Summary
我们描述了一种行为协议, 该协议旨在评估斑马鱼的性格如何影响它们对水流和弱磁场的反应。性格相同的鱼根据其探索行为而分离。然后, 观察了在不同磁条件下, 在低流速游泳隧道中的流变定向行为。
Abstract
为了使自己适应自己的环境, 动物整合了广泛的外部暗示, 这些暗示与几个内部因素相互作用, 如个性。在这里, 我们描述了一个行为协议, 旨在研究斑马鱼个性对其对多种外部环境线索的定向响应的影响, 特别是水流和磁场。该方案旨在了解当周围的磁场改变方向时, 主动或反应斑马鱼是否显示不同的流变力阈值 (即鱼开始向上游游动的流速)。为了识别具有相同个性的斑马鱼, 在一个与一个狭窄的开口相连到明亮的一半的鱼缸的黑暗半处引入了鱼。只有积极主动的鱼探索新颖、明亮的环境。反应性鱼不会离开水箱的黑暗部分。采用低流速游泳隧道确定流变阈值。我们描述了在地球磁场强度范围内控制隧道内磁场的两个设置: 一个是控制沿流动方向 (一维) 的磁场, 另一个是允许对磁场进行三轴控制。在不同磁场下, 鱼在经历隧道流速逐步增加的情况下拍摄。关于方向行为的数据通过视频跟踪程序收集, 并应用于逻辑模型, 以便确定流变阈值。我们报告从浅滩斑马鱼收集的代表性结果。具体而言, 这些情况表明, 只有反应性、谨慎的鱼在磁场方向变化时, 才会显示流变系统阈值的变化, 而主动的鱼不会对磁场的变化做出反应。该方法可应用于许多水生物种的磁敏和流变行为的研究, 包括单生或浅滩游泳策略。
Introduction
在本研究中, 我们描述了一种基于实验室的行为协议, 该协议的范围是研究鱼的个性对水流和磁场等外部方向线索的定向响应的作用。
动物的定向决定是由权衡各种感官信息的结果。决策过程受动物导航能力 (如选择和保持方向的能力)、其内部状态 (如喂养或生殖需求)、移动能力 (如运动生物力学) 和其他几个方面的影响。外部因素 (例如, 一天中的时间, 与具体情况的相互作用)1。
内在状态或动物个性在取向行为中的作用往往是鲜为人知或没有探索的 2。在社会水生物种的定位研究中, 还出现了其他挑战, 这些物种往往表现为协调和极化的群体运动行为3。
水流在鱼类的定向过程中起着关键作用。鱼类通过称为流变轴4的无条件响应定向到水流, 这种反应可以是正的 (即面向上游), 也可以是负的 (即下游方向的), 并用于若干活动, 从觅食到尽量减少精力充沛的开支5,6。此外, 越来越多的文献报道说, 许多鱼类使用地磁场进行定向和导航7、8、9.
对鱼的流变和游泳性能的研究通常是在流动室 (水槽) 中进行的, 在那里, 鱼接触到流动速度的逐步增加, 从低速到高速, 通常直到耗尽 (称为临界速度)10, 11个。另一方面, 以前的研究通过观察动物在静水 12、13 的竞技场上的游泳行为, 研究了磁场在定向中的作用。在这里, 我们描述了一种实验室技术, 使研究人员能够研究鱼的行为, 同时操纵水流和磁场。在我们之前的研究中, 首次将这种方法用于浅滩斑马鱼 (Danio rerio), 得出的结论是, 对周围磁场的操纵决定了流变阈值 (即在它把鱼放在上游.这种方法是基于使用一个缓慢流动的水槽室结合设置, 以控制在水槽中的磁场, 在地球的磁场强度范围内。
图 1概述了用于观察斑马鱼行为的游泳隧道。隧道 (由直径为7厘米、长度为15厘米的非反射丙烯酸圆筒组成) 连接到控制流量14的设置上。在此设置中, 隧道中的流量范围在0到9之间。
为了操纵游泳隧道中的磁场, 我们使用两种方法: 第一种是一维的, 第二种是三维的。对于任何应用, 这些方法都可以操纵地磁场, 以获得规定体积的水中的特定磁场条件--因此, 本研究中报告的磁场强度值包括地磁场。
关于一维方法15, 磁场是沿着水流方向 (定义为 x 轴) 操作的, 使用环绕在游泳隧道周围的螺长管。这连接到一个动力装置, 并产生均匀的静态磁场 (图 2a)。同样, 在三维接近的情况下, 含有游泳隧道的体积中的地磁场也使用电线线圈进行了修改。然而, 为了在三维空间中控制磁场, 线圈设计了三个正交赫尔姆霍兹对 (图 2b)。每个 Helmholtz 对由两个沿三个正交空间方向 (x、 y和z) 定向的圆形线圈组成, 并配备了在闭环条件下工作的三轴磁强计。磁强计的工作领域强度与地球的自然场相当, 它位于接近的几何中心的线圈集 (游泳隧道的位置)。
我们实施上述技术来检验这样的假设, 即组成浅滩的鱼的个性特征会影响它们对磁场16 的反应。我们测试的假设是, 具有主动和反应人格的17,18 人在暴露于水流和磁场时的反应不同。为了验证这一点, 我们首先使用既定的方法对斑马鱼进行排序, 以分配和分组主动或反应性的17、19、20、21个人.然后, 我们评估斑马鱼游泳的流变行为, 在浅滩游泳只由反应性个体或由只有主动的个人在磁水槽槽, 我们提出作为样本数据。
排序方法是基于主动和反应性个体探索新环境的不同倾向21。具体而言, 我们使用的坦克分为明亮和黑暗面17,19, 20,21 (图 3)。动物适应了黑暗面。当进入光明的一面是开放的, 主动的个人往往会迅速离开黑暗的一半的坦克, 探索新的环境, 而反应性的鱼不会离开黑暗的坦克。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
以下议定书已得到意大利那不勒斯第二大学动物护理和使用机构委员会的批准 (2015年)。
1. 动物饲养
- 使用至少200升的坦克, 在每个坦克中举办至少50名男女人员的浅滩。
请注意:鱼缸中的鱼的密度必须是每2升或更低的一只动物。在这种情况下, 斑马鱼将表现出正常的浅滩行为。 - 设置维护条件如下: 温度在 27–28°c;电导率在 & lt;500 μS;pH 值 6.5–7.5;3号 & lt;0.25 mg/L;和光: 黑暗的光周期在10h:14h。
请注意:混合人口和分离的主动和反应人口都必须使用相同的持有条件。
2. 斑马鱼的人格选择
- 用与维修罐相同的水准备个性选择罐 (图 3) 并将其放置在安静的房间中。
- 将摄像机放置在水箱上方或侧面。将相机连接到计算机, 其显示器位于与坦克没有视觉接触的区域。
- 从维修槽中随机选择9条鱼, 并使用无结网将其转移到个性选择槽的黑暗面。
请注意:尽量将与鱼缸和鱼的相互作用限制在尽可能短的时间内。避免噪音和快速移动。如有必要, 用储罐中的水将动物转移到小体积运输罐 (约2升) 中。为了避免动物暴露在空气中, 使用250毫升的烧杯, 轻轻诱导动物进入烧杯。尽量减少捕获时间, 避免收集多个鱼, 因为它可能会对动物造成物理损害, 不要在网中持有超过几秒钟的鱼, 因为这些因素可能会增加压力。在转移到实验槽之前, 必须将鱼作为脂肪状鱼。这限制了在下面的实验22中, 不同的食物寻求行为倾向会影响个体行为的可能性。在一天中的同一时间进行复制实验。这最大限度地减少了实验组的行为的变异性所造成的可能的生理节律23。 - 适应1小时后, 打开滑动门。
请注意:从洞中出来, 在10分钟内探索坦克明亮一面的个人, 被认为是主动的 21。 - 10分钟后, 轻轻地将主动的个人从储罐中取出, 并将其转移到主动维护罐。
- 15分钟后, 收集留在黑暗盒子中的鱼, 被认为是反应性的 21, 并将其转移到反应性维护槽。
请注意:在 10分钟21分后丢弃移动到水箱明亮一侧的鱼。一次用9条鱼进行个性测试, 直到收集到第5节所述测试所需的主动和反应鱼的数量。可以使用相同的方法定期检查主动和被动人格的一致性。
3. 使用一维磁场操作设置磁场27
- 打开电源设备 (图 2a)。
- 将盘绕隧道放置在执行流变协议的位置 (第5节), 但将其与游泳设备断开连接 (图 2 a)。将与高斯/tesl温特连接的磁探头放置在隧道内, 并验证需要哪种电压才能获得沿隧道主轴选择的磁场值。
请注意:由于电磁阀的磁性能, 隧道内的磁场相当均匀;这可以通过缓慢地水平和垂直移动探头来检查。 - 断开探头的连接, 并将流动隧道连接到游泳装置。
- 从流变协议开始 (第5节)。
4. 使用三维磁场操作设置磁场27
- 打开 CPU、DAC 和线圈驱动程序 (图 2b)。
- 在三个轴 (x、y 和 z) 中的每一个上设置选定的磁场。
- 将隧道放置在赫尔姆霍兹对集合的中心。
- 从流变协议开始 (第5节)。
5. 流动室斑马鱼流变的试验
- 使用两侧和底部遮挡的2升鱼缸将一到5条鱼转移到流动隧道。
- 打开泵, 将隧道中的流速设置为 1.7 cm2。
请注意:这种缓慢流动的水将使隧道中的水保持氧气, 并将促进动物的恢复。 - 让动物适应游泳隧道1小时。
- 开始对隧道中鱼类的行为进行视频记录。
请注意:我们使用了带有遥控器 (例如蓝牙) 的摄像机 (例如, Yi 4K action), 并将视频保存为. mpg (30 帧)。 - 根据所选择的实验方案 (本研究中的 1.3 mm;图 4)。
请注意:对于这个协议, 我们使用了低流速, 对于斑马鱼来说, 流量从0到 2.8 BL (体长)/不等。这些流速在较低的流速范围内, 诱导斑马鱼连续定向游泳 (占临界游泳速度的 3%-15% [Ucrit])24。使用低流量 (遵循布雷特的协议25) 与该物种在水流存在的情况下的具体行为特征有关。斑马鱼倾向于沿着房间的主轴游泳, 即使在水流的情况下也会频繁转弯, 并倾向于上游和下游 24,26。这种行为受到水流率的影响, 在相对较高的速度 (& gt;8 bls)26时, 当动物不断向上游游泳 (完全正的流变反应)。垂直和横向位移是非常罕见的。 -
对动物的形态测量 (性别和总长度 [TL]、叉长 [FL] 或 BL) 在形态测量室中的鱼的图片。
- 选择适当的图片。
- 在 ImageJ 中打开图片。
- 注意动物的性别 (雄性斑马鱼细长, 往往是黄色的, 而雌性则比较圆润, 往往有蓝色和白色的颜色)。
- 单击"分析 ≫ 设置比例", 并使用隧道的整个水平长度作为参考, 将图像的比例设置为厘米。
- 单击"分析 ≫ 测量" 并记录动物的线性长度。
- 计算它的体重 (BW)。
请注意:BW 是根据以前在实验室中建立的性 Fl-bw 关系或元数据计算的。整个过程避免了对动物的操纵压力。
6. 视频跟踪
- 使用跟踪器4.84 视频分析和建模工具打开视频文件。
请注意:如有必要, 请使用透视和径向失真滤波器纠正任何视频失真。 - 单击上面菜单中的坐标系, 并将长度单位设置为厘米, 将时间单位设置为秒。
- 单击"文件 ≫ 导入>视频",然后打开 "跟踪器 4.84" 中的视频之一。
- 单击 "坐标轴" 并设置参考系统, 以跟踪鱼的位置随着时间的推移, 与 x 轴沿隧道。将原点设置在下游结束墙的低角 (在出水口)。
- 点击"跟踪 > 新>质量点, 并开始一次跟踪一条鱼。跟踪鱼在每个流速下花费的每个步骤的最后5分钟。
- 在五帧间隔 (0.5秒) 手动推进视频, 并在每个上下游转弯处 (UDt;图 5中的红点) 和每个下游上游转弯处 (dut;图 5中的蓝点) 标记动物的时间和位置。
请注意:使用鱼眼的位置作为参考的鱼的位置。使用点质量跟踪动物的位置。排除在跟踪任何期间的非定向游泳 (即机动时间)。 - 在每个跟踪会话的末尾, 从软件窗口右下角的表中选择 x 值和时间值。右键单击数据, 然后单击 "将数据 > 完全精度"。
- 保存模板电子表格文件上所有车削位置的时间值和 x 值, 以计算整个上游时间 (UDts 和 DUts 之间所有间隔的总和) 和整个下游时间 (DUts 和 UDt 之间间隔的总和), 以及这些值的流变指数 (按百分比计算) (RI%)每个流程步骤 (参见图 5)。
请注意:流变学行为是量化的总定向时间的比例, 鱼花面对上游 (游泳或很少冻结 [即, 他们仍然停留在隧道底部]27).此比例定义为 RI% (图 5)。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
作为样本数据, 我们提供的结果是, 使用图 2 a 所示的设置 (见协议第3节),控制主动和反应性浅滩16上水流方向的磁场。这些结果表明, 所描述的协议如何能够突出不同性格的鱼类在对磁场反应上的差异。这些试验的总体概念取决于这样的发现, 即磁场相对于水流的方向会影响浅滩斑马鱼14的流变阈值。因此, 由于磁场的变化调节了流变, 该协议可用于评估斑马鱼对磁场的响应是否因其主动或被动的个性28而不同。
首先, 使用图 3所示的暗色/明亮的储罐, 斑马鱼根据其触觉/反应性人格被分成不同的组。在这样的测试之后, 对五只具有相同个性的鱼的浅滩进行了测试 (图 1和图 2a)。共测试了20条鱼: 2个浅滩, 分别由5条反应鱼 (10条反应鱼) 和2个浅滩 (每条主动鱼组成)。
在隧道游泳时, 一次录制一个浅滩, 水流加速, 流量逐步增加, 如图 4所示。这些鱼在隧道里被允许在1小时内适应。之后, 我们应用该协议对流变行为进行量化, 根据经典的 Brett 协议25逐步增加流量。具体而言, 流量每10分钟增加 0.4 bls, 总共连续7个步骤 (图 4)。斑马鱼的行为记录在隧道运行的整个过程 (70分钟), 并计算了每个步骤的 RI 值 (见协议步骤 6.8)。
在游泳隧道运行过程中, 磁场被设置在以下两个条件之一: 以下两个条件之一: 以下两个条件之一: 下游 50Μt (即磁场的水平分量 [沿 x 轴] 具有相同的水流方向) 和50μt 上游 (即,磁场的水平组分有一个相反方向相对于水流) 16沿 y 轴和 z 的强度不受影响, 磁场矢量的总强度和倾斜度也不受影响。每条五条鱼的浅滩只接触到两种磁条件中的一种。例如, 考虑到主动鱼, 一个主动浅滩的磁场被定向到下游, 另一个主动浅滩的磁场被定向到上游。
然后使用视频跟踪软件 (协议第6节) 对视频进行分析。在游泳隧道的整个跑步过程中, 对这些鱼进行了录像。但是, 只跟踪了每10分钟逐步增加流量的最后 5分钟 (图 4)。在跟踪时间内, 每条鱼在每个流速下的转弯率都突出显示 (图 5, 红色和蓝色数据点)。然后将这些信息用作计算每条鱼的 RI 和每个流速的参考 (图 5)。RI 索引的范围介于0% 和100% 之间。当低于50% 时, RI 指数表示鱼呈负流变 (下游游泳流行率);当 RI 高于50% 时, 表明该动物有正的流变反应 (上游游泳流行率)。与50% 没有显著差异的 ri 表示没有流变反应。然后在每个流速下平均了浅滩上所有5条鱼的 RI% 值。这些平均数据经过 arcsine 转换, 用于拟合图6A中显示的曲线。因此, 当水速增加时, 流变指数会呈上升, 从而可以用简单的数学方法对流变轴进行量化。RI 与流量之间的关系可以与下面的逻辑 sigmo到al 模型相拟。
从拟合曲线中可以得到三个参数及其变异性。RI高原测量动物在实验中使用的流量范围内向上游定位的最大趋势。RI底部是在没有水流的情况下的 ri 值, 假设不应与50% 不同。Rtr是曲线最大斜率发生的流量, 可作为流变阈值6的度量。
结果表明, 斑马鱼的流变阈值 (Rtr) 很低, 在每秒几厘米的范围内。磁场的变化不影响主动鱼的 Rtr (磁场无影响, t-试验, p > 0.05)。相反, 磁场的变化对反应斑马鱼的流变特性有明显的影响。当沿着游泳隧道的磁场分量被定向到下游时, Rtr很低, 类似于主动鱼。当磁场定向上游时, 阈值明显高于 (t-试验, p < 0.01)。
磁场向上游定向时, 反应动物的 RI高原值明显较低 (t-试验, p < 0.01)。结果表明, 在这些条件下, 反应鱼将达到完全正的流变反应 (RI = 100%)只有在非常高的流速下。因此, 这一结果突出表明, 与 Rtr相比, ri高原提供的有关鱼类游泳行为的信息较少。事实上, 基于两个磁条件在反应 ri 高原上的巨大差异, 我们可以说, 在向上向中心的磁场下, 反应性动物很可能会在较高的水中表现出充分的流变响应流。
在主动动物和暴露在向下游磁场中的反应性动物中, ri 底部值往往高于 50% (尽管不是很明显)。这可能表明协议中存在偏差, 因为具有极低阈值特征的动物可能会记住适应过程中经历的流动方向。可以设计一个适当的协议来检验这种可能性。
图 1:本研究中使用的游泳隧道装置的简化表示.请点击这里查看此图的较大版本.
图 2:磁场控制的设置.(a) 用螺长线渲染游泳隧道, 以感应隧道内的静态水平磁场。电磁阀 (0.83 转/厘米) 连接到动力装置, 并产生±250μt 范围内的场 (强度范围包括地球磁场范围)。在右侧, 显示连接到游泳装置的电磁阀隧道的照片。隧道由丙烯酸制成, 在进水口放置了两个穿孔的丙烯酸板, 保证了水流靠近层流。(b) 为控制地磁强度范围内的磁场而设置的三个正交赫尔姆霍兹对的图表和照片。还显示了磁场探头、CPU、数字到模拟转换器以及用于关闭环路的线圈驱动器。每一对线圈由两个圆线圈组成, 半径 (r) 为30厘米, n = 50 转的 gq 14 铜线。一个三轴磁强计 (传感器), 可选择的刻度 (±88μt 至±810μt) 被放置在线圈集的中心附近。传感器范围设置为±130μt 的值。这些值还用于代表性结果中描述的测量 (在这些条件下, 标称传感器分辨率约为 0.1Μt)。利用数字反馈系统控制磁场的强度和方向。传感器测量磁场矢量 (三个轴) 的三个分量, 提取相应的误差信号。然后, 通过一个简单的积分器滤波器生成校正信号。数字校正信号由数到模转换器转换为电压, 并由合适的线圈驱动器放大。这些最后的信号被用来驱动赫尔姆霍兹对。采样频率固定为 5 Hz, 环路的统一增益频率约为 0.16 Hz。一旦设置了线圈的 Helmholtz 对中的电流, 总磁场的变化将小于其在线圈的中心立方体积 (边缘 [L] = 10 cm) 中的平均强度值的2%。在测量过程中, 磁场 rms 小于0.2μt。在两个设置 (面板a和b) 中, 静电场都是由产生磁场16的线圈中的电流产生的.当施加最大电流时, 电场的强度约为 0.4 V/m;与环境中存在的自然或人工静态场相比, 这个值可以忽略不计, 环境的强度约为 1 kV/m.请点击这里查看此图的较大版本.
图 3:rey 等人说, 用于主动与反应斑马鱼个人分离的坦克的原理图表示 (40 厘米 x40 厘米 x40 厘米) (不在规模上).个性选择罐的体积为 50 L. 一半的储罐被一个直径为5厘米的黑暗盒子占据, 盒子的一侧面对着坦克明亮的一半。这个洞被一个滑门覆盖 (没有显示), 滑门的开口在选择试验的开始时签署了一个字。坦克的黑暗面需要一个可移动的盖子, 以允许进入手网。这有助于在行为试验之前和之后放置或捕鱼。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4:测试期间用于确定斑马鱼流变阈值的流量示意图.在1小时的适应期内, 流量足以保证动物有足够的氧气供应。可以假定, 有了这种设计, 氧气供应从来都不是极限, 即使在流量0的前 1 0分钟步。事实上, 在27°c 时, 水的含氧量约为 7.9 mgl, 动物耗氧量为 1 mg. g (在常规条件下 [Uliano 等人] 和低速游泳时, 斑马鱼耗氧量的超限近似值 [uliano 等人] [palstra et),可以计算出, 在没有流量的情况下, 水槽中的 po2不会超过每只动物 2%, 仍然远远高于临界po 2 (斑马鱼约 40 torr)。这一数字已从 Cresci 等人14个月来修改。请点击这里查看此图的较大版本.
图 5:隧道内的动物行为和 ri 的计算.这些图以三个流量值的速度显示了单个动物沿 x 轴的位置。红点代表下游到上游的转弯, 从上游到下游转弯的蓝点。还报告了动物下游或上游花费的相应时间间隔, 并报告了上游和下游的总时间, 从中可以计算 RI 值。可以看出, 在增加流量时, 上游时间和 RI 值都会增加。请点击这里查看此图的较大版本.
图 6:代表性的结果.(a) 在两个磁场条件下, 在两个磁场条件下, 弧形转化的 ri 值 (ri 是鱼面向上游总时间的百分比) 与主动和反应性浅滩斑马鱼的流速之间的关系速率方向 (一维控制)。每个数据点是组成浅滩的五条鱼在每个流速下的 RI 值的平均值。通过平方点 f检验 (alpha = 0.05)14测试曲线之间的显著差异。(b) 隧道内的磁场轴和水流方向。还给出了本研究中使用的两个磁场条件下磁矢量的三维表示。实验室磁场 (40°N, 14°E) 为: F = 62μt;i = 64°;D = 44°。这一数字已从 Cresci 等人等人的第16份中修改。请点击这里查看此图的较大版本.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
本研究中描述的协议使科学家能够量化水生物种的复杂方向反应, 这是由两个外部线索 (水流和地磁场) 和动物的一个内部因素 (如人格。总的概念是创造一个实验设计, 允许科学家分离不同个性的个体, 调查他们的定位行为, 同时单独或同时控制外部环境线索。
本研究中描述的协议, 连同流变指数 (RI) 的数学定义, 是在初步观察了斑马鱼在游泳隧道中的行为后设计的。当放置在隧道中时, 这些动物会表现出两种行为模式, 无论是在没有或存在水流的情况下: 定向游泳和机动。他们花了大部分的定向时间 (通常, 鱼被录像超过95% 的时间) 沿着隧道游泳 (即, 沿长轴定向, 角度小于45°), 来回, 在靠近端壁和经常什的地方转弯由于这个轴 (即靠近隧道墙壁的游泳)27。
这个协议要想成功, 重要的是谁做的实验要注意动物的压力。鱼的运输之间的实验设置必须小心执行。手网的使用应该尽可能快, 在实际实验前的一些训练是强烈推荐的, 因为斑马鱼是快速游泳的, 很难在坦克中捕捉。压力会极大地影响这些动物的行为, 在斑马鱼的情况下, 它可以显著改变它们的游泳行为.这可能会影响结果, 因为鱼可能表现出过度活跃的行为, 对水流和磁场变化的敏感性较低。在实验设置中与动物的接触应尽可能快速和简短。行为分析需要远程观察, 这也需要实践。此外, 重要的是要盲目地分析视频 (即, 不知道协议和治疗)。
利用游泳隧道5、10、11、31研究了许多鱼类的流变学行为。许多以前的研究集中在估计的游泳速度, 鱼可以维持, 直到精疲力竭, 这被定义为 u,主要是测试生理和生态假设11, 32,33. 本研究中描述的方法则侧重于低流速下的流动行为。之所以做出这一选择, 是因为本研究的目的是通过观察已知和稳健的鱼定向行为, 即正流变性, 评估对像磁场这样的细微和弱提示的敏感性。在这里报道的代表性结果中, 斑马鱼的流变度阈值非常低 (每秒只有几厘米)。这一观测在生态上可能与这一物种有关, 该物种居住在水流速度可能发生重大差异的环境中。斑马鱼生活在动荡的河流34和水体中, 那里的水移动缓慢, 如稻田, 池塘和洪泛区35。当水移动缓慢时, 在低流速 (低流变阈值) 下探测和定位的能力可能是有利的, 因为流变响应增加了拦截向下漂流猎物的机会 36, 并提供定向刺激迁移37。
这些观测结果不能使用比率高的流量进行。这些会引起强烈的运动反应, 这将更多地取决于动物的身体条件和高水平的游泳表现, 而不是像磁场这样的外部暗示。这里介绍的协议适用于斑马鱼, 但它很可能适用于居住在流动水环境中并可在实验室条件下处理的任何淡水或海洋物种。
但是, 此协议存在一些限制。虽然它清楚地突出了一个物种是对磁场敏感还是不敏感, 但它不能揭示动物利用磁场做出运动决定的方向机制。为了研究水生物种的磁定向机制, 常用的是具有圆形竞技场和静水的设置 7, 38,39或迷宫13.然而, 鱼类 (和一般的水生动物) 并不生活在没有水流的环境中, 所提出的方法是首次尝试研究对无处不在的方向线索 (如水流和磁力) 的综合行为反应领域。此协议的另一个限制是手动视频跟踪过程。将这一设置与自动跟踪软件集成将改进整个数据分析过程的时间安排。
本文提出的实验方案是第一个研究动物个性对磁灵敏度和流变的影响的方案。这一话题在文献中被忽略, 需要进一步探讨。来自同一物种的个人, 甚至是在种群或小群体 (如鱼群) 内的个体, 其特征不同, 个性特征为 22,40, 这可能是研究迁徙、探索性、导航和方向行为。并不是所有的个体都以同样的方式整合环境线索。因此, 考虑到个性等内部因素, 可以帮助减少运动生态学研究中常见的数据变异性.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项研究得到了那不勒斯大学费德里科二世物理系基础研究创立和生物系的支持。作者感谢 Cl何迪亚·安杰利尼博士 (意大利国家应用微积分研究所) 的统计支持。作者感谢 Martina Scanu 和 Silvia Frassinet 在收集数据方面提供的技术帮助, 并感谢部门技术人员 F. Cassese、G. Passeggio 和 r. rocco 在设计和实现实验设置方面提供的娴熟帮助。我们感谢劳拉·根蒂勒在视频拍摄期间帮助进行了实验。我们感谢迈阿密大学的戴安娜·罗斯·乌德尔拍摄了亚历桑德罗·克雷斯基的采访声明。
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 |
References
- 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).
- 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).
- Miller, N., Gerlai, R. From Schooling to Shoaling: Patterns of Collective Motion in Zebrafish (Danio rerio). PLoS ONE. 7 (11), 8-13 (2012).
- Chapman, J. W., et al. Animal orientation strategies for movement in flows. Current Biology. 21 (20), R861-R870 (2011).
- Montgomery, J. C., Baker, C. F., Carton, A. G. The lateral line can mediate rheotaxis in fish. Nature. 389 (6654), 960-963 (1997).
- 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).
- Putman, N. F., et al. An Inherited Magnetic Map Guides Ocean Navigation in Juvenile Pacific Salmon. Current Biology. 24 (4), 446-450 (2014).
- Cresci, A., et al. Glass eels (Anguilla anguilla) have a magnetic compass linked to the tidal cycle. Science Advances. 3 (6), 1-9 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Takebe, A., et al. Zebrafish respond to the geomagnetic field by bimodal and group-dependent orientation. Scientific Reports. 2, 727 (2012).
- 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).
- 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).
- Tesch, F. W. Influence of geomagnetism and salinity on the directional choice of eels. Helgoländer Wissenschaftliche Meeresuntersuchungen. 26 (3-4), 382-395 (1974).
- Cresci, A., et al. Zebrafish “personality” influences sensitivity to magnetic fields. Acta Ethologica. , 1-7 (2018).
- 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).
- 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).
- Koolhaas, J. M. Coping style and immunity in animals: Making sense of individual variation. Brain, Behavior, and Immunity. 22 (5), 662-667 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Boujard, T., Leatherland, J. F. Circadian rhythms and feeding time in fishes. Environmental Biology of Fishes. 35 (2), 109-131 (1992).
- 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).
- Tierney, P., Farmer, S. M. Creative Self-Efficacy Development and Creative Performance Over Time. Journal of Applied Psychology. 96 (2), 277-293 (2011).
- Plaut, I., Gordon, M. S. swimming metabolism of wild-type and cloned zebrafish brachydanio rerio. Journal of Experimental Biology. 194 (1), (1994).
- Kalueff, A. V., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Spence, R., Gerlach, G., Lawrence, C., Smith, C. The behaviour and ecology of the zebrafish, Danio rerio. Biological Reviews. 83 (1), 13-34 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Boles, L. C., Lohmann, K. J. True navigation and magnetic maps in spiny lobsters. Nature. 421 (6918), 60-63 (2003).
- 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).
