Waiting
Login processing...

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

Behavior

Оценка влияния личности на чувствительность к магнитным полям в данио рерио

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

Мы описываем поведенческих протокол, разработанный для оценки как личностей данио рерио влияние их ответ на водных течений и слабых магнитных полей. Рыбы с же личностями разделяются на их исследовательское поведение. Затем наблюдается их поведение rheotactic ориентации в плавательный туннель с низким расходом и в различных условиях магнитные.

Abstract

Ориентироваться в окружающей их среды, животных интегрировать широкий спектр внешние сигналы, которые взаимодействуют с несколькими внутренними факторами, как личность. Здесь мы описываем поведенческих протокол, разработанный для изучения влияния данио рерио личности на ответ их ориентации на несколько внешних экологических подсказки, специально течений и магнитные поля. Этот протокол стремится понять, является ли активной или реактивной данио рерио отображать различные rheotactic порогов (то есть, скорость потока, на котором рыба начала течения) когда окружающие магнитного поля изменяет свое направление. Для выявления данио рерио с же личности, рыбы будут введены в темноте половины бака связанных с узкое отверстие ярко половину. Только активные рыбы исследовать роман, светлые среды. Реактивная рыбы не выйти из темной половины бака. Плавательный туннель с показателями низкого потока используется для определения rheotactic порог. Мы описываем двух установок для управления в туннеле, в диапазоне от напряженности магнитного поля земли магнитного поля: один, который управляет магнитного поля вдоль направления потока (одно измерение) и один, который позволяет 3 осевой контроль магнитного поля. Рыбу снимают испытывая поэтапное увеличение скорости потока в туннеле под различные магнитные поля. Данные на поведение ориентации собираются через видео отслеживание процедуры и применяется к модели логистической разрешить определение rheotactic порог. Мы доклад представителя результаты собранных от обмелению данио рерио. В частности они показывают, что только реактивной, разумно рыба Показать вариации rheotactic порога, когда магнитное поле меняется в его направлении, в то время как активную рыбу не реагировать на изменения магнитного поля. Эта методология может применяться к изучению магнитной чувствительности и rheotactic поведение многих водных видов, как отображение одиночной или обмелению плавательный стратегии.

Introduction

В настоящем исследовании мы описываем поведенческих протокол на основе лаборатории, которая имеет сферу изучения роли личности рыбы на ориентацию ответ косяки рыбы для внешней ориентации подсказки, например течений и магнитные поля.

Ориентации решений животных в результате взвешивания различных сенсорной информации. Процесс принятия решений зависит от способности животного для навигации (например, способность выбрать и сохранить направление), его внутреннее состояние (например, кормления или репродуктивные потребности), его способность двигаться (например, биомеханика опорно) и несколько дополнительных внешние факторы (например, время суток, взаимодействие с сородичами)1.

Роль внутреннего состояния или животных личности в поведение ориентации часто плохо понимают или не изучены2. Дополнительные проблемы возникают в исследовании ориентации социальной водных видов, которые часто выполняют скоординированных и Поляризованные группы движение поведение3.

Вода токов играть ключевую роль в процессе ориентацию рыбы. Рыбы Ориент водных токов через unconditioned ответ называется Реотаксис4, который может быть положительным (то есть, вверх по течению ориентированные) или отрицательным (т.е. вниз по течению ориентированные) и используется для ряда мероприятий, начиная от нагула для минимизации энергичный расходы5,6. Кроме того растущий объем литературы сообщает, что многие виды рыб использовать геомагнитного поля для ориентации и навигация7,8,9.

Исследование Реотаксис и плавание производительности в рыба обычно проводится в поток камер (лотковыми), где рыбы подвергаются воздействию поэтапное увеличение скорости потока, от низкой до высокой скорости, часто до исчерпания (называется Критическая скорость)10, 11. С другой стороны предыдущие исследования исследованы роль магнитного поля в ориентации через наблюдение плавательный поведения животных в аренах с негазированной воды12,13. Здесь мы описываем лабораторная техника, которая позволяет исследователям изучить поведение рыб во время манипулирования океанских течений и магнитного поля. Этот метод был использован для в первый раз на косяки данио рерио (Danio рерио) в нашем предыдущем исследовании, приводит к выводу, что манипуляции окружающего магнитного поля определяет порог rheotactic (т.е., минимальная скорость воды в какие косяки рыбы Восток вверх по течению)14. Этот метод основан на использовании лотковыми камеры с медленным потоков, в сочетании с установки, предназначенные для управления магнитного поля в лотковая, в диапазоне от напряженности магнитного поля Земли.

Плавательный туннель используется для наблюдения за поведением данио рерио приводится на рисунке 1. Тоннель (из nonreflecting акриловый цилиндр диаметром 7 см и 15 см в длину) подключен к установки для контроля потока скорость14. С этой установкой скорости потока в туннеле варьируется между 0 и 9 см/сек.

Чтобы управлять магнитного поля в плавательный туннель, мы используем два методологических подходов: первый одномерный и второй трехмерный. Для любого приложения, эти методы манипулирования геомагнитного поля для получения конкретных магнитные условия в определенный объем воды — таким образом, все значения интенсивности магнитного поля, в этом исследовании включают геомагнитного поля.

Что касается одномерный подход15, манипулируют магнитного поля вдоль направления потока воды (определяемой как оси x) с помощью соленоида, обернутые вокруг плавательный туннель. Это подключено к блоку питания, и это порождает единообразных статические магнитные поля (рис. 2A). Аналогичным образом в случае трехмерного подхода, геомагнитного поля в томе, содержащем плавательный туннель изменяется с помощью катушек электрических проводов. Однако чтобы управлять магнитное поле в трех измерениях, катушки имеют дизайн трех ортогональных Гельмгольца пар (рис. 2B). Каждая пара Гельмгольца состоит из двух круговой катушек, ориентированный вдоль трех ортогональных космических направлениях (x, yи z) и оснащена 3 осевой магнитометр, работающих в условиях замкнутого цикла. Магнитометр работает с интенсивностью поля, сопоставимых с естественным полем Земли, и это недалеко от геометрический центр наборе катушек (где расположен плавательный туннель).

Мы реализуем методы, описанные выше, чтобы проверить гипотезу, что черты личности сочинять косяка рыб влияют на способ они реагируют на магнитные поля16. Мы проверить гипотезу, что люди с активной и реактивной личности17,18 по-разному реагируют при воздействии магнитного поля и водных потоков. Чтобы проверить это, мы сначала отсортировать данио рерио, с использованием установленной методологии для присвоения и группы лиц, которые являются активной и реактивной17,19,,2021. Затем мы оцениваем rheotactic поведение данио рерио, купание в стаи входят только реактивной лиц или составе только активных лиц в магнитных лотковыми танк, который мы представляем в качестве образца данных.

Метод сортировки на основе различных тенденция проактивные и реактивные лиц для изучения новых сред21. В частности мы используем танк разделен яркий и темная сторона17,19,20,21 (рис. 3). Животные акклиматизировались на темную сторону. Когда доступ к яркой стороне открытой, активные люди, как правило, быстро выйти из темной половины бака для изучения новой среде, в то время как реактивный рыбы не оставляют темные танк.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Следующий протокол был одобрен институциональный уход животных и использование комитета университета Федерико II в Неаполе, Неаполь, Италия (2015).

1. животных обслуживание

  1. Для размещения косяка по крайней мере 50 человек обоих полов в каждой цистерне используйте танки по крайней мере 200 л.
    Примечание: Плотность рыбы в баке должно быть одно животное на 2 Л или ниже. В этих условиях данио рерио будет отображаться нормально обмеление поведение.
  2. Задать условия обслуживания как следовать: температура на 27 – 28 ° C; проводимость в < 500 МКС; pH 6,5-7,5; №3 в < 0,25 мг/Л; и свет: темные фотопериода в 10 h:14 h.
    Примечание: Холдинг идентичные условия должны использоваться для смешанного населения и разлученных населения проактивные и реактивные.

2. личность выбора в данио рерио

  1. Подготовить и место личности выбор танк в тихой комнате (рис. 3) с той же воде как в техническое обслуживание резервуаров.
  2. Место видео камеры выше или на стороне бака. Подключите камеру к компьютеру с монитором расположен в районе, где нет визуального контакта с баком.
  3. Выберите девять наугад рыб от бака обслуживания и передачи их на темную сторону личности выбор танка, используя безузловые сети.
    Примечание: Постарайтесь ограничить взаимодействие с танками и рыбы в наименьшее количество времени возможно. Избегайте шума и быстрыми движениями. При необходимости, перенесите животных в небольшом объеме транспортировки танк (около 2 Л) с водой из бачок. Чтобы избежать воздействия воздуха животных, использовать 250 мл стакан и аккуратно заставить животное, чтобы ввести стакан. Постарайтесь свести к минимуму время захвата, избежать сбора несколько рыб, как он может нанести физический ущерб для животных и не удержать рыбу более чем на несколько секунд в сети, как эти факторы могут увеличить стресс. Рыбы должны подаваться ad libitum до передачи экспериментального танка. Это ограничивает возможность, что различные тенденции в поисках пищи поведения будет влиять на поведение лиц во время следующих эксперимент22. Проводить репликацию эксперименты в то же время дня. Это минимизирует вариабельность в поведении экспериментальных групп, вызванных возможным циркадные ритмы23.
  4. После 1 h акклиматизации откройте откатных ворот.
    Примечание: Лица, выход из ямы, изучение яркой стороне бака в течение 10 мин, считаются Проактивная21.
  5. После 10 минут аккуратно удалить активную лиц из бака и передавать их в бак профилактического обслуживания.
  6. После 15 минут собирать рыб, которые остаются в темной коробке, которые считаются реактивной21и передавать их в бак реактивная обслуживания.
    Примечание: Отказаться от рыбы, которые перемещают к яркой стороне бака после 10 мин21. Выполните тест личности с девятью рыбы в то время, пока не собираются желаемое количество активной и реактивной рыбы, необходимых для испытаний, описанных в разделе 5. Согласованность проактивные и реактивные личности могут быть проверены регулярно используя тот же подход.

3. Настройка магнитного поля с одномерные магнитное поле манипуляции27

  1. Включите блок питания (рис. 2A).
  2. Установите спиральный туннель в том месте, где rheotactic протокол будет выполняться (раздел 5), но он отключен от плавательный аппарат (рис. 2A). Место магнитного зонда, связанные с гаусс/тесламетром внутри туннеля и проверить, какие напряжения необходим для получения значения выбранного магнитного поля вдоль большой оси тоннеля.
    Примечание: Из-за магнитных свойств электромагнитного поля достаточно единообразен внутри туннеля; Это можно проверить, медленно перемещая зонда по горизонтали и вертикали.
  3. Отключите зонда и соединиться аппарат плавательный туннель потока.
  4. Начните с rheotactic протокол (раздел 5).

4. Установите вверх магнитного поля с трехмерной магнитным полем манипуляции27

  1. Включите процессор, КСР и катушки драйвера (рис. 2B).
  2. Установите выбранный магнитного поля на каждой из трех осей (x, y и z).
  3. Место туннеля в центре Гельмгольца набора пар.
  4. Начните с rheotactic протокол (раздел 5).

5. тест данио рерио Реотаксис в камере потока

  1. Передача одного до пяти рыб тоннель потока, используя танк 2 Л с сторонами и нижней затемняется.
  2. Включите насос и установите скорость потока в туннеле 1.7 см/сек.
    Примечание: Эта вода медленно движущихся будет держать воду в туннеле кислородом и будет способствовать восстановлению животных.
  3. Пусть животных акклиматизироваться в плавательный туннель для 1 h.
  4. Начните запись видео поведения рыбы в туннеле.
    Примечание: Мы использовали камеру (например, действие Yi 4K) с пультом дистанционного управления (например, Bluetooth) и сохранили видео как .mpg (30 кадров/с).
  5. Начать поэтапное увеличение скорости потока согласно выбранной экспериментальный протокол (1.3 cm/s в этом исследовании; Рисунок 4).
    Примечание: Для этого протокола, мы использовали низкого расхода, которые, для данио рерио, в диапазоне от 0 до 2,8 BL (длина тела) / s. Эти скорости потока в нижнем диапазоне скоростей потока, которые индуцируют непрерывной ориентированной плавание в данио рерио (3% – 15% скорости критического плавания [критического удараU])24. Использование низкого расхода (следующие Бретт протокол25) связан с конкретные поведенческие характеристики данного вида при наличии течения воды. Данио рерио, как правило, плавают вдоль большой оси камеры, превращая часто, даже в присутствии воды поток и склонны плавать вверх и вниз по течению24,26. Это поведение зависит от скорости поток воды, исчезают на относительно высокой скорости (> 8 BL/s)26, когда животные непрерывно плавать, стоящих перед вверх по течению (полный положительных rheotactic ответ). Вертикального и поперечного перемещения крайне редки.
  6. Выполните фотографии рыбы в камере морфометрические морфометрия животных (секс и общей длины [TL], длина вилки [FL] или BL).
    1. Выберите соответствующий рисунок.
    2. Откройте изображение в ImageJ.
    3. Принять к сведению пола животного (мужчины данио рерио стройные и склонны быть желтоватая, в то время как женщины более округлые и склонны иметь синий и белый красители).
    4. Нажмите кнопку анализ > Задать масштаб и установить масштаб изображения в сантиметрах, используя всей горизонтальной длина туннеля в качестве ссылки.
    5. Нажмите кнопку анализ > измерение и запись линейной длины животного.
    6. Рассчитайте вес его тела (BW).
      Примечание: BW рассчитывается от отношения секс FL-BW, ранее построенных в лаборатории или метаданных. Вся процедура позволяет избежать стресса манипуляции на животных.

6. видео отслеживания

  1. Откройте видео файл Tracker 4.84 видео анализ и моделирование инструмент.
    Примечание: При необходимости, исправьте любые видео искажения, используя перспективу и радиальные искажения фильтры.
  2. Нажмите на системе координат в верхнем меню и установите единицы длины в сантиметрах и единицы времени в секундах.
  3. Нажмите на файл > Импорт > видео и открыть один из видео в Tracker 4.84.
  4. Щелкните дальше «Координатных осей» и установите эталонной системы отслеживать положение рыбы со временем, с осью x вдоль туннеля. Установите происхождение в низкий угол вниз по течению окончание стены (на выходеводы).
  5. Нажмите на трек > New > точка массы и начала отслеживания одну рыбу в то время. За последние 5 мин каждый шаг, что рыба провел на каждой скорости потока.
  6. Заранее видео вручную интервалы пяти кадр (0.5 s) и Марк время и позицию животного на каждой верхних и нижних участках поворота (UDt; красные точки на рис. 5) и на каждом вниз по течению вверх по течению поворот (дут; синими точками на рис. 5).
    Примечание: Положение глаз рыбы можно используйте в качестве эталона для рыбы позиции. Отслеживайте положение животного, с использованием точки массы. Исключить из отслеживания любой период-ориентированный плавание (т.е., маневрирования время).
  7. В конце каждой сессии отслеживания выберите x значения и значения из таблицы в правом нижнем углу окна программного обеспечения времени. Щелкните правой кнопкой мыши на данные и нажмите кнопку Копировать данные > полная точность.
  8. Сохраните время и x значения всех позиций, переходя на файл таблицы шаблон, чтобы вычислить общее время вверх по течению (сумма всех интервалов между определяемых пользователем типов и Дуць) и общее время вниз по течению (сумма интервалов между Дуць и UDt), а также значения rheotactic индекса в процентах (РИ %) для каждого потока шаг (см. Рисунок 5).
    Примечание: Rheotactic поведение является количественно долю всего ориентированных на время рыбы проводят навстречу потоку (плавание или редко замораживания [т.е., они остаются по-прежнему в нижней части туннеля]27). Эта доля определяется как ри % (Рисунок 5).
    Equation

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Как образец данных мы представляем результаты контроля магнитного поля вдоль направления потока воды на активной и реактивной обмеление данио рерио16 с помощью программы установки, показано на рисунке 2A (см. раздел 3 протокола). Эти результаты показывают, как описывается протокол можно выделить различия в ответах на магнитное поле в рыб с разными личностями. Общая концепция этих испытаний опирается на вывод, что направление магнитного поля относительно потока воды влияет порог rheotactic в обмелению данио рерио14. Таким образом, как изменения в магнитном поле модулировать Реотаксис, этот протокол может использоваться для оценки, если ответ данио рерио магнитные поля различаются в зависимости от их активной и реактивной личности28.

Во-первых, используя светлые/темные танк, как показано на рисунке 3данио рерио были разделены на разные группы согласно их активных/реактивных личности. После такого испытания косяки пяти рыб с же личности затем были протестированы в электромагнитный плавательный туннель (рис. 1 и рис. 2A). В общей сложности 20 рыб были протестированы: две стаи состоит из пяти реактивной рыбы каждый (10 реактивных рыбы) и две стаи состоит из пяти активных рыб каждый (10 активных рыб).

Один косяк в то время было видео, записанная во время купания в туннеле и текущей воды ускорился с поэтапное увеличение скорости потока как схематически показано на рисунке 4. Рыбы было разрешено акклиматизироваться на 1 ч в туннеле. После этого мы применяется протокол для количественной оценки rheotactic поведения, с помощью поэтапного увеличения скорости потока согласно классической Бретт протокол25. В частности скорость потока увеличился на 0,4 BL/s каждые 10 минут в общей сложности семь последовательных шагов (рис. 4). Поведение данио рерио был записан в течение всей продолжительности выполнения в туннеле (70 мин), и значение ри на каждом шаге была рассчитана (см. Протокол шаг 6.8).

Во время выполнения в плавательный туннель, магнитное поле был установлен в одном из следующих двух условий: 50 μT вниз по течению (то есть, горизонтальный компонент магнитного поля [вдоль оси x] имел такое же направление потока воды) и 50 μT вверх по течению (т.е. горизонтальный компонент магнитного поля была противоположном направлении относительно потока воды)16. Интенсивность вдоль осей y и z не пострадали, а также общей интенсивности и угла наклона вектора магнитного поля. Каждый мелководье пяти рыб была подвержена только один из двух магнитных условий. Например Учитывая активную рыбу, одна Проактивная мелководье магнитное поле направлено вниз по течению и другие активные мелководье были магнитное поле направлено вверх по течению.

Видео затем были проанализированы с помощью видео отслеживания программного обеспечения (раздел 6 протокола). Рыба была видео на весь срок выполнения в плавательный туннель. Однако были отслежены только последний 5 мин каждый 10 мин Лонг поэтапного увеличения скорости потока (рис. 4). В отслеживаемых время, были отмечены повороты каждой рыбы на каждой скорости потока (Рисунок 5, красный и синий точек данных). Затем они использовались как ссылки для вычисления ри каждой рыбы и скорость каждого потока (рис. 5). РИ индекс колеблется от 0% до 100%. Когда ниже 50%, индекс ри указывает, что рыба отображаться отрицательные Реотаксис (распространенность течению плавание); Когда ри выше 50%, он показывает, что животное имеет положительный ответ rheotactic (распространенность плавание вверх по течению). Ри, не существенно отличается от 50% будет означать отсутствие rheotactic ответа. Затем значения ри % всех пяти рыб в мелководье были среднем на каждой скорости потока. Эти усредненные данные были арксинус преобразованы и используется для кривых, отображаемый в рисунке 6A. Таким образом rheotactic индекс увеличивается sigmoidally когда скорость воды увеличивается, позволяя количественная оценка Реотаксис с простой математический метод. Отношения между Ри и скорость потока может быть установлен в следующих материально-технического сигмоид модель.

Три параметра и их изменчивости могут быть получены от форму кривой. РИплато измеряет максимальное тенденция животных вверх по течению сориентироваться в диапазоне скорости потока, используемые в эксперименте. РИснизу значение ри в отсутствие потока воды и гипотетически, не должен отличаться от 50%. Rtr -это скорость потока, на котором происходит максимальный наклон кривой, и он может использоваться как мера rheotactic порог6.

Результаты показывают, что rheotactic пороге данио рерио (trR) является очень низким, в диапазоне от нескольких сантиметров в секунду. Вариаций магнитного поля не влияют на Rtr активной рыбы (никакого эффекта магнитного поля, т-тест, P > 0.05). Противоположно изменения магнитного поля имеют выраженный эффект на rheotactic поведение реактивной данио рерио. Когда компонент магнитного поля вдоль плавательный туннель был направлен по течению, Rtr является очень низким и похож на активную рыбу. Порог был значительно выше, когда магнитное поле направлено вверх по течению (t-теста, P < 0.01).

Значениеплато ри реактивной животных был значительно ниже, когда магнитное поле направлено вверх по течению (t-теста, P < 0.01). Этот результат означает, что с этими условиями, реактивной рыбы достигнет полной положительный ответ rheotactic (RI = 100%) только на очень высокий дебит. Таким образом, этот результат подчеркивается, что, по сравнению с Rtr, Риплато предоставляет меньше сведений о поведении плавательный рыбы. В самом деле основываясь на сильной разница в реактивной риплато между двумя магнитные условия, мы можем заявить, что, под вверх по течению ориентированный магнитного поля, реактивной животных вероятно будет отображать полный rheotactic ответ на более высокой воды поток.

РИснизу значения, как правило, выше (хотя и не существенно) более 50% активных животных и реактивной животных, подвергшихся воздействию магнитного поля вниз по течению ориентированный. Это может свидетельствовать уклоном в протоколе, поскольку животных, характеризуется очень низкий порог может помнить опытных во время адаптационного направление потока. Чтобы проверить эту возможность можно было бы разработать соответствующий протокол.

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

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

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

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

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

Figure 6
Рисунок 6: Представитель результаты. (A) связь между арксинус трансформированных ри значениями (RI-это процент всего ориентированных на время, что рыбы проводят навстречу потоку) и скорость потока для активной и реактивной обмеление данио рерио при двух условиях магнитного поля вдоль потока направление курса (один аспект управления). Каждая точка данных имеет среднее значений ри пяти рыб, составляющих отмель, на каждой скорости потока. Существенные различия между кривые были протестированы через сумму квадратов F-тест (альфа = 0,05)14. (B) магнитного поля осей и направление воды потока в туннеле. Трехмерное представление магнитного векторов в условиях двух магнитного поля, используемые в данном исследовании также показано. Магнитное поле в лаборатории (40 ° N, 14 ° E) был: F = 62 μT; Я = 64°; D = 44°. Эта цифра была изменена Креши et al.16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Протокол, описанный в настоящем исследовании позволяет ученым для количественного определения сложных ориентации ответы водных видов, в результате интеграции между двух внешних сигналов (вода текущих и Геомагнитное поле) и один внутренний фактор животного, такие как личность. Общая концепция заключается в создании экспериментального дизайна, который позволяет ученым отдельных лиц различных личности и расследовать их поведение ориентации во время контроля отдельно или одновременно внешние экологические сигналы.

После предварительных наблюдений поведения данио рерио в плавательный туннель, был разработан протокол, описанные в этом исследовании, а также математическое определение rheotactic индекса (RI). При помещении в туннеле, эти животные отображения двух видов поведения, как в отсутствие или наличие поток воды: плавание и маневрирования. Они тратят большинство ориентированных на время (как правило, рыбы были видео для более чем 95% времени) плавание вдоль туннеля (то есть, ориентированный вдоль длинной оси с углом ниже 45°), и обратно, превращаясь в близости торцевых стен и часто ш Благодаря thigmotaxis (то есть, плавание вблизи стен туннеля)27.

Для этого протокола быть успешным важно, что тот, кто выполняет эксперимент уделяет внимание стресса животных. Транспортировки рыбы между экспериментальных установок должны выполняться с осторожностью. Использование ручной сетей должна быть так быстро, как возможно и определенную подготовку, прежде чем фактическое эксперимента настоятельно рекомендуется как данио рерио быстрых пловцов и трудно поймать в баке. Стресс может значительно повлиять на поведение этих животных, и в случае данио рерио, она может существенно изменить их плавательный поведение27. Это вероятно будет влиять на результаты, как рыба может отображать гиперактивного поведения и быть менее чувствительны к потоки воды и изменения магнитного поля. Контакт с животными в экспериментальной установки должно быть как быстро и как можно более коротким. Поведенческий анализ требует дистанционного наблюдения, который также требует практики. Кроме того важно анализировать видео слепо (то есть, не зная, протоколы и процедуры).

Rheotactic поведение многих видов рыб была изучена с помощью плавательный туннели5,10,11,31. Многочисленные предыдущие исследования сосредоточены на оценке скорости плавания, что рыбы могут поддерживать до изнеможения, который определяется как Uкритического удара, главным образом для проверки гипотезы физиологические и экологические11,32, 33. метод, описанный в настоящем исследовании основное внимание, вместо этого, rheotactic поведение скоростью низкого потока. Этот выбор был сделан потому, что цель этого исследования состоит в оценке чувствительности к тонкие и слабые кий как магнитное поле через наблюдение известной и надежной ориентации поведения рыбы, позитивные Реотаксис. В результатах представитель сообщил здесь данио рерио отображается очень низкий порог rheotactic (всего несколько сантиметров в секунду). Это замечание может быть экологически соответствующие для этого вида, который обитает в средах, где скорость течения воды может значительно варьироваться. Данио рерио живут как в бурных рек34 и в водоемах, где вода движется медленно, например рисовых полей, пруды и пойм35. Когда вода движется медленно, способность обнаруживать и ориентировать на скоростях низкого потока (низкий порог rheotactic) может быть выгодным, как rheotactic ответ увеличивает шансы для перехвата течению дрейфующих добычу36 и обеспечивает направленного импульса для миграции37.

Эти замечания не удалось с помощью потоков с высокими ставками. Эти будет вызывать сильную опорно ответ, который будет зависеть от более тела условиях и высокой плавательный выступления на животных, а не внешние сигналы как магнитное поле. Протокола, представленные здесь был применен на данио рерио, но вполне вероятно, подходит для любых пресноводных и морских видов, которые обитают сред с движущейся воды и может быть обработано в лабораторных условиях.

Однако этот протокол представляет некоторые ограничения. Хотя он явно свидетельствует ли видов чувствительных или открытые для магнитных полей, он не может выявить ориентации механизмы, через которые животное использует магнитные поля для движения решений. С целью изучения механизмов магнитной ориентации в водных видов, широко используются установок с круговой Аренас и стоячей воде7,,3839 или лабиринты13 . Однако, рыба (и водных животных в целом) не живут в средах, где отсутствуют токи, и представленным методом является первой попыткой исследования интеграционных поведенческие реакции к вездесущим направленного подсказки, как потоки воды и магнитные поля. Еще одним ограничением этого протокола является ручной процедура видео слежения. Интеграция этой установки с помощью автоматического отслеживания программного обеспечения позволит улучшить сроков процесса анализа всего данных.

Экспериментальный протокол, представленные здесь является первым предназначен для исследования влияния животных личности на магнитных чувствительность и Реотаксис. В этом разделе были упущены в литературе и нуждается в дальнейшем изучении. Лица из того же вида, или даже в рамках населения или небольшой группы (такие как косяка рыбы), характеризуются различные личности черты22,40, которое может быть важным фактором в проведении исследований по миграции, разведочных, Навигация и поведение ориентации. Не все люди интегрировать экологические сигналы таким же образом. Таким образом принимая во внимание внутренние факторы, такие как личность, может помочь снизить изменчивость данных, который обычно наблюдается в исследованиях движения экологии16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Это исследование было поддержано базовые основания исследования кафедры физики и биологический факультет университета Федерико II в Неаполе. Авторы благодарят за статистической поддержки д-р Claudia Angelini (Институт применяется исчисление, Consiglio Nazionale делле ричерке [КНП], Италия). Авторы благодарят Scanu Мартина и Сильвия Frassinet за их техническую помощь в сборе данных и ведомственных техников F. Кассезе, G. Passeggio и р. Рокко за их умелые помощь в разработке и реализации экспериментальной установки. Мы благодарим Лаура язычников за помощь в проведении эксперимента во время съемки видео. Мы благодарим Diana Роуз Udel из университета Майами для съемки интервью заявления Креши Alessandro.

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

Поведение выпуск 145 данио рерио личность поведение рыб ориентации магнитное поле Реотаксис
Оценка влияния личности на чувствительность к магнитным полям в данио рерио
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