Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Vurdere påvirker personlighet følsomhet for magnetiske felt i sebrafisk

Published: March 18, 2019 doi: 10.3791/59229
Automatic Translation
1, 2,3, 4
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

Summary

Vi beskriver en opptreden protokoll utviklet for å vurdere hvordan sebrafisks personligheter påvirke deres svar på strøm og svak magnetfelt. Fisker med samme personlighetene skilles basert på deres utforskende atferd. Deretter er brukeradferden rheotactic retning i en svømming tunnel med en lav flow rate og under ulike magnetiske forhold observert.

Abstract

For å orientere seg i miljøet, integrere dyr en rekke eksterne signaler, som samhandler med flere interne faktorer, for eksempel personlighet. Her beskriver vi en opptreden protokoll utviklet for studiet av påvirkning av sebrafisk personlighet på deres retning svar flere eksterne miljømessige bunker, spesielt vannstrømmer og magnetiske felt. Denne protokollen skal forstå om proaktiv eller reaktive sebrafisk vise forskjellige rheotactic terskler (dvs. flyt hastigheten som fisken begynner svømming oppstrøms) når de omkringliggende magnetfeltet endrer retning. For å identifisere sebrafisk med samme personlighet, er fisk innført i mørket halvparten av en tank tilknyttet en smal åpning til lyse halvparten. Bare proaktiv fisk utforske roman, lyse omgivelser. Reaktiv fisk Avslutt ikke den mørke delen av tanken. En bading tunnel med lav flow priser brukes til å bestemme rheotactic terskelen. Vi beskriver to oppsett for å kontrollere det magnetiske feltet i tunnelen, mellom jordens magnetiske felt intensitet: som styrer magnetfeltet flytretningen (én dimensjon) og en som gjør en tre-aksiale kontroll av det magnetiske feltet. Fisk er filmet mens opplever en gradvis økning av siden strømmen fart i tunnel under forskjellige magnetiske felt. Data på retning virkemåten er samlet gjennom en video-sporing prosedyre og brukes på en logistisk modell å tillate fastsettelse av rheotactic terskelen. Vi rapporterer representant resultatene innhentet fra shoaling sebrafisk. Spesielt viser dette at bare reaktive, forsvarlig fisk Vis varianter av rheotactic terskelen når magnetfeltet varierer i retning, mens proaktiv fisk ikke svarer magnetfelt endringer. Denne metoden kan brukes til studier av magnetiske følsomhet og rheotactic oppførsel av mange dyrearter, både vise ensom eller shoaling svømming strategier.

Introduction

I studien beskriver vi en lab-basert atferdsmessige protokoll som har omfanget av undersøke rollen av fisk personlighet på retning svar stimfisk til eksterne retning indikatorer, for eksempel vannstrømmer og magnetiske felt.

Orienting beslutninger av dyr resultat veier ulike sensoriske informasjonen. Beslutningsprosessen er påvirket av evnen til dyret å navigere (f.eks kapasitet til å velge og holde en retning), den interne statusen (f.eks fôring eller reproduktive behov), dens evne til å flytte (f.eks bevegelse biomekanikk), og flere ekstra eksterne faktorer (f.eks, tid på dagen, interaksjon med fra Art)1.

Rollen til den interne tilstanden eller dyr personlighet i retning atferd er ofte dårlig forstått eller utforsket ikke2. Ekstra utfordringer oppstår i studiet av retningen på sosiale dyrearter, som ofte utføre koordinert og polarisert gruppe bevegelse atferd3.

Vannstrømmer spille en nøkkelrolle i retningen prosessen av fisk. Fisk orientere vann strømmer gjennom et unconditioned respons kalt rheotaxis4, som kan være positivt (dvs, oppstrøms orientert) eller negative (i.e. nedstrøms orientert) og brukes til flere aktiviteter fra beite til minimering av energisk utgifter5,6. Videre rapporterer en økende mengde litteratur at mange fiskearter bruker det geomagnetiske feltet for orientering og navigasjon7,8,9.

Studiet av rheotaxis og svømming ytelse i fisken er vanligvis gjennomført i flyt kamre (barnesklier), der fisk er utsatt for gradvis økning av flyten hastighet, fra lave til høye hastigheter, ofte til utmattelse (kalt kritisk turtall)10, 11. På den annen side, undersøkt tidligere studier rollen av det magnetiske feltet i retning gjennom observasjon av atferden svømming dyrene i arenaer med stille vann12,13. Her beskriver vi en laboratorium teknikk som tillater forskere å studere atferden til fisken mens manipulere både vann transporterer og det magnetiske feltet. Denne metoden ble benyttet for første gang på shoaling sebrafisk (Danio rerio) i vår forrige studie, fører til konklusjonen at manipulering av omkringliggende magnetfeltet styrer rheotactic (dvs. minimalt med vann hastigheten på hvilke shoaling fisken orientert oppstrøms)14. Denne metoden er basert på bruk av en barnesklier kammer med langsom flyter kombinert med et oppsett beregnet på administrere det magnetiske feltet i barnesklier, innenfor området av jordens magnetfelt intensitet.

Svømming tunnelen benyttes for å observere atferden til sebrafisk er skissert i figur 1. Tunnelen (laget av en nonreflecting akryl sylinder med 7 cm diameter og 15 cm lang) er koblet til et oppsett for kontroll av flyten hastighet14. Med dette oppsettet varierer verdiområdet strømningshastigheter i tunnelen mellom 0 og 9 cm/s.

For å manipulere det magnetiske feltet swimming tunnelen, bruker vi to metodologiske tilnærmingsmåter: først er endimensjonale og andre er tredimensjonalt. For et program, disse metodene manipulere det geomagnetiske feltet for å få spesifikke magnetiske forhold i et definert volum av vann-dermed alle verdier av magnetfelt intensiteten i denne studien omfatter det geomagnetiske feltet.

Om den dimensjonal tilnærming15, det magnetiske feltet manipuleres vann flyt retning (definert som x-aksen) ved hjelp av en magnetventil pakket rundt svømming tunnelen. Dette er koblet til en strømforsyning, og det genererer uniform statisk magnetfelt (figur 2A). Tilsvarende i tredimensjonale tilnærming endres det geomagnetiske feltet i volumet som inneholder svømming tunnelen ved å bruke spoler av elektriske ledninger. For å kontrollere det magnetiske feltet i tre dimensjoner, har imidlertid spoler utformingen av tre ortogonale Helmholtz par (figur 2B). Hvert Helmholtz par er sammensatt av to sirkulær spoler orientert langs tre ortogonale plass retninger (x, yog z) og utstyrt med en tre-aksiale magnetometer arbeider i lukket forhold. Magnetometer arbeider med feltet intensiteter sammenlignbare med jordens naturlige feltet, og det ligger nær geometriske midten av spoler settet (der svømming tunnelen ligger).

Vi gjennomføre teknikkene beskrevet ovenfor for å teste hypotesen at personlighetstrekk av fisken komponere en shoal påvirke hvordan de reagerer på magnetfelt16. Vi tester hypotesen om at personer med proaktiv og reaktiv personlighet17,18 reagerer forskjellig når vannet renner og magnetfelt. For å teste dette, sortere vi først sebrafisk ved hjelp av en etablert metode for å tilordne og gruppe personer som er proaktiv eller reaktive17,19,20,21. Da evaluerer vi rheotactic virkemåten til sebrafisk svømmer i stimer består av bare reaktive enkeltpersoner eller sammensatt av bare proaktiv personer i magnetiske barnesklier tanken, som presenterer vi som eksempeldata.

Sorteringsmetoden er basert på forskjellige tendensen til proaktiv og reaktiv enkeltpersoner å utforske romanen miljøer21. Spesifikt bruker vi en tank delt inn i en lys og en mørk side17,19,20,21 (Figur 3). Dyr er acclimated til den mørke siden. Når tilgang til den lyse siden er åpen, proaktiv individer tendens til å raskt gå ut av den mørke delen av tanken å utforske det nye miljøet, mens reaktive fisken ikke la mørke tanken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Følgende protokollen er godkjent av institusjonelle Animal Care og bruk komiteen av University of Naples Federico II, Naples, Italia (2015).

1. dyr vedlikehold

  1. Bruke tankene på minst 200 L som vert en Stim minst 50 personer av begge kjønn i hvert kar.
    Merk: Tettheten av fisk i akvariet har å bli en dyr per 2 L eller lavere. Under disse forholdene viser sebrafisk normal shoaling opptreden.
  2. Angi vedlikehold betingelsene som følger: temperatur på 27-28 ° C; ledningsevne på < 500 μS; pH 6,5-7.5; INGEN3 på < 0,25 mg/L; og en lys: mørke fotoperiode på 10t h:14.
    Merk: Identiske holder betingelser må brukes for både den blandet befolkningen og atskilt proaktiv og reaktiv befolkningen.

2. personlighet valget i sebrafisk

  1. Forberede og plassere personlighet utvalg tanken i et stille rom (Figur 3) med det samme vannet som brukes i vedlikehold tanker.
  2. Plass et videokamera over eller på siden av tanken. Koble kameraet til en datamaskin med en skjerm ligger i et område der det er ingen visuell kontakt med tanken.
  3. Velg ni fisk tilfeldig fra vedlikehold tanken og overføre dem til den mørke siden av personlighet utvalg tanken, bruker knotless nettet.
    Merk: Prøv å begrense interaksjonene med stridsvogner og fisk til minst mulig tid. Unngå støy og raske bevegelser. Om nødvendig overføre dyrene i et lite volum transport tank (ca 2 L) med vann fra holder tanken. For å unngå luft eksponering av dyr, bruke en 250 ml kanne og forsiktig indusere dyret til å angi begeret. Prøv å minimere opptakstiden, unngå å samle flere fisk som det kan forårsake fysisk skade på dyrene og ikke holde fisk mer enn et par sekunder i nettet som disse faktorene kan øke stress. Fisk skal fôres ad lib før overføring til eksperimentelle tanken. Dette begrenser muligheten for at ulike tendenser til mat-søker atferd vil påvirke atferden til personer i løpet av følgende eksperiment22. Utføre Repliker eksperimenter på samme tid av dagen. Dette minimerer variasjon i virkemåten til eksperimentelle gruppene forårsaket av mulig døgnrytme23.
  4. Etter 1 h Akklimatisering, åpne skyvedøren.
    Merk: Personer gå ut av hullet, utforske den lyse siden av tanken i 10 min, anses proaktiv21.
  5. Etter 10 min, forsiktig fjerne proaktiv enkeltpersoner fra tanken og overføre dem til proaktivt vedlikehold tanken.
  6. Etter 15 min, samle fisken som forblir i boksen mørke som reaktive21, og overføre dem til reaktive vedlikehold tanken.
    Merk: Kast fisk som flytter til den lyse siden av tanken etter 10 min21. Utføre personlighetstest med ni fisk om gangen til ønsket antall proaktiv og reaktiv fisk nødvendig for tester beskrevet i del 5 samlet. Konsistensen av personlighet proaktiv og reaktiv kan kontrolleres regelmessig bruker den samme tilnærmingen.

3. Sett opp av det magnetiske feltet med One-dimensional magnetfelt manipulasjon27

  1. Slå på strømforsyning (figur 2A).
  2. Plasser sammenrullede tunnelen på stedet der rheotactic protokollen skal utføres (del 5) men den koblet fra svømming apparatet (figur 2A). Plassere en magnetisk sonde med en Gauss/Teslameter inne i tunnelen, og kontroller hvilken spenning er nødvendig å få valgt magnetfelt verdien langs hovedakse av tunnelen.
    Merk: På grunn av de magnetiske egenskapene av en magnetventil er feltet rimelig uniform inne i tunnelen; Dette kan kontrolleres ved å sakte flytte proben både horisontalt og vertikalt.
  3. Kobler sonden og kobler flyt tunnelen til svømming apparatet.
  4. Start med rheotactic protokollen (del 5).

4. sett av magnetfeltet med tredimensjonale magnetfeltet manipulasjon27

  1. Slå på Prosessoren, DAC, og coil drivere (figur 2B).
  2. Angi valgt magnetfeltet på hver av de tre aksene (x, y og z).
  3. Plass tunnelen i midten av Helmholtz par settet.
  4. Start med rheotactic protokollen (del 5).

5. test av sebrafisk Rheotaxis i Flow Chamber

  1. Overføre ett til fem fisk til flyt tunnelen med en 2 L tank med sidene og bunnen skjult.
  2. Slå på pumpen og sett infusjonshastigheten i tunnelen 1,7 cm/s.
    Merk: Dette saktegående vann vil holde vannet i tunnelen oksygenert og det vil lette dyr.
  3. La dyrene acclimate til svømming tunnelen 1t.
  4. Start videoinnspillingen av virkemåten til fisken i tunnelen.
    Merk: Vi brukte en kamera (f.eks Yi 4K handling) med fjernkontroll (f.eks Bluetooth) og lagret video som MPG (30 rammer/s).
  5. Starte gradvis økning av infusjonshastigheten i henhold til valgt eksperimentelle protokollen (1,3 cm/s i denne studien; Figur 4).
    Merk: For denne protokollen, vi brukte lav flow priser som for sebrafisk, varierer fra 0 til 2,8 BL (kropp lengde) / s. Disse flow hastigheter er i det lavere spekter av strømningshastigheter som induserer kontinuerlig orientert svømming i sebrafisk (3%-15% av kritiske svømming hastighet [Ucrit])24. Bruk av lav flow priser (følgende Brett protokollen25) er knyttet til specific opptreden kjennetegner denne arten i nærvær av vannstrømmer. Sebrafisk pleier å svømme langs store akse kammeret, snu ofte, selv i nærvær av vann flow, og har en tendens til å svømme både oppstrøms og nedstrøms24,26. Dette er berørt av vann flow ofte, forsvinner i relativt høye hastigheter (> 8 BL/s)26, når dyrene kontinuerlig svømme mot oppstrøms (full positiv rheotactic svar). Vertikale og tverrgående forskyvninger er svært sjeldne.
  6. Utføre morphometry av dyrene (sex og den totale lengden [TL], forgreningslengde [FL] eller BL) på bilder av fisk i en morphometric kammer.
    1. Velg det aktuelle bildet.
    2. Åpne bildet i ImageJ.
    3. Legg merke til sex av dyret (mannlige sebrafisk er slank og har tendens til være gulaktig, mens kvinner er mer avrundet og har blå og hvit kolorering).
    4. Klikk analyser > Angi skala og sett omfanget av bildet i centimeter, bruker hele horisontale lengden av tunnelen som referanse.
    5. Klikk analyser > mål og fortegnelse lineær lengden av dyret.
    6. Beregne sin kroppsvekt (BW).
      Merk: BW beregnes fra sex-FL-BW relasjoner tidligere bygget i laboratoriet eller metadata. Hele prosedyren unngår manipulasjon stress på dyrene.

6. video sporing

  1. Åpne videofilen med bane 4,84 videoanalyse og modellering verktøy.
    Merk: Rett video forvrengning perspektiv og radial forvrengning filters.
  2. Klikk på koordinatsystem i øvre menyen og sette lengden enhetene centimeter og tidsenhetene sekunder.
  3. Klikk på fil > Import > Video og åpne en av videoene i bane 4,84.
  4. Klikk på "Koordinere aksene" og definere referanse å spore plasseringen av fisken over tid, med x-aksen langs tunnelen. Angi opprinnelsen lite hjørne av nedstrøms slutt veggen (på vann utløp).
  5. Klikk på spor > ny > poenget med masse og start sporing en fisk samtidig. Spore den siste 5 min av hvert trinn som fisken brukt på hver strømningshastighet.
  6. Fremme videoen manuelt på fem-bilders intervaller (0,5 s) og merke tid og posisjon på dyret ved hver oppstrøms-nedstrøms tur (UDt, røde prikker i figur 5) og hver nedstrøms-oppstrøms tur (DUt, blå prikker i figur 5).
    Merk: Bruke fish øyet posisjon som referanse for den fish stillingen. Spore dyrets posisjon med en punkt masse. Hindre sporing en periode ikke orienterte svømming (dvs. manøvrering tid).
  7. På slutten av hver sporing økt, velger du x-verdiene og tid verdien fra nederste høyre hjørne av vinduet programvare. Høyreklikk på data og klikk kopiere data > Full presisjon.
  8. Lagre verdier og x-verdiene for alle snu posisjoner på en malfil for regneark til å beregne den totale oppstrøms tiden (summen av alle intervallene mellom UDts og DUts) og nedstrøms totaltiden (summen av intervallene mellom DUts og UDt), samt verdiene av rheotactic indeksen i prosent (RI %) for hver flyt trinn (se figur 5).
    Merk: Rheotactic atferden er kvantifisert ved andelen totale orientert tiden fisken bruker mot oppstrøms (svømming eller sjelden fryser [dvs. de holder fortsatt på bunnen av tunnelen]27). Denne andelen er definert som RI % (figur 5).
    Equation

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Som eksempeldata presentere vi resultatene kontrollere magnetfeltet langs vannet flytretningen proaktiv og reaktiv shoaling sebrafisk16 bruk vist i figur 2A (se avsnitt 3 av protokollen). Disse resultatene viser hvordan beskrevet protokollen kan utheve forskjellene i svar på det magnetiske feltet fisk med ulike personligheter. Disse generelle begrepet er avhengig av funn at retning av det magnetiske feltet i forhold til vannstrømmen påvirker rheotactic terskelen i shoaling sebrafisk14. Dermed som endringer i magnetfeltet modulerer til rheotaxis, denne protokollen kan brukes til å vurdere om svaret av sebrafisk magnetiske felt varierer i henhold til deres proaktiv eller reaktive personlighet28.

Først, bruke mørket/lys tanken som vist i Figur 3, sebrafisk ble delt inn i ulike grupper i henhold til deres proaktiv/reaktive personlighet. Etter slik test, fiskestimer fem med samme personlighet ble testet i magnetventil svømming tunnelen (figur 1 og figur 2A). Totalt 20 fisk ble testet: to stimer består av fem reaktive fisk hver (10 reaktive fisk) og to stimer består av fem proaktiv fisk hver (10 proaktiv fisk).

En shoal gangen var video registrert mens du bader i tunnelen og vannet gjeldende ble akselerert med en gradvis økning på infusjonshastigheten som skjematisk vist i Figur 4. Fisken ble tillatt å acclimate 1t i tunnelen. Etter at brukt vi protokollen for kvantifisering av rheotactic atferd, bruker en gradvis økning av infusjonshastigheten ifølge klassisk Brett protokollen25. Spesielt økte infusjonshastigheten med 0,4 BL/s hvert 10 min totalt syv påfølgende trinnene (Figur 4). Oppførselen til sebrafisk ble registrert gjennom hele varigheten til utførelsen i tunnelen (70 min), og RI verdien på hvert trinn ble beregnet (se protokollen trinn 6.8).

I går i svømming tunnelen, det magnetiske feltet ble satt på en av de to følgende betingelsene: 50 μT nedstrøms (dvs. den vannrette komponenten [langs x-aksen] magnetfeltet hadde samme retning vannstrømmen) og 50 μT oppstrøms (dvs. den horisontale del av det magnetiske feltet hadde en motsatt retning når det gjelder vannstrømmen)16. Intensiteten langs akser y og z ble ikke påvirket, samt totale intensitet og helling av magnetfelt vektoren. Hver Stim fem fisken var utsatt for bare én av de to magnetiske forholdene. For eksempel vurderer proaktiv fisk, en proaktiv shoal hadde det magnetiske feltet regissert nedstrøms og andre proaktiv Stim hadde det magnetiske feltet regissert oppstrøms.

Videoene ble deretter analysert med video-sporing programvare (inndelingen 6 av protokollen). Fisken ble video registrert for hele varigheten til utførelsen i svømming tunnelen. Men ble bare de siste 5 minutter av hver 10 min lange gradvis økning av flow rate (Figur 4) sporet. Imens spores, svinger av hver fisk hver strømningshastighet ble markert (figur 5, rød og blå datapunkt). Disse ble da brukt som referanser for å beregne RI hver fisk og hver trafikkflyten fart (figur 5). RI indeksen varierer mellom 0% og 100%. Når du er under 50%, angir RI indeksen at fisken vises negative rheotaxis (prevalens av nedstrøms svømming); Når RI er høyere enn 50%, viser at dyret hadde en positiv rheotactic respons (prevalens av oppstrøms svømming). En RI ikke vesentlig forskjellig fra 50% skulle tilsi et fravær av rheotactic svar. Verdiene for RI % av alle fem fisken i en shoal ble deretter gjennomsnitt på hver strømningshastighet. Disse gjennomsnitt data var arcsinusen forvandlet og brukes til å passe kurvene vises i figur 6A. Dermed øker rheotactic indeksen sigmoidally når vann hastigheten øker, slik at kvantifisering av rheotaxis med en enkel matematisk metode. Forholdet mellom RI og flyt kan monteres til følgende logistikk-sigmoidal modell.

Tre parametere og deres variasjon kan avledes fra passer kurven. RIplatå måler maksimal tendensen av dyrene å orientere oppstrøms i størrelsesorden strømningshastigheter brukes i eksperimentet. RIbunnen er RI verdien i fravær av vannet og hypotetisk bør ikke avvike fra 50%. Rtr er det er infusjonshastigheten som av maksimal helling kurven oppstår, og den kan brukes som et mål på rheotactic terskelen6.

Resultatene indikerer at rheotactic terskelen (Rtr) sebrafisk er svært lav, mellom noen få centimeter per sekund. Varianter av det magnetiske feltet påvirker ikke Rtr proaktiv fisk (ingen effekt av magnetiske feltet t-test, P > 0,05). Motsatt, magnetfelt endringer har en uttalt effekt på rheotactic virkemåten til reaktive sebrafisk. Når komponenten magnetfelt langs svømming tunnelen var rettet nedstrøms, er Rtr svært lave og lik som proaktiv fisk. Terskelen var signifikant høyere når det magnetiske feltet var rettet oppstrøms (t-test, P < 0,01).

RIplatå verdien av reaktive dyr var betydelig lavere når det magnetiske feltet var rettet oppstrøms (t-test, P < 0,01). Resultatet indikerer at med disse forholdene, reaktive fisk ville komme full positiv rheotactic svaret (RI = 100%) bare på svært høy flow priser. Dermed resultatet viser at sammenlignet Rtr, RIplatå gir mindre informasjon om svømming atferden til fisken. Faktisk, kan basert på sterk forskjellen i reaktive RIplatå mellom de to magnetiske forholdene, tilstand at under magnetfelt oppstrøms-orientert, reaktive dyrene vil trolig vise full rheotactic svar på et høyere flyt.

RI bunnverdier pleier å være høyere (men ikke signifikant) enn 50% i proaktiv dyrene og reaktive dyrene utsettes for et magnetfelt nedstrøms orienterte. Dette kan indikere en skjevhet i protokollen siden dyrene preget av en svært lav terskel kan huske flytretningen i løpet av acclimation. En riktig protokoll kan være utformet for å teste denne muligheten.

Figure 1
Figur 1: Forenklet representasjon av svømming tunnel apparatet benyttes studien. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Oppsettet for magnetfelt kontroll. (A) gjengivelse av svømming tunnelen med en solenoid for induksjon av et statisk, vannrette magnetfelt i tunnelen. Releet (0,83 svinger/cm) er koblet til en strømforsyning og det genererer felt i området ±250 µT (intensitet område som inkluderer jordens magnetfelt utvalg). På høyre side vises et bilde av solenoid tunnelen koblet til svømming apparatet. Tunnelen er laget av akryl og har to perforert akryl plater på vanninntak, som garanterer flyten å være nær laminær. (B) diagrammet og bilde av tre ortogonale Helmholtz parene satt for kontroll av det magnetiske feltet geomagnetiske rekke intensiteter. Magnetfelt sonden, CPU, digital til analog omformer og coil driverne brukes til å stramme løkken vises også. Hvert par spoler består av to sirkulær spoler med en radius (r) på 30 cm og N = 50 svinger av AWG-14 kobber ledninger. En tre-akse magnetometer (sensor) med valgbar skala (± 88 µT til ± 810 µT) er plassert nær midten av coil settet. Sensor området er satt til verdier til ±130 µT. Disse verdiene ble også brukt for målingene beskrevet i representant resultatene (i disse forholdene, den nominelle sensor oppløsningen er om 0,1 µT). Intensiteten og retning av det magnetiske feltet kontrolleres med en digital tilbakemeldingssystem. Sensoren måler tre komponentene i magnetfeltet vektoren (tre akser), og tilsvarende Feilen signalene er utdraget. Deretter genereres korreksjon signaler av et enkelt integrator filter. Digital korrigering signalene er konvertert til spenningen ved en digital til analog omformer og forsterket av en passende spole driver. Disse siste signalene brukes til å kjøre Helmholtz parene. Samplingsfrekvens er fast til 5 Hz og enhet gevinst frekvensen av looper er ca 0,16 Hz. Når strømforholdene i Helmholtz parene av spoler angis, totalt magnetfeltet varierer mindre enn 2% fra mener intensitetsverdien i sentrale kubikk volumet (med kant [L] = 10 cm) av spoler. I målingene er magnetfelt rms mindre enn 0,2 µT. I begge oppsett (panel A og B) genereres en statisk elektrisk felt av strømmen i spoler produsere magnetfelt16. Intensiteten av det elektriske feltet er om 0,4 V/m når den maksimale strømmen brukes; Denne verdien er ubetydelig i forhold til naturlig eller kunstig statisk felt i miljøet som intensitet er i størrelsesorden 1 kV/m17. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Skjematisk fremstilling av tanken (40 cm x 40 cm x 40 cm) brukes til å skille proaktiv fra reaktiv sebrafisk personer (ikke i målestokk), ifølge Rey et al.21. Volumet av personlighet utvalg tanken er 50 L. halvparten av tanken var okkupert av en mørk boks med et hull på 5 cm i diameter på siden av boksen mot den lyse halvparten av tanken. Hullet var dekket av en skyvedør (vises ikke) der åpningen signert starten av en velge rettssak. Den mørke siden av tanken trenger en flyttbare dekselet for å tillate tilgang til hånd garn. Dette forenkler plassering eller fange fisk før og etter de atferdsmessige studier. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Diagram av strømningshastigheter brukes i testene til å bestemme rheotactic terskelen sebrafisk som. Flyten i 1t acclimation perioden var nok til å garantere et tilstrekkelig oksygentilførsel til dyrene. Det kan antas at med dette motivet, oksygentilførsel er aldri en grense, selv i de første 10 min skrittet med flyt 0. Faktisk, med en oksygeninnhold vann ved 27 ° C på omtrent 7.9 mg/L og en dyr oksygenforbruk av 1 mg/h.g (tilnærmet overflødig for sebrafisk oksygenopptak både under rutinemessig forhold [Uliano et al.29] og lav hastighet svømming [Palstra et Al.30]), er det mulig å beregne at i fravær av flyt, Po-2 i barnesklier ikke vil avta mer enn 2% per dyr, igjen godt over de kritiske Po2 (40 torr for sebrafisk). Dette tallet er endret fra Cresci et al.14. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: Dyr opptreden i tunnelen og beregning av RI. Grafene presentere plasseringen av en individuell dyr langs x-aksen i en 300 s post på tre verdier av flow rate. De røde prikkene representerer nedstrøms til oppstrøms svingene, blå prikker oppstrøms til nedstrøms svingene. Tilsvarende tid intervaller brukt av dyrene nedstrøms eller oppstrøms rapporteres også, og de totale oppstrøms og nedstrøms gangene rapporteres, fra en RI verdien kan beregnes. Det kan observeres som når økende infusjonshastigheten, oppstrøms tiden og RI verdiene øker. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: Representant resultater. (A) forholdet mellom arcsinusen-forvandlet RI verdier (RI er prosentandelen av totale orientert tiden at fisken bruker mot oppstrøms) og flyt for proaktiv og reaktiv shoaling sebrafisk under to magnetfelt forhold langs strømmen rate retning (en dimensjon kontroll). Hvert datapunkt er gjennomsnittet av RI verdiene av fem komponere Stim, på hver strømningshastighet. Betydelige forskjeller mellom kurver ble testet via en summen av kvadrater F-test (alfa = 0,05)14. (B) magnetfelt akser og retningen på vannet strømme i tunnelen. En tredimensjonal fremstilling av magnetiske vektorer i to magnetfelt forhold i denne studien vises også. Det magnetiske feltet i laboratoriet (40 ° N, 14 ° E) var: F = 62 μT; Jeg = 64°; D = 44°. Dette tallet er endret fra Cresci et al.16. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen beskrevet i denne studien tillater forskere å kvantifisere komplekse retning svar til dyrearter som skyldes integrering mellom to eksterne signaler (vann nåværende og geomagnetiske feltet) og en intern faktor av dyret, som personlighet. Det totale konseptet er å skape en eksperimentell design som tillater forskere å skille individer av ulike personlighet og undersøke brukeradferden retning mens kontrollere separat eller samtidig eksterne miljømessige signaler.

Protokollen beskrevet i denne studien, sammen med matematiske definisjonen av rheotactic indeksen (RI), ble utviklet etter foreløpige observasjoner av virkemåten til sebrafisk i svømming tunnelen. Når plassert i en tunnel, disse dyrene vise to typer atferdsmønster, både i fravær eller tilstedeværelsen av vannet flow: orientert svømming og manøvrering. De tilbringer mesteparten av orientert tid (vanligvis fisken var video registrert mer enn 95% av tiden) svømming langs tunnelen (dvs. orientert langs den lange aksen med en vinkel som er lavere enn 45°), frem og tilbake, snu i nærheten endeveggene og ofte sh grunn thigmotaxis (dvs. svømme nær veggene i tunnelen)27.

Denne protokollen skal lykkes, er det viktig at den som utfører eksperimentet betaler oppmerksomhet til stress av dyrene. Transport av fisken mellom eksperimentelle oppsett må utføres med forsiktighet. Bruken av hånd garn bør være så raskt som mulig, og litt trening før det aktuelle eksperimentet anbefales som sebrafisk er rask svømmere og vanskelig å fange i en tank. Stress kan dramatisk påvirke atferden til disse dyrene, og ved sebrafisk, kan det betydelig endre deres svømming atferd27. Dette vil sannsynligvis påvirke resultatene, som fisk kan vise hyperaktiv atferd og være mindre følsomme til vannet renner og magnetfelt endringer. Kontakt med dyrene i eksperimentell oppsettet bør være like raskt og kort som mulig. Atferdsanalyse krever ekstern observasjon, som krever også praksis. Videre er det viktig å analysere video blindt (dvs. uten å vite protokoller og behandlinger).

Rheotactic virkemåten for mange arter av fisk har studert ved bruk av svømming tunneler5,10,11,31. Mange tidligere studier fokuserte på estimering av svømming hastigheten at fisk kan opprettholde før utmattelse, som er definert som Ucrit, hovedsakelig til å teste fysiologiske og økologiske hypoteser11,32, 33. metoden beskrevet i denne studien fokuserer i stedet på rheotactic problemet med lav strømning hastigheter. Dette valget ble gjort fordi målet med denne studien er å vurdere følsomheten til en subtil og svake stikkordet like det magnetiske feltet gjennom observasjon av en velkjent og robust opptreden av fisk, den positive rheotaxis. I representant resultatene rapporteres her vises sebrafisk en svært lav rheotactic terskel (bare noen få centimeter per sekund). Denne observasjonen kan være økologisk relevant for denne arten, som bor i miljøer der hastigheten på vannstrømmer kan variere betydelig. Sebrafisk leve både i turbulente elver34 og i vassdrag der vannet beveger seg sakte, som paddies, dammer og flomslettene35. Når vann beveger seg sakte, kan muligheten til å oppdage og orientere med lav strømning hastigheter (en lav rheotactic terskel) muligens være fordelaktig, rheotactic svaret øker sjansene å avskjære nedstrøms drivende byttedyr36 og gir retningsbestemt stimuli for migrasjon37.

Disse observasjonene kan ikke gjøres med flyter med høye priser. Dette vil lokke fram en sterk locomotory svar som vil avhenge mer på kroppens tilstand og høy svømming forestillinger av dyr i stedet for eksterne signaler som det magnetiske feltet. Protokollen presenteres her ble brukt på sebrafisk, men det er trolig egnet for alle akvatiske arter som bor i miljøer med bevegelige vann og kan håndteres i laboratorium.

Men presenterer denne protokollen noen begrensninger. Mens det fremhever klart om Art er sensitiv eller nonsensitive for magnetiske felt, kan ikke det avsløre retning mekanismer som dyret bruker magnetfelt for bevegelse beslutninger. Oppsett med sirkulær arenaer og stille vann7,38,39 eller labyrinter13 brukes ofte for å undersøke magnetiske retning mekanismer på akvatiske arter. Imidlertid fisk (og akvatiske dyr generelt) ikke bor i miljøer der strøm er fraværende, og presentert metoden er et første forsøk på å undersøke de integrerende atferdsmessige respons på allestedsnærværende retningsbestemt Stikkordene, som vannet renner og magnetiske felt. En annen begrensning av denne protokollen er manuell video-sporing prosedyren. Integrere dette oppsettet med en automatisk sporingsprogramvare ville forbedre timingen av hele data analyseprosessen.

Eksperimentell protokollen presenteres her er den første utformet å undersøke påvirkning av dyr personlighet på magnetiske følsomhet og rheotaxis. Dette emnet har blitt oversett i litteratur og trenger å bli utforsket. Personer fra samme art, selv i befolkningen eller liten gruppe (for eksempel en fisk shoal) er preget av ulike personlighetstrekk22,40, som kan være en viktig faktor i studier av trekkfugler, utforskende, navigasjon og orientering atferd. Ikke alle personene integrere miljø signaler på samme måte. Dermed kan tar hensyn til interne faktorer, for eksempel personlighet, bidra til å redusere data variasjon som er ofte observert i studier bevegelse økologi16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Studien ble støttet av grunnleggende forskning opprettelsen av fysikk avdeling og biologi avdeling av Napoli University Federico II. Forfatterne takker Dr. Claudia Angelini (Institutt for anvendt kalkulus, Consiglio Nazionale delle Ricerche [CNR], Italia) for statistiske støtte. Forfatterne takker Martina Scanu og Silvia Frassinet for deres teknisk hjelp med å samle data og avdelinger teknikere F. Cassese, G. Passeggio og R. Rocco for deres dyktige hjelp i utformingen og gjennomføringen av eksperimentelle. Vi takker Laura Gentile for å gjennomføre eksperimentet under video innspillingen. Vi takker Diana Rose Udel fra University of Miami for skyting intervju uttalelser av 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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nathan, R., et al. A movement ecology paradigm for unifying organismal movement research. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (49), 19052-19059 (2008).
  2. Holyoak, M., Casagrandi, R., Nathan, R., Revilla, E., Spiegel, O. Trends and missing parts in the study of movement ecology. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (49), 19060-19065 (2008).
  3. Miller, N., Gerlai, R. From Schooling to Shoaling: Patterns of Collective Motion in Zebrafish (Danio rerio). PLoS ONE. 7 (11), 8-13 (2012).
  4. Chapman, J. W., et al. Animal orientation strategies for movement in flows. Current Biology. 21 (20), R861-R870 (2011).
  5. Montgomery, J. C., Baker, C. F., Carton, A. G. The lateral line can mediate rheotaxis in fish. Nature. 389 (6654), 960-963 (1997).
  6. Baker, C. F., Montgomery, J. C. The sensory basis of rheotaxis in the blind Mexican cave fish, Astyanax fasciatus. Journal of Comparative Physiology A: Sensory, Neural, and Behavioral Physiology. 184 (5), 519-527 (1999).
  7. Putman, N. F., et al. An Inherited Magnetic Map Guides Ocean Navigation in Juvenile Pacific Salmon. Current Biology. 24 (4), 446-450 (2014).
  8. Cresci, A., et al. Glass eels (Anguilla anguilla) have a magnetic compass linked to the tidal cycle. Science Advances. 3 (6), 1-9 (2017).
  9. Newton, K. C., Kajiura, S. M. Magnetic field discrimination, learning, and memory in the yellow stingray (Urobatis jamaicensis). Animal Cognition. 20 (4), 603-614 (2017).
  10. Langdon, S. A., Collins, A. L. Quantification of the maximal swimming performance of Australasian glass eels, Anguilla australis and Anguilla reinhardtii, using a hydraulic flume swimming chamber. New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research. 34 (4), 629-636 (2000).
  11. Faillettaz, R., Durand, E., Paris, C. B., Koubbi, P., Irisson, J. O. Swimming speeds of Mediterranean settlement-stage fish larvae nuance Hjort’s aberrant drift hypothesis. Limnology and Oceanography. 63 (2), 509-523 (2018).
  12. Takebe, A., et al. Zebrafish respond to the geomagnetic field by bimodal and group-dependent orientation. Scientific Reports. 2, 727 (2012).
  13. Osipova, E. A., Pavlova, V. V., Nepomnyashchikh, V. A., Krylov, V. V. Influence of magnetic field on zebrafish activity and orientation in a plus maze. Behavioural Processes. 122, 80-86 (2016).
  14. Cresci, A., De Rosa, R., Putman, N. F., Agnisola, C. Earth-strength magnetic field affects the rheotactic threshold of zebrafish swimming in shoals. Comparative Biochemistry and Physiology - Part A: Molecular and Integrative Physiology. 204, 169-176 (2017).
  15. Tesch, F. W. Influence of geomagnetism and salinity on the directional choice of eels. Helgoländer Wissenschaftliche Meeresuntersuchungen. 26 (3-4), 382-395 (1974).
  16. Cresci, A., et al. Zebrafish “personality” influences sensitivity to magnetic fields. Acta Ethologica. , 1-7 (2018).
  17. Benus, R. F., Bohus, B., Koolhaas, J. M., Van Oortmerssen, G. A. Heritable variation for aggression as a reflection of individual coping strategies. Cellular and Molecular Life Sciences. 47 (10), 1008-1019 (1991).
  18. Dahlbom, S. J., Backstrom, T., Lundstedt-Enkel, K., Winberg, S. Aggression and monoamines: Effects of sex and social rank in zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 228 (2), 333-338 (2012).
  19. Koolhaas, J. M. Coping style and immunity in animals: Making sense of individual variation. Brain, Behavior, and Immunity. 22 (5), 662-667 (2008).
  20. Dahlbom, S. J., Lagman, D., Lundstedt-Enkel, K., Sundström, L. F., Winberg, S. Boldness predicts social status in zebrafish (Danio rerio). PLoS ONE. 6 (8), 2-8 (2011).
  21. Rey, S., Boltana, S., Vargas, R., Roher, N., Mackenzie, S. Combining animal personalities with transcriptomics resolves individual variation within a wild-type zebrafish population and identifies underpinning molecular differences in brain function. Molecular Ecology. 22 (24), 6100-6115 (2013).
  22. Toms, C. N., Echevarria, D. J., Jouandot, D. J. A Methodological Review of Personality-related Studies in Fish: Focus on the Shy-Bold Axis of Behavior. International Journal of Comparative Psychology. 23, 1-25 (2010).
  23. Boujard, T., Leatherland, J. F. Circadian rhythms and feeding time in fishes. Environmental Biology of Fishes. 35 (2), 109-131 (1992).
  24. Plaut, I. Effects of fin size on swimming performance, swimming behaviour and routine activity of zebrafish Danio rerio. Journal of Experimental Biology. 203 (4), 813-820 (2000).
  25. Tierney, P., Farmer, S. M. Creative Self-Efficacy Development and Creative Performance Over Time. Journal of Applied Psychology. 96 (2), 277-293 (2011).
  26. Plaut, I., Gordon, M. S. swimming metabolism of wild-type and cloned zebrafish brachydanio rerio. Journal of Experimental Biology. 194 (1), (1994).
  27. Kalueff, A. V., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
  28. Tudorache, C., Schaaf, M. J. M., Slabbekoorn, H. Covariation between behaviour and physiology indicators of coping style in zebrafish (Danio rerio). Journal of Endocrinology. 219 (3), 251-258 (2013).
  29. Uliano, E., et al. Effects of acute changes in salinity and temperature on routine metabolism and nitrogen excretion in gambusia (Gambusia affinis) and zebrafish (Danio rerio). Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 157 (3), 283-290 (2010).
  30. Palstra, A. P., et al. Establishing zebrafish as a novel exercise model: Swimming economy, swimming-enhanced growth and muscle growth marker gene expression. PLoS ONE. 5 (12), (2010).
  31. Bak-Coleman, J., Court, A., Paley, D. A., Coombs, S. The spatiotemporal dynamics of rheotactic behavior depends on flow speed and available sensory information. The Journal of Experimental Biology. 216, 4011-4024 (2013).
  32. Brett, J. R. The Respiratory Metabolism and Swimming Performance of Young Sockeye Salmon. Journal of the Fisheries Research Board of Canada. 21 (5), 1183-1226 (1964).
  33. Quintella, B. R., Mateus, C. S., Costa, J. L., Domingos, I., Almeida, P. R. Critical swimming speed of yellow- and silver-phase European eel (Anguilla anguilla, L.). Journal of Applied Ichthyology. 26 (3), 432-435 (2010).
  34. Spence, R., Gerlach, G., Lawrence, C., Smith, C. The behaviour and ecology of the zebrafish, Danio rerio. Biological Reviews. 83 (1), 13-34 (2008).
  35. Engeszer, R. E., Patterson, L. B., Rao, A. A., Parichy, D. M. Zebrafish in the Wild: A Review of Natural History and New Notes from the Field. Zebrafish. 4 (1), (2007).
  36. Gardiner, J. M., Atema, J. Sharks need the lateral line to locate odor sources: rheotaxis and eddy chemotaxis. Journal of Experimental Biology. 210 (11), 1925-1934 (2007).
  37. Thorpe, J. E., Ross, L. G., Struthers, G., Watts, W. Tracking Atlantic salmon smolts, Salmo salar L., through Loch Voil, Scotland. Journal of Fish Biology. 19 (5), 519-537 (1981).
  38. Bottesch, M., et al. A magnetic compass that might help coral reef fish larvae return to their natal reef. Current Biology. 26 (24), R1266-R1267 (2016).
  39. Boles, L. C., Lohmann, K. J. True navigation and magnetic maps in spiny lobsters. Nature. 421 (6918), 60-63 (2003).
  40. Dingemanse, N. J., Kazem, A. J. N., Réale, D., Wright, J. Behavioural reaction norms: animal personality meets individual plasticity. Trends in Ecology and Evolution. 25 (2), 81-89 (2010).

Tags

Atferd problemet 145 sebrafisk personlighet fisk atferd orientering magnetfelt rheotaxis
Vurdere påvirker personlighet følsomhet for magnetiske felt i sebrafisk
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Cresci, A., De Rosa, R., Agnisola,… More

Cresci, A., De Rosa, R., Agnisola, C. Assessing the Influence of Personality on Sensitivity to Magnetic Fields in Zebrafish. J. Vis. Exp. (145), e59229, doi:10.3791/59229 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter