (ii) crayfishes' 기능 센서; 탈피에 탈피에서 몇 개월의 기간 내에 수행 하 (iii) 소프트웨어 실시간 심장 및 행동 활동 및 동시에 여러 대;에서 가져온 데이터의 평가 모니터링 할 수 (4) 낮은 제조 가격 및 단순. Biomonitoring 시스템 우리가 설명 하는 비 침범 성이 고 지속적인 변화 crayfishes' etho 생리 적인 특성에 따라 대 심장 및 운동 활동의 모니터링을 허용 합니다. 이 시스템은 인 성 학, 물 처리 및 공급 시설에서 수 질을 제어 하기 위한 산업 구현 뿐만 아니라 대 심장 생리학의 실험실 시험에 쉽게 적용할 수 있습니다.
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Protocol
1. 대 선택
- 왕새우를 현재 접근을 성공적으로 적용 하려면 센서 첨부 파일에 대 한 충분 한 등 딱지 크기 (즉, 적어도 30 m m의 갑 각 길이)와 각각 성인 표본 선택, 시각적으로 질병의 부재에 대 한 검토 및 확인 여부 그것은 때 그것을 건드리지 모두 chelae 리프트. 위에서 언급 한 매개 변수 대 건강의 자격 상태를 나타냅니다.
참고: 여러 대 재판에서 사용 될 것으로 예상 된다 같은 조건에 노출 되는 경우 실험 그룹 해야 될 기반에 형성 여러 매개 변수: (i) 유사한 무게와 길이; (ii) 비교 심장 박동; (iii) 발음된 야행성 활동; (4) 일반 식품 소비; (v) 간 탈피 기간17. 때때로, 그것은 심장 박동 측정 하 여 털 갈이 또는 시각 또는 촉각 시험만; 가까이 왕새우 인지 정의 하기 어렵다 따라서, 왕새우의 hemolymph 총 단백질 함량의 분석 도움이 될 수 있습니다. 단백질 콘텐츠 왕새우 간 탈피 상태18에서 탈피 보다 가까이 있을 때 더 높을 것으로 예상 된다.
2. 녹음 대 심장 활동 및 행동의
-
Noninvasively 대 심장 박동수를 측정 하기 위해이 절차에 대 한 센서를 준비 예비. 이 전에, 물 탱크에 왕새우를 넣어 하 고 센서19 의 준비 또한 몇 일을 걸릴 것으로 몇 일 동안 거기 적응 하자.
- 축방향에 포토 트랜지스터와는 적외선 발광 다이오드 (LED) 커플. 보드; 광학 센서 회로 연결 5 V 전원 공급 장치가 필요 합니다. LED 연결에 대 한 적외선 센서 보드; 200 Ω 저항을 배치 포토 트랜지스터를 연결 하기 위해 보드에 220 Ω 저항을 배치 합니다.
- 왕새우에 연결 된 센서 출력 hemolymph 작성 대 심장 근육의 양에 의해 변조 하 고 LED에서 입사광을 없앤다. 조명된 IR led 빛 및 반사 IR는 포토 트랜지스터에 의해 받은 대 마음에서 빛의 상호 간섭을 방지 하기 위해 작은 벽 배치 (0.5 x 1.5 x 4mm, 두께 x 높이 x 폭) 검은 정전기 방지 플라스틱 LED와 사이 포토 트랜지스터.
- 방수 패키지에 LED를 배치 하 고 손상 (그림 1)에서 전자 부품의 보호에 대 한 등 딱지에 인접 한 측면에서 방수 유 전체 젤 센서의 표면을 커버. 젤 최고의 보호 속성을 얻기 위해 3 일 동안 건조 하자.
- 아날로그 신호에 대 한 센서를 얇은 유연한 케이블 (약 3 m)을 연결 하 고 아날로그-디지털 컨버터 (ADC);에 연결 이것에서 디지털된 신호 전송 됩니다 개인용 컴퓨터에 USB 인터페이스를 통해에서 심장 활동을 저장 하는 왕새우에 대 한 정보를 가르키는 분석에 특별 한 소프트웨어와 실시간 ( 재료의 표참조), 및 저장에 대 한 더 자세한 분석입니다.
- 최대한 빨리 센서, 준비 왕새우를 연결 합니다. 이렇게 하려면 컴퓨터 전환 하 고 소프트웨어를 실행 합니다. 센서 및 기록 된 심장 박동 날짜 파일에 저장을 고정 하는 대 수를 결정 합니다.
- 물에서 왕새우를 제거 하 고 그것의 지 등 딱지 면 종이 타월로 닦아 내십시오. 따뜻한 인간의 손에 의해 발생 하는 대에 추가로 스트레스를 제거 하 고 인간의 손에 의해 손해를 피하기 위하여 chelae과 왕새우의 복 부 종이 타월에 싸서.
참고: 또는 센서 부착으로 조작 하기 전에 그것의 동원 정지에 대 한 냉동 실에 얼음에 왕새우의 이전 냉각 사용 하지 마십시오. 온도 차이 대 등 표면 수 양, 차례 차례로,에 이르게 신뢰할 수 없는 센서 잠금 및 빠른 접착제 초연 가재의 갑 각에서 이끌어 낸다. - 표면 준비 (즉, 플라스틱의 작은 평면 조각을 하거나 스티커 테이프의 조각 벗기고 테이블에 그것을 수정)와 혼합 접착제 막대기. 두 개의 작은 방울 (약 0.5 c m의 직경) 튜브 A와 B 포함 에폭시 접착제에서 밖으로 누르고 신속 하 게 그들을 믹스.
- 대 지 등 딱지에 센서를 부착 하 고 있는 심장 신호 진폭 최대한 것 장소를 찾을 하려고 합니다. 한 손으로 센서와 왕새우를 잡고 하 고, 각 센서에 있는 4 개의 보조 와이어에 혼합된 접착제의 방울을 넣어 다른 자유 재량을 사용 하 여, (단계 2.1.1 2.1.4 사이 그들 수정.). 접착제가 견고까지 센서 적어도 5 분을 이동 하지 마십시오 (접착제 경화 온도 습도에 따라 달라 집니다).
참고: 왕새우 등 딱지에 센서를 고정 하는 경우 검사 철저 하 게 등 딱지 쪽에서 전체 심장 지역 최고의 (최대한) 심장 신호 진폭으로 영역을 정의 하는 데. 그 보다 정확한 심장 박동 계산을 제공 하는 소프트웨어를 데 도움이 됩니다. - 자유 재량을 사용 하 여 접착제를 터치 그리고 그렇지 않으면 끈 적, 풀어 대 연결 된 센서 (그림 2)와 물 없이 상자에 접착제가 완전히 건조 될 때까지 몇 분 더.
참고: 왕새우와 접착제 조작에 대 한 최적의 온도 22 ° c 18에서 변화 한다 이 온도에서 접착제 5 ~ 7 분 이내 견고 하 고 8 ~ 10 분 이내 완전히 건조. 낮은 온도에서 왕새우에 스트레스 덜 발음; 그러나 접착제 강화, 더 많은 시간을 필요로 하는, 15 ° C와 10 ° C에서 약 15와 20 분 각각. 특히 25 ° C 이상의 높은 온도에서 3 분 이내 접착제 견고 하지만 왕새우; 훨씬 더 많은 스트레스를 겪 습 따라서, 물 없이 극한 상황에는 갑각류의 노출을 최소화 하려고 합니다. - 탱크에 왕새우를 다시 이동 하기 전에 그 cephalothorax로 찍어 몇 초의 짧은 간격으로 여러 번 물, 아가미에 누적 된 공기의 방전 할 수 있도록 하 고 두고 물에 대 어떤 과잉 화학 제품을 제거 하려면 약 1 h입니다. 이 프로세스가 완료 되 면 왕새우 물에 놓고 실험 조건에서 관찰 된 생리 적 지 수에 따라 1 ~ 2 주 동안 두었던. 새 환경 순응 기간 동안 최적의 물 교환 매일입니다.
참고: 왕새우 acclimated가 고 건강 한 상태에서의 특성에는 발음된 circadian 심장 및 운동 활동, 일반 음식 소비, 그리고 전문된 보호소에 대부분 일광 (제공 된 경우) 지출 포함 됩니다.
3. 카메라와 소프트웨어 설치
- 시작 소프트웨어; 비디오 카메라 자동으로 전환 됩니다.
- 움직임 감지 옵션을 선택 하 고 철저 하 게 화면에 각 탱크의 위치를 감지 소프트웨어 동작을 추적 하 고 심장 활동 기록으로 그것을 연결 하는 것을 시작할 것 이다.
참고: 탱크와 심장 활동에 동작을 결합 하는 소프트웨어까지 대 동작을 추적 하는 비디오 카메라 대 모션 검출 모듈에 의하여 이루어져 있다. 모듈에서 데이터는 있는 왕새우 보여줍니다 높은 기관차 활동 기간을 제거 하 여 보다 정확한 심장 활동 데이터 처리를 촉진 하는 데 사용 됩니다. 갑자기 대 운동 (즉, 탈출 반응 또는 개시 먹이) 변동 또는 짧은 시간 급격 한 심장 간격 계산의 정밀도 줄일 수 있는 심장 신호 발생할 수 있습니다.
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Representative Results
결과적으로, 우리는 대의 조합 심장 및 동작 활동을, 기록 및 txt 형식 파일 (그림 3)에 저장을 얻었다. 실험 대, 날짜, 및 샘플링 레이트의 수, 외 3 열의 파일 구성: (1) 지속적인 시간 h:mm: ss로 형식; (2) 심장 박동은 분당; 자동으로 계산 (3) 운동 부재 (0) 또는 어떤 운동 든 지의 존재 (1) 등록. 0 셀 운동에 대 한 책임을 할당 된 때 활성 왕새우 하지, 그리고 그것은 이동 하는 경우 다음 넘버 원 각각 셀에 등장. 지속적으로 기록, 데이터 파일은 자동으로 만들어집니다 매일 00:00 (오전 12시)에서. 그것은 때문에 그것은 심장 박동 (그림 4)에 변화를 일으켰습니다 수 운동을 포함 하는 중요 한 했다. 10 후 s, 음식 냄새 (가공, 필터링, 및 희석 Chironomidae 애벌레) 연동 펌프를 사용 하 여 대를 포함 하는 탱크에 전달 했다. 14에서 s, 왕새우 인식 자극 및 약간 소위 orienting 반응으로 인해 감소의 심장 박동. 20 후 s, 심장 박동 증가, 따라서 심장 간격에 있는 감소의 결과로. 26에 s, 왕새우 자극 소스 쪽으로 이동 하 고 모두 생리 적인 흥분 음식 냄새와 운동 개시로 인 한 결과 상당한 심장 박동 증가. 37에 s, 또한 갑작스러운 대 모션의 증거 였다. 또한, 운동 수 대의 반응 특정 자극 (그림 5)에 하는 동안 심장 박동 성장에 크게 기여 했다. 방해 대 일반적으로 증가 심장 박동, 가끔 운동으로 30-40 분 간격 동안 본 합니다. 그러나, 45 ~ 50 분 간격 동안에 운동 훨씬 더 발음 됩니다. 이 운동 감소 운동으로 기간 동안 본 보다 훨씬 높은 심장 박동에 기여. 왕새우의 단지 심장 활동을 포함 하는 데이터를 취득 될 수 있고 이후에 필요한 경우 처리 파일에서 데이터를 다른 응용 프로그램으로 전송, 위의 프로그래밍 알고리즘을 사용 하는 경우 (그림 6). 그대로 왕새우의 심장 박동 박동 곡선의 모노 토 닉 진폭에 의해 특징은 고 여 약 심장 각 피크 사이의 심장 간격 같음.
왕새우 행동 패턴 (통과 같은 거리, 탱크 또는 경기장, 및 운동 속도에 특정 영역의 기본 설정)를 분석 하기 위하여 수로 평면 광각 렌즈와 표준 비디오 카메라와 함께 현재 카메라를 교환 하는 현재 사용된 중인 카메라는 녹음을 하지 않습니다 하지만 단지 운동 추적. 또는 화면에서 비디오를 잡기 위한 온라인 애플 리 케이 션의 녹음을 사용할 수 있습니다.
그림 1 : 비 침 투 적인 적외선 광전자 센서. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2 : 왕새우, Pacifastacus leniusculus의 등 딱지에 센서를 들고 신호. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 : 데이터 파일의 예. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 : 정상에서 변화 하는 동안 하트 비트 대 음식 냄새에 노출 될 때 방해. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5 : 심장 박동과 그대로 (0-30 분)에 방해 (30-60 분) 조건 대의 운동 활동. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6 : 그대로 대 심장 박동. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
그것은 널리 제안 특정 생리 적 매개 변수 (예: 심장 또는 환기 속도 또는 둘 다) 측정 기록 대 반응 항상 발생 하지 않는 행동 반응의 평가 보다 더 안정적인 방법입니다. 즉시11. 그러나, 그것은 분명 그 환경 변화에 진짜 대 반응을 평가 하기 위한 가장 효율적인 접근 심장 활동 및 행동 기록의 조합 때문에 그것이 대 하트 비트에 대 한 이유를 볼 수 변경 그리고 그들은 주위 환경에 또는 운동 개시 화학 변경 결과로 발생 하는 여부. 수 질 모니터링, 중 대 생리 마커, 갑작스러운 움직임을 심장 박동에 영향을 증가 하지만 biomonitoring 시스템에 대 한 경보를 표시 하지 않는 등의 변화에 모든 외부의 영향을 제거 하기 위해 결정적 이다.
더 정확 하 고 유익한 하트 비트 평가 촉진을 위한 또 다른 가능성은 chronotropic 그리고 심장 활동은 주로 대 심장 신호19에서 특정 셰이프 관련 대의 inotropic 매개 변수 분석. 이러한 분석의 하트 비트 1 분만에 몇 비트를 변경 하는 경우에 대 심장 활동19에 상당한 변화를 나타낼 수 있는 보조 매개 변수 중 일부를 확인 했다.
기술된 접근을 사용 하 여 혜택의 수에도 불구 하 고 대를 모니터링 주위 연구 촉각 대 조작의 절대 최소화 쪽으로 이동 했습니다. 최근에 개발 된 비접촉 식 시스템20, 센서 및 그들의 각각 전선의 제거 모니터링 절차에 대 한 모든 크기의 왕새우를 사용할 수 있음을 의미 합니다. 그것은 또한 이후 모든 전선의 결핍 방지 와이어 엉키게 한 실험적인 지역 및 대 운동 제한에 여러 대를 유지 가능. 왕새우 두 작은 조각의 그것의 심장 지역을 나타내는 높은 반사 테이프를 수행 한다. 테이프의이 조각이 연결할 수 왕새우 몇 후 탈피 후에 일. 왕새우 심장 활동 및 동작 비디오 카메라에 의해 기록 및 분석 실시간으로 조정 소프트웨어. 다른 기술적 진보와 함께 수정된 접근 때문에 제한 된 하드웨어 모니터링 시스템의 가격에 상당한 감소를 일으킬 것입니다.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 연구는 교육, 젊음 및 스포츠는 체코 공화국 프로젝트 "CENAKVA"의 의해 지원 되었다 CZ.1.05/2.1.00/01.0024 및 ' CENAKVA II ' 호 국가 지속 가능성에서 LO1205 프로그램, 그랜트는 대학의 남쪽 보 헤 미아 체 체 (012/2016/Z)에 의해 그리고 체코 공화국 (제 16-06498S)의 부여 기관
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| IR LED diode | KINGBRIGHT ELECTRONIC | KP-3216F3C | |
| Phototransistor | EVERLIGHT | ELPT15-21C | |
| Resistor | ROYAL OHM | 0805S8J0201T5E | |
| Resistor | ROYAL OHM | 0805S8F2200T5E | |
| Capacitor | KEMET | C0805C334K5RACTU | |
| Cable | TECHNOKABEL | FTP KAT.5E 4X2X0,14C | |
| Connector | HARTING | 21348100380005 | |
| Connector | HARTING | 21348000380005 | |
| Dielectric gel | KRAYDEN | Sylgard 535 | |
| Analogue-to-digital convertor | TEDIA | UDAQ-1416CA | |
| Glue | KUPSITO.SK | 7338723044 | |
| Kinect video camera | ABCSTORE.CZ | GT3-00002 | |
| Analysis software | University of South Bohemia in Ceske Budejovice, Faculty of Fisheries and Protection of Waters, Institute of Complex Systems | Link to the software: www.frov.jcu.cz/crayfishmonitoring User name: frov Password: CF2018 |
References
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