Bedömning av påverkan av personlighet på känslighet för magnetfält i Zebrafiskar
Summary
Vi beskriver en beteendevetenskaplig protokoll utformat för att bedöma hur zebrafiskars personligheter påverka deras svar att vatten strömmar och svaga magnetfält. Fiskar med samma personligheter avgränsas utifrån deras utforskande beteende. Sedan observeras sin rheotactic orientering beteende i en simning tunnel med en låg flödeshastighet och under olika magnetiska förhållanden.
Abstract
För att orientera sig i sin miljö, integrera djur en rad olika externa ledtrådar, som interagerar med flera interna faktorer, såsom personlighet. Här beskriver vi ett beteende protokoll utformat för att studera Zebrafiskar personlighet påverkar deras orientering svar till flera externa miljö ledtrådar, särskilt vattenströmmar och magnetiska fält. Detta protokoll syftar till att förstå huruvida proaktiv eller reaktiva Zebrafiskar Visa olika rheotactic tröskelvärden (dvs. flödet hastighet då fisken börjar simning uppströms) när omgivande magnetfältet ändrar dess riktning. För att identifiera Zebrafiskar med samma personlighet, införs fisk i det mörka halvåret en tank ansluten med en smal öppning till ljusa hälften. Endast aktiv fisk utforska roman, ljus miljö. Reaktiva fisk avsluta inte den mörka halvan av tanken. En simning tunnel med låga flöden används för att bestämma rheotactic tröskelvärdet. Vi beskriver två sätt att styra det magnetiska fältet i tunneln, i spänna av jordens magnetfält intensitet: en som styr det magnetiska fältet längs flödesriktningen (en dimension) och en som gör en tre-axial kontroll av magnetfältet. Fisk är filmade samtidigt upplever en stegvis ökning av flödet hastighet i tunneln under olika magnetiska fält. Uppgifterna på beteendet orientering insamlas genom ett förfarande för video-tracking och tillämpas på en logistisk modell att möjliggöra fastställandet av tröskeln för rheotactic. Vi rapportera representativa resultat samlas in från stimlevande Zebrafiskar. Specifikt visar dessa att bara reaktivt, försiktig fisk visar variationer av tröskeln för rheotactic när magnetfältet varierar i dess riktning, medan proaktiv fisk inte svarar på magnetfält förändringar. Denna metod kan tillämpas på studiet av magnetiska känslighet och rheotactic beteendet hos många vattenlevande arter, både förevisande ensamma eller stimlevande simning strategier.
Introduction
I föreliggande studie beskriver vi ett lab-baserad beteendemässiga protokoll som har omfattningen av undersöker rollen av fisk personlighet om orientering svar stimlevande fiskar till extern orientering ledtrådar, såsom vattenströmmar och magnetfält.
Djur orientering beslut följd väger olika sensorisk information. Beslutsprocessen är influerad av djurets förmåga att navigera (t.ex. kapaciteten att välja och hålla en riktning), dess inre tillstånd (t.ex. utfodring eller reproduktiva behov), dess förmåga att flytta (t.ex. locomotion biomekanik), och flera ytterligare yttre faktorer (t.ex., tid på dagen, interaktion med artfränder)1.
Rollen av inre tillstånd eller djurs personlighet i orientering beteende är ofta bristfällig eller utforskat inte2. I studien av orienteringen av sociala vattenlevande arter, som ofta utför samordnade och polariserade grupp rörelse beteende3uppstår ytterligare utmaningar.
Vattenströmmar har en central roll i processen orientering av fisk. Fisk orientera vatten strömmar genom ett obetingat svar kallas rheotaxis4, som kan vara positiv (dvs, uppströms orienterat) eller negativ (dvs nedströms orienterat) och används för flera aktiviteter, alltifrån födosök till minimering av energisk utgifter5,6. Dessutom rapporterar en växande mängd litteratur att många fiskarter använder det jordmagnetiska fältet för orientering och navigering7,8,9.
Studien av rheotaxis och simning prestanda i fisken utförs vanligen i flödet chambers (flume), där fisken exponeras för en stegvis ökning av flödet hastighet, från låga till höga hastigheter, ofta tills utmattning (kallas kritisk hastighet)10, 11. Däremot, undersökt tidigare studier rollen av magnetfältet i orientering genom observation av beteendet simning djuren i arenor med stilla vatten12,13. Här beskriver vi ett laboratorium-teknik som tillåter forskare att studera beteendet hos fisk medan manipulera både vattenströmmar och magnetfältet. Denna metod användes för första gången på stimlevande Zebrafiskar (Danio rerio) i vår tidigare studie, leder till slutsatsen att manipulering av omgivande magnetfältet avgör rheotactic tröskeln (dvs minimal vatten hastigheten på som stimlevande fiskar orient uppströms)14. Denna metod är baserad på användningen av en vattenränna kammare med långsam flöden kombinerat med en setup konstruerad för att styra magnetfältet i vattenrännan, inom spänna av jordens magnetfält intensitet.
Simning tunneln används för att observera beteendet hos Zebrafiskar beskrivs i figur 1. Tunneln (gjord av en nonreflecting akryl cylinder med en 7 cm i diameter och 15 cm i längd) är ansluten till en setup för kontroll av flödet klassar14. Med denna inställning varierar flöden i tunneln mellan 0 och 9 cm/s.
För att manipulera det magnetiska fältet i simning tunneln, använder vi två metoder: först är endimensionell och andra är tredimensionell. För alla program, dessa metoder manipulera det jordmagnetiska fältet för att få specifika magnetiska villkor i en definierad volym av vatten — således alla värden av magnetfält intensitet rapporterades i denna studie omfattar det jordmagnetiska fältet.
När det gäller den endimensionella förhållningssätt15, magnetfältet är manipulerad längs vatten flödesriktning (definierat som x-axeln) med hjälp av en magnetventil som lindade runt simning tunneln. Detta är ansluten till en kraftenhet, och det genererar enhetliga statiska magnetfält (figur 2A). Likaså när det gäller den tredimensionella metoden ändras det jordmagnetiska fältet i volymen som innehåller simning tunneln med spolar av elektriska ledningar. Men för att styra magnetfältet i tre dimensioner, har spolarna utformningen av tre ortogonala Helmholtz par (figur 2B). Varje Helmholtz par är sammansatt av två cirkulära spolar orienterade längs de tre ortogonala utrymme riktningarna (x, yoch z) och utrustad med en tre-axial magnetometer som arbetar i slutna förhållanden. Magnetometer fungerar med fält intensitet jämförbar med jordens naturliga fältet, och det ligger nära geometriska mittpunkt rullar uppsättningen (där simning tunneln ligger).
Vi genomföra de tekniker som beskrivs ovan för att testa hypotesen att personlighetsdrag hos fisken komponera ett stim påverkar hur de svarar på magnetiska fält16. Vi testar hypotesen att individer med proaktiv och reaktiv personlighet17,18 reagerar olika när de utsätts för vatten rinner och magnetiska fält. För att testa detta, sortera vi först Zebrafiskar använder en etablerad metodik att tilldela och grupp individer som är proaktiv eller reaktiva17,19,20,21. Sedan utvärderar vi rheotactic beteendet hos Zebrafiskar som simmar i stim som består av bara reaktiva individer eller består av endast proaktiv individer i magnetiska flume tanken, som vi presenterar som exempeldata.
Sorteringsmetod är baserad på proaktiv och reaktiv individerna olika tendens att utforska nya miljöer21. Specifikt kan vi använda en tank som uppdelad i en ljus och en mörk sida17,19,20,21 (figur 3). Vänjas till den mörka sidan. När tillträde till den ljusa sidan är öppen, proaktiv tenderar individer att snabbt avsluta den mörka halvan av tanken att utforska den nya miljön, medan reaktiva fisken inte lämna mörka tanken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollet beskrivs i denna studie tillåter forskare att kvantifiera av vattenlevande arter följd av integrationen mellan två externa cues (vatten nuvarande och geomagnetiska fält) och en inre faktor av djuret, som svar på komplexa orientering personligheten. Det övergripande konceptet är att skapa en experimentell design som tillåter forskare att separata individer av olika personlighet och undersöka deras orientering beteende samtidigt kontrollera separat eller samtidigt yttre miljö ledtrådar.
<p class=…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Studien har finansierats av grundläggande forskning grundandet av departementet fysik och biologi institutionen av Neapel universitetet Federico II. Författarna tackar Dr. Claudia Angelini (Institutet för tillämpad kalkyl, Consiglio Nazionale delle Ricerche [CNR], Italien) för statistiska stödet. Författarna tackar Martina Scanu och Silvia Frassinet för teknisk hjälp med att samla in data och avdelnings teknikerna F. Cassese, G. Passeggio och R. Rocco för deras skickliga hjälp i utformningen och förverkligandet av den experimentella setup. Vi tackar Laura Gentile för att hjälpa genomför experimentet under video inspelningen. Vi tackar Diana Rose Udel från University of Miami för skytte intervju uttalanden av Alessandro Cresci.
Materials
| 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).
