Summary
Les auteurs décrivent un protocole comportemental visant à évaluer l’influence des personnalités du poisson-zèbre sur leur réaction à l’eau des courants et des champs magnétiques faibles. Poissons avec les mêmes personnalités sont séparés selon leur comportement exploratoire. Puis, on observe leur comportement rhéotaxique orientation dans un tunnel de natation avec un débit faible et sous différentes conditions magnétiques.
Abstract
Pour s’orienter dans leur environnement, animaux intègre un large éventail d’indices externes, qui interagissent avec plusieurs facteurs internes, tels que de la personnalité. Nous décrivons ici un protocole comportemental conçu pour l’étude de l’influence de la personnalité de poisson-zèbre sur leur réaction d’orientation aux multiples signaux environnementaux externes, spécifiquement les courants d’eau et les champs magnétiques. Ce protocole a pour but de comprendre si proactive ou réactive zebrafish afficher différents seuils rhéotaxique (c.-à-d., la vitesse d’écoulement au cours de laquelle les poissons commencent à nager en amont) lorsque le champ magnétique entourant change sa direction. Pour identifier le poisson-zèbre avec la même personnalité, poissons sont introduits dans l’obscurité la moitié d’un réservoir reliée avec une ouverture étroite pour une moitié lumineuse. Seuls les poissons proactive explorent le roman, l’environnement lumineux. Poisson réactive ne quittez pas la moitié sombre de la citerne. Un tunnel de natation avec faibles débits est utilisé pour déterminer le seuil de rhéotaxique. Nous décrivons deux configurations pour contrôler le champ magnétique dans le tunnel, au niveau de l’intensité du champ magnétique de la terre : celui qui contrôle le champ magnétique le long de la direction de l’écoulement (une dimension) et l’autre qui permet un contrôle trois-axiale du champ magnétique. Poissons sont filmés tout en découvrant une augmentation progressive de la vitesse d’écoulement dans le tunnel sous différents champs magnétiques. Données sur le comportement d’orientation sont recueillies au moyen d’une procédure de suivi vidéo et appliquées à un modèle logistique pour permettre la détermination du seuil rhéotaxique. Nous rapportons des résultats représentatifs prélevés de bancs de poisson-zèbre. Plus précisément, elles démontrent que poisson seulement réactif, prudent présentent des variations du seuil rhéotaxique lorsque le champ magnétique varie dans sa direction, tandis que les poissons proactive ne répondent pas à des changements de champ magnétique. Cette méthode peut être appliquée à l’étude de la sensibilité magnétique et le comportement rhéotaxique de nombreuses espèces aquatiques, tant affichant solitaires ou bancs de nage stratégies.
Introduction
Dans la présente étude, les auteurs décrivent un protocole comportemental en laboratoire qui a la portée de l’enquête sur le rôle de la personnalité des poissons sur la réponse de l’orientation des bancs de poissons aux signaux de l’orientation externe, tels que les courants d’eau et les champs magnétiques.
Les décisions d’orientation des animaux proviennent des diverses informations sensorielles de pesage. Le processus de décision est influencé par la capacité de l’animal pour naviguer (p. ex., la capacité à sélectionner et garder une direction), son état interne (par exemple, les besoins alimentaires ou de reproduction), sa capacité à se déplacer (par exemple, biomécanique de locomotion) et plusieurs autres facteurs externes (par exemple, l’heure du jour, interaction avec des congénères)1.
Le rôle de l’état interne et de la personnalité animale dans le comportement d’orientation est souvent mal compris ou pas exploré2. Autres défis se posent dans l’étude de l’orientation sociale espèces aquatiques, qui souvent effectuer coordonnée et polarisé groupe mouvement comportement3.
Courants d’eau jouent un rôle clé dans le processus d’orientation des poissons. Poisson oriente l’eau courants grâce à un approvisionnement inconditionel réponse appelé rhéotaxie4, qui peut être positif (c'est-à-dire, en amont orienté) ou négatif (c'est-à-dire en aval orienté) et est utilisé pour plusieurs activités, allant de la recherche de nourriture à la minimisation de les dépenses énergétiques de5,6. En outre, un nombre croissant de la littérature rapporte que plusieurs espèces de poissons utilisent le champ magnétique terrestre pour l’orientation et navigation7,8,9.
L’étude des performances rhéotaxie et nage dans le poisson est généralement menée dans des chambres de flux (flume), où les poissons sont exposés à l’augmentation progressive de la vitesse d’écoulement, de faible à grande vitesse, souvent jusqu'à épuisement (appelée vitesse critique)10, 11. En revanche, des études antérieures a examiné le rôle du champ magnétique dans l’orientation par le biais de l’observation du comportement natation des animaux dans les arènes avec eau plate12,13. Nous décrivons ici une technique de laboratoire qui permet aux chercheurs d’étudier le comportement des poissons tout en manipulant les courants d’eau tant le champ magnétique. Cette méthode a été utilisée pour la première fois sur les bancs de poisson zèbre (Danio rerio) dans notre étude précédente, conduisant à la conclusion que la manipulation du champ magnétique environnant détermine le seuil rhéotaxique (c.-à-d., l’eau minime vitesse à qui rechauffent poisson orient en amont)14. Cette méthode est basée sur l’utilisation d’une chambre de flume avec flux lents combinés avec une configuration conçue pour contrôler le champ magnétique dans le canal, au sein de la gamme d’intensité du champ magnétique de la terre.
Le tunnel de natation utilisé pour observer le comportement du poisson-zèbre est décrite à la Figure 1. Le tunnel (en un cylindre acrylique nonreflecting avec un diamètre de 7 cm et 15 cm de long) est connecté à un programme d’installation pour le contrôle du taux de débit14. Avec cette configuration, la gamme des débits dans le tunnel varie entre 0 et 9 cm/s.
Pour manipuler le champ magnétique dans le tunnel de natation, nous utilisons deux approches méthodologiques : le premier est unidimensionnel et le second est en trois dimensions. Pour toute demande, ces méthodes manipulent le champ magnétique terrestre pour obtenir les conditions magnétiques spécifiques dans un volume défini d’eau — ainsi, toutes les valeurs d’intensité de champ magnétique dans cette étude incluent le champ géomagnétique.
En ce qui concerne la dimension approche15, le champ magnétique est manipulé le long de la direction d’écoulement de l’eau (définie comme l’axe des x) à l’aide d’un solénoïde enroulé autour du tunnel de la natation. Cela est lié à une unité de puissance, et il génère des champs magnétiques statiques uniformes (Figure 2 a). De même, dans le cas de l’approche en trois dimensions, le champ géomagnétique dans le volume contenant le tunnel de natation est modifié à l’aide de bobines de fils électriques. Toutefois, pour contrôler le champ magnétique en trois dimensions, les bobines ont la conception de trois paires de Helmholtz orthogonales (Figure 2 b). Chaque paire de Helmholtz est composé de deux bobines circulaires orientés dans les trois directions orthogonales de l’espace (x, yet z) et équipé d’un magnétomètre trois axes travaillant dans des conditions de la boucle fermée. Le magnétomètre travaille avec des intensités de champ comparables avec champ naturel de la terre, et il est situé près du centre géométrique de l’ensemble de bobines (où le tunnel de natation se trouve).
Nous implantons des techniques décrites ci-dessus pour vérifier l’hypothèse que les traits de personnalité des poissons composer un haut-fond influencent la manière dont ils réagissent aux champs magnétiques16. Nous testons l’hypothèse que les individus ayant une personnalité proactives et réactives17,18 réagissent différemment lorsqu’ils sont exposés à l’eau s’écoule et champs magnétiques. Pour tester ceci, nous avons tout d’abord trier poisson zèbre à l’aide d’une méthodologie éprouvée pour assigner et les individus de groupe qui sont proactive ou réactive17,19,20,21. Ensuite, nous évaluons le comportement rhéotaxique de poisson-zèbre, nager en bancs composé de seulement les personnes réactives ou composé de seulement proactive personnes dans la citerne antiroulis magnétique, qui nous présentent comme des exemples de données.
La méthode de tri est basée sur la tendance différente des individus proactives et réactives pour explorer de nouveaux environnements,21. Plus précisément, nous utilisons un réservoir divisé en un brillant et un côté obscur17,19,20,21 (Figure 3). Animaux est acclimatés au côté obscur. Lorsque l’accès au côté lumineux est ouverte et proactive individus ont tendance à quitter rapidement la moitié sombre de la cuve pour découvrir le nouvel environnement, tandis que les poissons réactifs ne pas laissent le réservoir sombre.
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Protocol
Le protocole suivant a été approuvé par le Comité de l’urbanisme de l’Université de Naples Federico II, Naples, Italie (2015) et d’institutionnels animalier.
1. animaux entretien
- Réservoirs d’au moins 200 L permet d’héberger un haut-fond d’au moins 50 personnes des deux sexes dans chaque réservoir.
Remarque : La densité des poissons dans le réservoir doit être un animal par 2 litres ou moins. Dans ces conditions, le poisson-zèbre affichera comportement normal de se regrouper en bancs. - Définir les conditions d’entretien comme suit : température entre 27 et 28 ° C ; conductivité à < 500 μS ; pH de 6,5 à 7,5 ; AUCUN3 à < 0,25 mg/L ; et une photopériode de lumière : obscurité à 10 h de h:14.
Remarque : Les conditions de détention identique doivent être utilisées pour la population mixte et les populations séparées de proactive et réactives.
2. la personnalité sélection chez le poisson zèbre
- Préparez et placez le réservoir de sélection de personnalité dans une salle de repos (Figure 3) avec la même eau que celle utilisée dans les réservoirs de l’entretien.
- Placez une caméra vidéo au-dessus ou à côté de la cuve. Connectez la caméra à un ordinateur équipé d’un écran situé dans une zone où il n’y a aucun contact visuel avec le réservoir.
- Sélectionnez neuf pêche au hasard dans le réservoir de maintenance et de les transférer vers le côté obscur de la citerne de sélection de personnalité, à l’aide d’un filet sans noeuds.
Remarque : Essayez de limiter les interactions avec les chars et les poissons pour le moins de temps possible. Éviter le bruit et les mouvements rapides. Le cas échéant, transférer les animaux dans un petit volume de transport de réservoir (environ 2 L) avec l’eau du réservoir d’eaux noires. Pour éviter l’exposition à l’air des animaux, utiliser un bécher de 250 ml et amener doucement l’animal d’entrer dans le bécher. Essayez de réduire au minimum le temps de capture, éviter la collecte de plusieurs poissons comme il peut causer des dommages physiques aux animaux et ne pas tenir de poisson pendant plus de quelques secondes dans le filet, car ces facteurs peuvent augmenter le stress. Poissons doivent être nourris ad libitum avant le transfert vers le réservoir expérimental. Ce qui limite la possibilité que les différentes tendances du comportement de recherche alimentaire affecterait le comportement des individus pendant le suivant expérience22. Réaliser des expériences répétées au même moment de la journée. Cela minimise la variabilité dans le comportement des groupes expérimentaux causés par des rythmes circadiens possible23. - Après 1 h d’acclimatation, ouvrir la porte coulissante.
Remarque : Les personnes qui sortent du trou, explorer le côté lumineux de la citerne, moins de 10 min, sont considérées proactive21. - Après 10 min, délicatement enlever les individus proactive du réservoir et transférez-les vers le réservoir de maintenance proactive.
- Après 15 min, recueillir les poissons qui restent dans la boîte noire, qui sont considérés comme réactif21et transférez-les vers le réservoir de maintenance réactive.
Remarque : Jeter les poissons qui se déplacent vers le côté lumineux de la cuve après 10 min21. Effectuer le test de personnalité avec neuf poisson à la fois jusqu'à ce que le nombre désiré de poissons proactif et réactifs nécessaires pour les essais décrits à l’article 5 est collecté. Cohérence de la personnalité proactive et réactive peut être vérifiée régulièrement à l’aide de la même approche.
3. Configurez le champ magnétique avec la Manipulation de champ magnétique unidimensionnel27
- Mettez le bloc d’alimentation (Figure 2 a).
- Placez le tunnel lové à l’endroit où le protocole rhéotaxique sera effectué (article 5) mais garder il débranché l’appareil de natation (Figure 2 a). Placez une sonde magnétique reliée avec un Gauss/Teslameter à l’intérieur du tunnel et vérifiez quelle tension est nécessaire pour obtenir la valeur choisie de champ magnétique le long de l’axe principal du tunnel.
Remarque : En raison des propriétés magnétiques d’un solénoïde, le champ est plutôt uniforme à l’intérieur du tunnel ; Ceci peut être vérifié en déplaçant lentement la sonde horizontalement et verticalement. - Débrancher la sonde et le tunnel de l’écoulement à l’appareil de natation.
- Démarrer avec le protocole rhéotaxique (section 5).
4. set Up du champ magnétique avec le champ magnétique tridimensionnelle Manipulation27
- Allumez le CPU, DAC et pilotes de la bobine (Figure 2 b).
- Définissez le champ magnétique choisi sur chacun des trois axes (x, y et z).
- Place du tunnel dans le centre de l’ensemble de paires de Helmholtz.
- Démarrer avec le protocole rhéotaxique (section 5).
5. test de la Rhéotaxie de poisson-zèbre dans la chambre de flux
- Transférer un à cinq poissons vers le tunnel de flux utilise un réservoir de 2 L avec les côtés et le fond obscurci.
- Mettre en marche la pompe et régler le débit dans le tunnel à 1,7 cm/s.
Remarque : Cette eau lent gardera l’eau dans le tunnel oxygéné et il facilitera la récupération de l’animale. - Laissez les animaux à s’habituer au tunnel de natation pendant 1 h.
- Démarrer l’enregistrement vidéo du comportement du poisson dans le tunnel.
Remarque : Nous avons utilisé une caméra (par exemple, Action de Yi 4K) avec commande à distance (p. ex., Bluetooth) et enregistré la vidéo sous la forme .mpg (30 images/s). - Commencer l’augmentation progressive du débit selon le protocole expérimental choisi (1,3 cm/s dans cette étude ; La figure 4).
Remarque : Pour ce protocole, nous avons utilisé des débits faibles qui, pour le poisson-zèbre, comprise entre 0 et 2,8 BL (longueur du corps) / s. Ces vitesses d’écoulement sont dans la plage des débits qui induisent continu orienté nage dans le poisson-zèbre (3 – 15 % de la vitesse de nage critique [Ucrit])24. L’utilisation de faibles débits (protocole25) de Brett suivant est liée aux caractéristiques comportementales spécifiques de cette espèce en présence de courants d’eau. Poisson zèbre ont tendance à nager le long de l’axe principal de la chambre, en retournant fréquemment, même en présence de débit de l’eau et ont tendance à nager tant en amont qu’en aval24,26. Ce comportement est affecté par le taux de flux d’eau, en train de disparaître à une vitesse relativement élevée (> 8 BL/s)26, lorsque ces animaux nagent en permanence face amont (réponse positive complète de rhéotaxique). Les déplacements verticaux et transversaux sont très rares. -
Effectuer morphométrie des animaux (sexe et la longueur totale [TL], longueur à la fourche [FL] ou BL) sur des photos de poissons dans une chambre morphométriques.
- Sélectionnez l’image appropriée.
- Ouvrez l’image dans ImageJ.
- Prendre note du sexe de l’animal (poisson zèbre mâle sont svelte et ont tendance à être jaunâtre, tandis que les femelles sont plus arrondies et tendent à avoir des colorations bleues et blanches).
- Cliquez sur analyser > Échelle définie et jeu de l’échelle de l’image en centimètres, en utilisant la longueur entière horizontale du tunnel comme référence.
- Cliquez sur analyser > mesurer et noter la longueur linéaire de l’animal.
- Calculer son poids corporel (PC).
Remarque : BW est calculé de relations sexe-FL-BW précédemment construites en laboratoire ou à partir de métadonnées. L’ensemble de la procédure évite les stress de la manipulation sur les animaux.
6. lunette Digital video Tracking
- Ouvrez le fichier vidéo avec Tracker 4.84 vidéo outil d’analyse et de modélisation.
Remarque : Si nécessaire, corriger une éventuelle distorsion vidéo à l’aide de la perspective et la distorsion radiale filtres. - Cliquez sur le repère dans le menu supérieur et définir les unités de longueur pour les centimètres et les unités de temps à secondes.
- Cliquez sur fichier > importation > vidéo et ouvrir un des vidéos dans Tracker 4,84.
- Cliquez sur « Axes de coordonnées » et réglez le système de référence pour suivre la position du poisson au fil du temps, avec l’axe des x le long du tunnel. Définissez l’origine à l’angle faible de l' aval se terminant le mur (à la sortied’eau).
- Cliquez sur la bonne voie > New > Point de masse et de commencer à suivre un poisson à la fois. Suivre les 5 dernières min de chaque étape que le poisson a passé pour chaque débit.
- Faire avancer la vidéo manuellement à intervalles de cinq images (0,5 s) et marquer l’heure et la position de l’animal à chaque tour en amont et en aval (UDt ; points rouges sur la Figure 5) et à chaque tour en aval-amont (DUt ; points bleus sur la Figure 5).
Remarque : Utiliser la position des yeux poisson comme référence pour la position du poisson. Suivre la position de l’animal à l’aide d’une masse ponctuelle. Exclure le suivi une période de baignade non orientés (i.e., temps de manœuvre). - À la fin de chaque session de suivi, sélectionnez les valeurs x et temps des valeurs de la table dans le coin inférieur droit de la fenêtre du logiciel. Faites un clic droit sur les données, puis cliquez sur copier les données > précision complète.
- Enregistrer les valeurs d’heure et de la valeur x de toutes les positions de rotation sur un fichier modèle de feuille de calcul pour calculer le temps total en amont (somme de tous les intervalles entre les UDT et DSE) et le temps total en aval (somme des intervalles entre les DSE et UDt), ainsi que les valeurs de l’indice rhéotaxique en pourcentages (% de RI) pour chaque flux étape (voir Figure 5).
Remarque : Le comportement rhéotaxique est quantifié par la proportion du temps total orienté que les poissons passent vers l’amont (natation ou rarement gel [c.-à-d., ils restent encore au fond du tunnel]27). Cette proportion est définie comme le RI % (Figure 5).
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Representative Results
Comme exemples de données, nous présentons les résultats obtenus contrôlant le champ magnétique le long de la direction d’écoulement de l’eau sur proactif et réactif se regrouper en bancs poisson zèbre16 en utilisant le programme d’installation illustré à la Figure 2 a (voir la section 3 du protocole). Ces résultats montrent comment le protocole décrit peut mettre en évidence des différences dans les réponses au champ magnétique chez les poissons avec des personnalités différentes. Le concept global de ces essais s’appuie sur la constatation que la direction du champ magnétique par rapport à l’écoulement de l’eau affecte le seuil rhéotaxique dans les bancs de poisson-zèbre,14. Ainsi, comme des variations de champ magnétique modulent la rhéotaxie, ce protocole peut être utilisé pour évaluer si la réponse du poisson-zèbre aux champs magnétiques diffère selon leur personnalité proactive ou réactive28.
Dans un premier temps, en utilisant le réservoir noir/brillant comme illustré à la Figure 3, zebrafish étaient divisés en différents groupes selon leur personnalité proactive/réactive. Suite à un tel test, bancs de cinq poissons avec la même personnalité ont ensuite été testées dans le tunnel de natation de solénoïde (Figure 1 et Figure 2 a). Un total de 20 poissons ont été testés : composé de deux bancs de cinq poissons réactifs chaque (10 poissons réactives) et deux bancs composés de cinq poissons proactive chaque (10 poissons proactive).
Un haut-fond à l’heure était vidéo enregistrée en nageant dans le tunnel et le courant d’eau a été accéléré avec une augmentation progressive du débit comme le montre schématiquement à la Figure 4. Les poissons ont été autorisés à s’acclimater pendant 1 h dans le tunnel. Après cela, nous avons appliqué le protocole de quantification du comportement rhéotaxique, à l’aide d’une augmentation progressive du débit selon la classique du protocole Brett25. Plus précisément, le débit a augmenté de 0,4 BL/s toutes les 10 min pour un total de sept étapes consécutives (Figure 4). Le comportement du poisson-zèbre a été enregistré pendant toute la durée de la course dans le tunnel (70 min), et la valeur de RI à chaque étape a été calculée (voir protocole étape 6,8).
Pendant les essais dans le tunnel de la natation, le champ magnétique a été fixé à une des deux conditions suivantes : 50 μT en aval (c.-à-d., la composante horizontale [le long de l’axe des abscisses] du champ magnétique avait le même sens de l’écoulement d’eau) et 50 μT en amont (c.-à-d., la la composante horizontale du champ magnétique a une direction opposée en ce qui concerne le débit d’eau)16. L’intensité le long des axes y et z ne sont pas affectées, ainsi que l’intensité totale et l’inclinaison du vecteur champ magnétique. Chaque banc de cinq poissons a été exposé à une seule des deux conditions magnétiques. Par exemple, compte tenu de la poisson proactive, un haut-fond proactive avait le champ magnétique réalisé en aval et l’autre haut-fond proactive avait le champ magnétique réalisé en amont.
Les vidéos ont ensuite été analysées avec le logiciel de vidéo-suivi (article 6 du protocole). Les poissons étaient vidéo enregistrée pendant toute la durée de la course dans le tunnel de la natation. Toutefois, seuls les 5 dernières min de chaque augmentation par étapes de 10 min-long de débit (Figure 4) ont été suivis. Pendant la période de suivi, les spires de chaque poisson à chaque débit ont été mis en évidence (Figure 5, les points de données rouge et bleu). Elles étaient alors utilisées comme références pour calculer le RI de chaque poisson et chaque vitesse de débit (Figure 5). L’index de RI varie entre 0 % et 100 %. Lorsque moins de 50 %, l’indice RI indique que le poisson affiché rhéotaxie négatif (prévalence de la natation en aval) ; Quand le RI est supérieure à 50 %, il montre que l’animal avait une réponse positive et rhéotaxique (prévalence de la natation en amont). Un RI ne diffère pas significativement de 50 % semble indiquer une absence de réponse rhéotaxique. Les valeurs de RI % de tous les cinq poissons dans un haut-fond étaient ensuite la moyenne pour chaque débit. Ces données moyennes étaient arcsinus transformé et utilisé pour ajuster les courbes affichées à la Figure 6 a. Ainsi, l’indice rhéotaxique augmente sigmoïdal lorsque la vitesse de l’eau augmente, ce qui permet la quantification de la rhéotaxie avec une méthode mathématique simple. La relation entre le RI et le débit peut équiper suivant un modèle logistique-sigmoïde.
Trois paramètres et leur variabilité peuvent être dérivés de la courbe ajustée. Le RIplateau mesure la tendance maximale des animaux à orienter en amont dans la gamme de débits utilisés dans l’expérience. RIbas correspond à la valeur de RI en l’absence de débit d’eau et, en théorie, ne devrait pas différer de 50 %. Rtr est l’est le débit auquel se produit la pente maximum de la courbe, et il peut être utilisé comme une mesure du seuil rhéotaxique6.
Les résultats indiquent que le seuil de rhéotaxique (Rtr) de poisson-zèbre est très faible, de l’ordre de quelques centimètres par seconde. Les variations du champ magnétique n’affectent pas la Rtr de poissons proactive (aucun effet du champ magnétique, t-test, P > 0,05). Opposées, les changements de champ magnétique ont un effet prononcé sur le comportement rhéotaxique de poisson-zèbre réactive. Lorsque le composant du champ magnétique le long du tunnel de natation a été réalisé en aval, la Rtr est très faible et similaire à celle des poissons proactive. Le seuil a été significativement plus élevé lorsque le champ magnétique a été réalisé en amont (t-test, P < 0,01).
La valeur deplateau RI d’animaux réactive était significativement plus faible lorsque le champ magnétique a été réalisé en amont (t-test, P < 0,01). Ce résultat indique qu’avec ces conditions, poisson réactive atteindrait la réponse positive complète rhéotaxique (RI = 100 %) seulement à des débits très élevés. Ainsi, ce résultat met en évidence que, par rapport à Rtr, RIplateau offre moins d’informations sur le comportement de nage des poissons. En fait, basée sur la forte différence dans le réactif de RIplateau entre les deux conditions magnétiques, nous pouvons affirmer que, sous le champ magnétique orienté en amont, les animaux réactives probablement affichera une réponse complète rhéotaxique à une eau plus élevée écoulement.
Les valeurs defond RI ont tendance à être plus élevés (bien que non significative) de 50 % chez les animaux proactive et réactives animaux exposés à un champ magnétique orienté en aval. Ceci peut indiquer un biais dans le protocole car les animaux caractérisées par un seuil très bas se souviennent de la direction de l’écoulement expérimentée au cours de l’acclimatation. Un protocole approprié pourrait être conçu afin de tester cette possibilité.
Figure 1 : Représentation simplifiée de la natation tunnel appareils utilisés dans la présente étude. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Le programme d’installation pour le contrôle de champ magnétique. (A) le rendu du tunnel natation avec un solénoïde pour l’induction d’un champ magnétique statique, horizontale dans le tunnel. Le solénoïde (0.83 tours/cm) est connecté à une unité de puissance et il génère des champs dans la gamme de ±250 µT (gamme d’intensité qui inclut la gamme de champ magnétique de la terre). Sur la droite, une photo du tunnel solénoïde relié à l’appareil de natation est affichée. Le tunnel est fait d’acrylique et il a deux de plaques acryliques perforés, placés à l’entrée de l’eau, et qui garantissent la circulation pour être proche de laminaire. Schéma (B) et la photo des trois paires orthogonales Helmholtz définies pour le contrôle du champ magnétique dans la gamme géomagnétique d’intensités. La sonde de champ magnétique, le processeur, le convertisseur numérique-analogique et les pilotes de la bobine utilisées pour fermer la boucle sont également indiqués. Chaque paire de bobines se compose de deux bobines circulaires d’un rayon (r) de 30 cm et N = 50 tours de AWG-14 fils de cuivre. Un magnétomètre trois axes (capteur) avec échelle sélectionnable (± 88 µT à ± 810 µT) est placé à proximité du centre de l’ensemble de la bobine. La gamme de capteur est affectée des valeurs allant à ±130 µT. Ces valeurs sont également utilisées pour les mesures décrites dans les résultats représentatifs (dans ces conditions, la résolution du capteur nominal est environ 0,1 µT). L’intensité et la direction du champ magnétique sont commandés par un système de rétroaction numérique. Le capteur mesure les trois composantes du vecteur champ magnétique (les trois axes), et les signaux d’erreur correspondantes sont extraits. Ensuite, les signaux de correction sont générées par un filtre simple intégrateur. Les signaux de correction numérique sont convertis en tension par un convertisseur numérique-analogique et amplifiés par un pilote approprié bobine. Ces derniers signaux est utilisées pour entraîner les paires de Helmholtz. La fréquence d’échantillonnage est fixée à 5 Hz et la fréquence de gain de l’unité des boucles d’environ 0,16 Hz. Une fois définis les courants dans les paires de Helmholtz des bobines, le champ magnétique total varie de moins de 2 % par rapport à sa valeur d’intensité moyenne dans le volume cubique central (avec bord [L] = 10 cm) des bobines. Pendant les mesures, la rms de champ magnétique est inférieur à 0,2 µT. Dans les deux configurations (groupes A et B), un champ électrique statique est généré par le courant dans les bobines produisant le champ magnétique de16. L’intensité du champ électrique est environ 0,4 V/m, lorsque le courant maximum est appliqué ; cette valeur est négligeable par rapport aux champs statiques naturels ou artificiels présents dans l’environnement dont l’intensité est de l’ordre de 1 kV/m17. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Représentation schématique de la citerne (40 x 40 cm x 40 cm) utilisé pour séparer les proactive de particuliers zebrafish réactive (pas à l’échelle), selon Rey et al.21. Le volume de la cuve de sélection de personnalité est de 50 que l. moitié du réservoir était occupée par une boîte noire avec un trou de 5 cm de diamètre sur le côté de la case précédant la moitié lumineuse du réservoir. Le trou était couverte par une porte coulissante (non illustrée), dont l’ouverture a signé le début d’un procès de sélection. Le côté obscur du réservoir a besoin d’une housse amovible pour permettre l’accès des filets de main. Ceci facilite le placement ou attraper du poisson avant et après les essais de comportements. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Diagramme des débits utilisés lors des essais pour déterminer le seuil rhéotaxique de poissons zèbres. La circulation au cours de la période d’acclimatation de 1 h a été suffisant pour garantir un approvisionnement en oxygène proportionné aux animaux. On peut supposer que, grâce à cette conception, l’alimentation en oxygène n’est jamais une limite, même dans la première étape de 10 min avec débit 0. En effet, avec une teneur en oxygène de l’eau à 27 ° C environ 7,9 mg/l et une consommation d’oxygène animaux de 1 mg/h.g (une approximation excessive pour la consommation d’oxygène zebrafish tant en conditions normales [Uliano Al.29] et à basse vitesse nage [Palstra et coll.30]), il est possible de calculer que, en l’absence de flux, de la Po2 veine ne diminuera pas plus de 2 % par animal, reste bien au-dessus de la critique Po2 (environ 40 torr pour poisson zèbre). Ce chiffre a été modifié par Cresci et al.14. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Comportement animal dans le tunnel et le calcul de la RI. Les graphiques présentent la situation d’un animal individuel le long de l’axe des abscisses au cours d’un enregistrement s 300 à trois valeurs du débit. Les points rouges représentent les virages en aval-amont, le blue dots les virages amont-aval. Le correspondant a passé par les animaux en aval des intervalles de temps ou en amont, on rapporte aussi, et le temps total en amont et en aval sont rapporté, de laquelle une valeur RI peut être calculée. On peut constater que lors de l’augmentation du débit, le temps en amont et augmentent les valeurs de RI. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Résultats représentatifs. (A) relation entre les valeurs de RI arcsinus transformées (RI est le pourcentage du temps total orienté que les poissons passent vers l’amont) et le débit pour proactive et réactive zebrafish se regrouper en bancs sous deux conditions de champ magnétique le long de l’écoulement direction de taux (control unidimensionnel). Chaque point de données est la moyenne des valeurs RI des cinq poissons composer le haut-fond, pour chaque débit. Des différences significatives entre les courbes ont été testés par une somme de carrés F-test (alpha = 0,05)14. Axes de champ magnétique (B) et la direction de l’eau s’écouler dans le tunnel. On montre aussi une représentation tridimensionnelle des vecteurs magnétiques dans les conditions de deux champ magnétique utilisées dans cette étude. Le champ magnétique dans le laboratoire (40 ° N, 14 ° E) a : F = μT 62 ; J’ai = 64° ; D = 44°. Ce chiffre a été modifié par Cresci et al.,16. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Le protocole décrit dans la présente étude permet aux scientifiques de quantifier les réponses de l’orientation complexe des espèces aquatiques résultant de l’intégration entre les deux repères externes (champ d’eau courante et géomagnétiques) et un facteur interne de l’animal, tel que personnalité. Le concept général est de créer un modèle expérimental qui permet aux scientifiques de séparer les individus de personnalité différente et étudier leur comportement d’orientation tout en contrôlant séparément ou simultanément les signaux environnementaux externes.
Le protocole décrit dans cette étude, ainsi que de la définition mathématique de l’index rhéotaxique (RI), a été conçu suite à des observations préliminaires du comportement du poisson-zèbre dans le tunnel de la natation. Lorsqu’il est placé dans un tunnel, ces animaux affiche deux types de comportements, tant en l’absence ou la présence d’eau flux : orientée vers la natation et de manœuvres. Ils passent la plupart du temps orientée (généralement, les poissons étaient vidéo a enregistré plus de 95 % du temps) nager le long du tunnel (c.-à-d., orientée selon l’axe long avec un angle inférieur à 45°), en arrière, tournant à proximité des murs d’extrémité et souvent sh dus thigmotaxie (c.-à-d., nager près des murs du tunnel)27.
Pour que ce protocole soit réussie, il est important que la personne qui effectue l’expérience s’intéresse au stress des animaux. Le transport du poisson entre les configurations expérimentales doit être exécuté avec soin. L’utilisation de filets de main doit être aussi rapide que possible et une formation avant l’expérience réelle est fortement recommandé que le poisson-zèbre sont des nageurs rapides et difficiles à attraper dans un réservoir. Stress peut considérablement affecter le comportement de ces animaux, et dans le cas du poisson-zèbre, peut changer considérablement leur nage comportement27. Cela affecterait probablement les résultats, comme le poisson pourrait afficher le comportement hyperactif et être moins sensibles aux flux de l’eau et les changements de champ magnétique. Contact avec les animaux dans le montage expérimental devrait être aussi court que possible et rapide. L’analyse comportementale suppose l’observation distante, qui requiert également la pratique. En outre, il est important d’analyser les vidéos aveuglément (c'est-à-dire, sans connaître les protocoles et traitements).
Le comportement rhéotaxique de nombreuses espèces de poissons a été étudié à l’aide de tunnels de natation5,10,11,31. De nombreuses études précédentes axé sur l’estimation de la vitesse de nage que les poissons peut supporter jusqu'à l’épuisement, qui est définie comme Ucrit, principalement pour tester les hypothèses physiologiques et écologiques11,32, 33. la méthode décrite dans la présente étude met l’accent, au contraire, sur le comportement rhéotaxique à des vitesses de débit faible. Ce choix a été fait parce que l’objectif de cette étude est d’évaluer la sensibilité à un signal subtil et faible comme le champ magnétique à travers l’observation d’un comportement d’orientation robuste et bien connu des poissons, la rhéotaxie positive. Dans les résultats représentatifs présentés ici, zebrafish affiche un seuil rhéotaxique très faible (seulement quelques centimètres par seconde). Cette observation pourrait être écologiquement pertinente pour cette espèce, qui vit dans les environnements où la vitesse des courants d’eau peut considérablement varier. Poisson zèbre vivent aussi bien dans les rivières tumultueuses34 et dans les plans d’eau où l’eau se déplace lentement, comme les rizières, les étangs et les plaines inondables35. Lorsque l’eau se déplace lentement, la capacité de détecter et d’orienter à des vitesses de débit faible (un seuil rhéotaxique bas) pourrait être avantageuse, car la réponse rhéotaxique augmente les chances d’intercepter en aval à la dérive proies36 et fournit stimuli directionnels pour migration37.
Ces examens ne pourraient pas être effectués utilisant les flux ayant un taux élevé. Ces provoquerait une forte réponse locomotrice qui dépendre plus sur les conditions de corps et de la natation haute performances des animaux plutôt que des facteurs externes comme le champ magnétique. Le protocole présenté ici a été appliqué sur le poisson-zèbre, mais il est probable adapté pour tout des espèces d’eau douce ou marins qui vivent dans des environnements avec des mouvement de l’eau et peuvent être traités dans des conditions de laboratoire.
Toutefois, ce protocole présente certaines limitations. Bien qu’il souligne clairement si une espèce est sensibles ou insensibles aux champs magnétiques, il ne peut pas révéler les mécanismes de l’orientation à travers lequel l’animal utilise les champs magnétiques pour les décisions du mouvement. Afin d’étudier les mécanismes d’orientation magnétique dans les espèces aquatiques, les configurations avec arènes circulaires et eau plate7,38,39 ou labyrinthes13 sont couramment utilisées. Cependant, (et des animaux aquatiques en général) ne vivent pas dans des environnements où les courants sont absents, et la méthode présentée est une première tentative pour étudier la réponse comportementale intégrative aux signaux directionnels omniprésents, comme l’eau s’écoule et magnétiques champs. Une autre limitation de ce protocole est la procédure de suivi vidéo manuelle. Intégrer cette configuration avec un logiciel de tracking automatique permettrait d’améliorer le moment où le processus d’analyse de données entière.
Le protocole expérimental présenté ici est le premier conçu pour étudier l’influence de la personnalité animale sur la sensibilité magnétique et rhéotaxie. Cette rubrique a été oubliée dans la littérature et a besoin d’être examinées plus avant. Individus de la même espèce, ou même au sein d’une population ou un petit groupe (par exemple, un banc de poissons), sont caractérisés par la personnalité différents traits22,40, qui peut être un facteur important dans les études sur les migrateurs, exploratoire, navigation et le comportement d’orientation. Pas tous les individus intègrent les signaux environnementaux de la même manière. Ainsi, compte tenu des facteurs internes, comme la personnalité, pourrait contribuer à réduire la variabilité des données qui est fréquemment observée dans les études sur le mouvement écologie16.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
L’étude a été financée par la fondation de recherche fondamentale du service de physique et le département de biologie de l’Université Federico II de Naples. Les auteurs remercient Dr Claudia Angelini (Institut de Applied Calculus, Consiglio Nazionale delle Ricerche [CN], Italie) pour le soutien statistique. Les auteurs remercient Martina Scanu et Silvia Frassinet pour leur aide technique à la collecte des données et les techniciens du ministère F. Cassese, Passeggio G. et R. Rocco pour leur aide habile dans la conception et la réalisation de l’installation expérimentale. Nous remercions Laura Gentile pour aider à mener l’expérience pendant le tournage vidéo. Nous remercions Diana Rose Udel de l’Université de Miami pour le tournage les déclarations de l’entrevue de Alessandro Cresci.
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 | 3760244880031 | 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 |
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