Name: 自動3D追跡システムを使用して、成魚のゼブラフィッシュの個体群と群れを記録 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-05T16:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 3 s
Description: 学ぶ自動3D追跡システムを使用して、ゼブラフィッシュの個体と群れの運動パターンを解析する方法。屈折補正と高度なアルゴリズムにより、薬剤や遺伝子変異による行動変化を正確に検出できます。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

著者には謝辞がありません。

<ol><li>Brennan, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Zebrafish+behavioural+assays+of+translational+relevance+for+the+study+of+psychiatric+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Zebrafish behavioural assays of translational relevance for the study of psychiatric disease.</a> Rev. Neurosci. 22, 37-48 (2011).</li>
<li>Kabashi, E., Brustein, E., Champagne, N., Drapeau, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Zebrafish+models+for+the+functional+genomics+of+neurogenetic+disorders%5BTitle%5D)+AND+%22Biochim.+Biophys.+Acta%22%5BJournal%5D)">Zebrafish models for the functional genomics of neurogenetic disorders.</a> Biochim. Biophys. Acta. 1812, 335-345 (2011).</li>
<li>McCollum, C. W., Ducharme, N. A., Bondesson, M., Gustafsson, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Developmental+toxicity+screening+in+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22Birth.+Defects.+Res.+C.+Embryo+Today%22%5BJournal%5D)">Developmental toxicity screening in zebrafish.</a> Birth. Defects. Res. C. Embryo Today. 93, 67-114 (2011).</li>
<li>Kurta, A., Palestis, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+ethanol+on+the+shoaling+behavior+of+zebrafish+%28Danio+rerio%29%5BTitle%5D)+AND+%22Dose-Response%22%5BJournal%5D)">Effects of ethanol on the shoaling behavior of zebrafish (Danio rerio).</a> Dose-Response. 8, 527-533 (2010).</li>
<li>Sison, M., Gerlai, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Behavioral+performance+altering+effects+of+MK-801+in+zebrafish+%28Danio+rerio%29%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Behavioral performance altering effects of MK-801 in zebrafish (Danio rerio).</a> Behav. Brain Res. 220, 331-337 (2011).</li>
<li>Delcourt, J., Denoël, M., Ylieff, M., Poncin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Video+multitracking+of+fish+behaviour%3A+a+synthesis+and+future+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Fish+Fish%22%5BJournal%5D)">Video multitracking of fish behaviour: a synthesis and future perspectives.</a> Fish Fish. 14, 186-204 (2013).</li>
<li>Zhu, L., Weng, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Catadioptric+stereo-vision+system+for+the+real-time+monitoring+of+3D+behavior+in+aquatic+animals%5BTitle%5D)+AND+%22Physiol.+Behav%22%5BJournal%5D)">Catadioptric stereo-vision system for the real-time monitoring of 3D behavior in aquatic animals.</a> Physiol. Behav. 91, 106-119 (2007).</li>
<li>System for 3D monitoring and analysis of motion behavior of targets. US patent. , 8306260 (2012).</li>
<li>Cachat, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+neurophenotyping+of+adult+zebrafish+behavior%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+ONE%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional neurophenotyping of adult zebrafish behavior.</a> PLoS ONE. 6, e17597(2011).</li>
<li>Maaswinkel, H., Zhu, L., Weng, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+immediate+and+the+delayed+effects+of+buspirone+on+zebrafish+%28Danio+rerio%29+in+an+open+field+test%3A+a+3-D+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">The immediate and the delayed effects of buspirone on zebrafish (Danio rerio) in an open field test: a 3-D approach.</a> Behav. Brain Res. 234, 365-374 (2012).</li>
<li>Maaswinkel, H., Le, X., He, L., Zhu, L., Weng, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dissociating+the+effects+of+habituation%2C+black+walls%2C+buspirone+and+ethanol+on+anxiety-like+behavioral+responses+in+shoaling+zebrafish.+A+3D+approach+to+social+behavior%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmacol.+Biochem.+Behav%22%5BJournal%5D)">Dissociating the effects of habituation, black walls, buspirone and ethanol on anxiety-like behavioral responses in shoaling zebrafish. A 3D approach to social behavior.</a> Pharmacol. Biochem. Behav. 108, 16-27 (2013).</li>
<li>Maaswinkel, H., Zhu, L., Weng, W. The advantages of a 3D-automatic recording system for the study of shoaling behavior in zebrafish. 10th International Conference Zebrafish Development and Genetics, Madison, , (2012).</li>
<li>Maaswinkel, H., Zhu, L., Weng, W. An automatic recording system to quantify antagonistic interactions between zebrafish. Abstract. 10th International Conference Zebrafish Development and Genetics, Madison, , (2012).</li>
<li>Spence, R., Gerlach, G., Lawrence, C., Smith, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+behaviour+and+ecology+of+the+zebrafish%2C+Danio+rerio%5BTitle%5D)+AND+%22Biol.+Rev.+Camb.+Phil.+Soc%22%5BJournal%5D)">The behaviour and ecology of the zebrafish, Danio rerio.</a> Biol. Rev. Camb. Phil. Soc. 83, 13-34 (2008).</li>
<li>Krause, J., Hartmann, N., Pritchard, V. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+influence+of+nutritional+state+on+shoal+choice+in+zebrafish%2C+Danio+rerio%5BTitle%5D)+AND+%22Anim.+Behav%22%5BJournal%5D)">The influence of nutritional state on shoal choice in zebrafish, Danio rerio.</a> Anim. Behav. 57, 771-775 (1999).</li>
<li>Speedie, N., Gerlai, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alarm+substance+induced+behavioral+responses+in+zebrafish+%28Danio+rerio%29%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Alarm substance induced behavioral responses in zebrafish (Danio rerio).</a> Behav. Brain Res. 188, 168-177 (2008).</li>
<li>Gebauer, D. L., Pagnussat, N., Piato, A. L., Schaeffer, I. C., Bonan, C. D., Lara, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+anxiolytics+in+zebrafish%3A+similarities+and+differences+between+benzodiazepines%2C+buspirone+and%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Effects of anxiolytics in zebrafish: similarities and differences between benzodiazepines, buspirone and.</a> 99, 480-486 (2011).</li>
<li>Paull, G. C., Filby, A. L., Giddins, H. G., Coe, T. S., Hamilton, P. B., Tyler, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dominance+hierarchies+in+zebrafish+%28Danio+rerio%29+and+their+relationship+with+reproductive+success%5BTitle%5D)+AND+%22Zebrafish%22%5BJournal%5D)">Dominance hierarchies in zebrafish (Danio rerio) and their relationship with reproductive success.</a> Zebrafish. 7, 109-117 (2010).</li>
<li>Engeszer, R. E., Ryan, M. J., Parichy, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Learned+social+preference+in+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Biol%22%5BJournal%5D)">Learned social preference in zebrafish.</a> Curr. Biol. 14, 881-884 (2004).</li>
<li>Mathur, P., Guo, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+zebrafish+as+a+model+to+understand+mechanisms+of+addiction+and+complex+neurobehavioral+phenotypes%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiol.+Dis%22%5BJournal%5D)">Use of zebrafish as a model to understand mechanisms of addiction and complex neurobehavioral phenotypes.</a> Neurobiol. Dis. 40, 66-72 (2010).</li>
<li>Tropepe, V., Sive, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Can+zebrafish+be+used+as+a+model+to+study+the+neurodevelopmental+causes+of+autism%5BTitle%5D)+AND+%22Genes+Brain+Behav%22%5BJournal%5D)">Can zebrafish be used as a model to study the neurodevelopmental causes of autism.</a> Genes Brain Behav. 2, 268-281 (2003).</li>
<li>Echevarria, D. J., Hammack, C. M., Pratt, D. W., Hosemann, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+behavioral+test+battery+to+assess+global+drug+effects+using+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Comp.+Psychol%22%5BJournal%5D)">A novel behavioral test battery to assess global drug effects using zebrafish.</a> Int. J. Comp. Psychol. 21, 19-34 (2008).</li>
<li>Seibt, K. J., Piato, A. L., Luz Oliveira, da, Capiotti, R., Vianna, K. M., R, M., Bonan, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Antipsychotic+drugs+reverse+MK-801+induced+cognitive+and+social+interaction+deficits+in+zebrafish+%28Danio+rerio%29%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain.+Res%22%5BJournal%5D)">Antipsychotic drugs reverse MK-801 induced cognitive and social interaction deficits in zebrafish (Danio rerio).</a> Behav. Brain. Res. 224, 135-139 (2011).</li>
<li>Zou, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low+dose+MK-801+reduces+social+investigation+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmacol.+Biochem.+Behav%22%5BJournal%5D)">Low dose MK-801 reduces social investigation in mice.</a> Pharmacol. Biochem. Behav. 90, 753-757 (2008).</li>
<li>Ng, M. C., Hsu, C. P., Wu, Y. J., Wu, S. Y., Yang, Y. L., Lu, K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+MK-801-induced+impairment+of+inhibitory+avoidance+learning+in+zebrafish+via+inactivation+of+extracellular+signal-regulated+kinase+%28ERK%29+in+telencephalon%5BTitle%5D)+AND+%22Fish+Physiol.+Biochem%22%5BJournal%5D)">Effect of MK-801-induced impairment of inhibitory avoidance learning in zebrafish via inactivation of extracellular signal-regulated kinase (ERK) in telencephalon.</a> Fish Physiol. Biochem. 38, 1099-1106 (2012).</li>
<li>Sison, M., Gerlai, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Associative+learning+performance+is+impaired+in+zebrafish+%28Danio+rerio%29+by+the+NMDA-R+antagonist+MK-801%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiol.+Learn.+Mem%22%5BJournal%5D)">Associative learning performance is impaired in zebrafish (Danio rerio) by the NMDA-R antagonist MK-801.</a> Neurobiol. Learn. Mem. 96, 230-237 (2011).</li>
<li>Swain, H. A., Sigstad, C., Scalzo, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+dizocilpine+%28MK-801%29+on+circling+behavior%2C+swimming+activity%2C+and+place+preference+in+zebrafish+%28Danio+rerio%29%5BTitle%5D)+AND+%22Neurotox.+Teratol%22%5BJournal%5D)">Effects of dizocilpine (MK-801) on circling behavior, swimming activity, and place preference in zebrafish (Danio rerio).</a> Neurotox. Teratol. 26, 725-729 (2004).</li>
<li>Vezzani, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetics+of+MK-801+and+its+effect+on+quinolinic+acid-induced+seizures+and+neurotoxicity+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Pharmacol.+Exp.+Ther%22%5BJournal%5D)">Kinetics of MK-801 and its effect on quinolinic acid-induced seizures and neurotoxicity in rats.</a> J. Pharmacol. Exp. Ther. 249, 278-283 (1989).</li>
<li>Green, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+high-throughput+neurophenotyping+of+zebrafish+social+behavior%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">Automated high-throughput neurophenotyping of zebrafish social behavior.</a> J. Neurosci. Methods. 210, 266-271 (2012).</li>
<li>Rung, J. P., Carlsson, A., Rydén Markinhuhta, K., Carlsson, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((+%28%2B%29-MK-801+induced+social+withdrawal+in+rats%3B+a+model+for+negative+symptoms+of+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22Prog.+Neuro-psychopharmacol.+Biol.+Psych%22%5BJournal%5D)"> (+)-MK-801 induced social withdrawal in rats; a model for negative symptoms of schizophrenia.</a> Prog. Neuro-psychopharmacol. Biol. Psych. 29, 827-832 (2005).</li>
<li>Gururajan, A., Taylor, D. A., Malone, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cannabidiol+and+clozapine+reverse+MK-801-induced+deficits+in+social+interaction+and+hyperactivity+in+Sprague-Dawley+rats%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Psychopharmacol%22%5BJournal%5D)">Cannabidiol and clozapine reverse MK-801-induced deficits in social interaction and hyperactivity in Sprague-Dawley rats.</a> J. Psychopharmacol. 226, 1317-1332 (2012).</li>
<li>Burket, J. A., Cannon, W. R., Jacome, L. F., Deutsch, S. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MK-801%2C+a+noncompetitive+NMDA+receptor+antagonist%2C+elicits+circling+behavior+in+the+genetically+inbred+Balb%2Fc+mouse+strain%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res.+Bull%22%5BJournal%5D)">MK-801, a noncompetitive NMDA receptor antagonist, elicits circling behavior in the genetically inbred Balb/c mouse strain.</a> Brain Res. Bull. 83, 337-339 (2010).</li>
<li>Saunders, J. A., Gandal, M. J., Roberts, T. P., Siegel, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NMDA+antagonist+MK801+recreates+auditory+electrophysiology+disruption+present+in+autism+and+other+neurodevelopmental+disorders%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">NMDA antagonist MK801 recreates auditory electrophysiology disruption present in autism and other neurodevelopmental disorders.</a> Behav. Brain Res. 234, 233-237 (2012).</li>
<li>Brosda, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pharmacological+and+parametrical+investigation+of+prepulse+inhibition+of+startle+and+prepulse+elicited+reactions+in+Wistar+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmacol.+Biochem.+Behav%22%5BJournal%5D)">Pharmacological and parametrical investigation of prepulse inhibition of startle and prepulse elicited reactions in Wistar rats.</a> Pharmacol. Biochem. Behav. 99, 22-28 (2011).</li>
<li>Wong, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analyzing+habituation+responses+to+novelty+in+zebrafish+%28Danio+rerio%29%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Analyzing habituation responses to novelty in zebrafish (Danio rerio).</a> Behav. Brain Res. 208, 450-457 (2010).</li>
<li>Maximino, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parametric+analyses+of+anxiety+in+zebrafish+scototaxis%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Parametric analyses of anxiety in zebrafish scototaxis.</a> Behav. Brain Res. 210, 1-7 (2010).</li>
<li>Blaser, R. E., Rosemberg, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measures+of+anxiety+in+zebrafish+%28Danio+rerio%29%3A+dissociation+of+black%2Fwhite+preference+and+novel+tank+test%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+One%22%5BJournal%5D)">Measures of anxiety in zebrafish (Danio rerio): dissociation of black/white preference and novel tank test.</a> PloS One. 7, e36931(2012).</li>
</ol>

Hans Maaswinkel、Liqun Zhu、Wei Weng は、この記事で使用する追跡システムを製造している xyZfish、Ronkonkoma NY の従業員です。

ここに示す実験手順では、個々のゼブラフィッシュ、ゼブラフィッシュのペア(例えば、 交尾や攻撃性を研究するため)、およびゼブラフィッシュの群れ(代表的な例に示すように)を記録することができます。このシステムは、3D(垂直方向と水平方向)の分布、運動学的特性(速度、加速度、旋回角など)、社会的パラメータ(社会的結束など )に関する情報を同時に取得するのに特に適しています。以下では、実験を計画する際に考慮すべき重要な問題をいくつか挙げます。
実験手順に応じて、さまざまな行動システムを研究できます。たとえば、ネオフォビア(つまり、新しい環境への恐怖)を調査するには、ゼブラフィッシュを観察水槽に導入した直後に(水が落ち着いてノイズを減少させるまで数秒間待った後)、事前の慣れなしに記録を開始する必要があります11,17,37。一方、一部の研究テーマでは、たとえばアラームフェロモンの効果を研究する場合など、ゼブラフィッシュが十分に慣れている必要がある場合があります16。ゼブラフィッシュのグループを研究する場合、実験者は、ソフトウェアがタグの切り替えを最小限に抑えますが、現時点では個々のゼブラフィッシュを追跡することは不可能であることに注意する必要があります。これは、社会的結束に重点が置かれている浅瀬研究にとっても重要ではありませんが、攻撃性や交尾を探求する際には重要です。タグの手動再割り当てはオプションですが、非常に時間がかかる場合があります。
観察容器と観察室の壁の色は、ゼブラフィッシュの行動に大きな影響を与える可能性があります。たとえば、白い壁は嫌悪反応を誘発することが説明されています36、37。異なる色を試すときは、次の 2 つの点に留意してください: 1) 前面の壁 (つまり、カメラに最も近い壁) が透明なままであることと、蓋 (使用されている場合) も透明でなければならないことが重要です。2)これまで使用したことのない色を選択する場合は、まずゼブラフィッシュと背景のコントラストが記録に適しているかどうかを判断します。テスト実行を行います。録画用のカメラ設定(手順2.5および2.6で説明したようにゲイン、シャッター、赤、青)と軌道再構成の設定(手順3.3、3.5、3.11、3.12で説明した色とサイズのしきい値など)を変更すると、大きな違いが生まれます。繰り返しになりますが、システムの経験は、何が可能かを決定するのに大いに役立ちます。
実験の目的によっては、特性(スペクトル、強度など)の異なる光源が望ましい場合があります。LEDバーは簡単に交換できます。光が容器のあらゆる部分に届くようにしてください。
実験でゼブラフィッシュを観察容器に数時間留まらせる必要がある場合は、必ずエアレーションを行ってください。エアチューブはクリップを使用して右奥隅に取り付けることができます。クリップが録画の妨げにならない か、つまり、コンピューター画面で確認してください。ゼブラフィッシュは決して視界から隠されていないこと。 図2A と 図2B では、黒いクリップが上面図に見られます。理想的には、ノイズを防ぐために、レコーディングの前またはレコーディングの間にエアレーションを行う必要がありますが、レコーディング中は使用しないでください。また、強い通気のオン/オフを切り替えると、ゼブラフィッシュが驚く可能性があることに注意してください。
実験でゼブラフィッシュを容器の中に一晩保管する必要がある場合は、ゼブラフィッシュが飛び出すのを防ぐために、観察室を透明な蓋で覆うと便利です(これは非常に一般的なことです)。撮影前にカバーを外さない場合は(ゼブラフィッシュの邪魔をしないように)、次の2つの点を考慮してください:1)光源の鏡像が撮影を妨げないようにしてください(たとえば、 光源をずらしたり、光を最小限にしか反射しない蓋を選択したりします)。2)特にこの場合、通気も行う必要があるため、一晩使用すると蓋が曇る可能性があることに注意してください。これを減らす1つの方法は、小さな穴の開いた蓋を選ぶことです。
一部の実験では、薬物を投与する前にゼブラフィッシュのベースライン行動を決定することが不可欠かもしれません。この場合、薬物はチューブ(上記の曝気チューブと同様)を介してセッション間に追加できます。
ここではゼブラフィッシュ(ダニオレリオ)の記録に重点が置かれていましたが、もちろん他の魚種もこのシステムで記録できます。これは、(幼魚)金魚(Carassius auratus)、トラバーブ(Barbus tetrazona)、およびアオソードテール(Xiphophorus helleri)の行動を研究するために使用されています。
最後に、観測タンクの他の寸法は主に可能であることに注意する必要があります。ただし、はるかに大きな観測コンテナを使用する場合は、システムを再構成し、空間分解能と時間分解能の適切なバランスを見つける必要があります。さらに、容器の形状は直方体でなければなりません。ゼブラフィッシュまたは他の実験対象の数は理論的には無制限です。ただし、タグの入れ替わりは被験者の数とともに増加します。

ゼブラフィッシュは、生物学的および薬理学的研究の重要なモデルとなっています1-3。個々のゼブラフィッシュとゼブラフィッシュの群れの動きと空間分布パターンの追跡は非常に貴重です。古い研究では、記録された画像に基づいて手動による定量化が適用されています4。現在、2D自動ビデオトラッキングシステムが一般的に使用されています5。しかし、ゼブラフィッシュをはじめとする多くの水生動物や非水生動物が3次元空間を移動するため、3次元システムへの関心は高まっている6。記載されている3Dシステムは、20077で最初に公開されました。技術的な詳細と他のシステムとの比較については、8 を参照してください。このシステムの基本的な利点は、ミラーリングシステムを使用して 2 つ (オプションで 3 つ) の同期ビューと独立したビューを取得し、2 ステップのキャリブレーションプロトコルを使用することです。最初のステップでは、ステレオシステムの3Dジオメトリ(カメラとミラーによって形成される)がキャリブレーションされます。2 番目のステップでは、光の屈折によってもたらされる非線形誤差が修正されます。水生動物を研究する場合、矯正せずに放置すると、光の屈折の影響が大きくなる可能性があります。これまでに公開された他のシステム(さらに新しい開発9)では、2段階のキャリブレーション手順が省略されています。オブジェクトの識別、マルチオブジェクトトラッキングによるオクルージョン、ジギングノイズなどに関する技術的な詳細については、こちらをご覧ください。読者は、元の出版物8,9を参照します。このシステムは、不安様行動反応10,11、浅瀬8,11,12の研究、および予備研究ではゼブラフィッシュ13の拮抗行動の研究で検証されています。また、他の魚種(金魚8、ソードテイル、トラバーブ)やマウス9についてもテストされています。
以下では、キャリブレーションとシステムの使用に関するプロトコルについて説明し、NMDA受容体非競合アンタゴニストMK-801がゼブラフィッシュの浅瀬に及ぼす影響を検証した実験結果を代表的な例として提示し、システムで取得できるデータの種類を示します。
自然環境でも水族館でも、ゼブラフィッシュは通常浅瀬で泳ぎます14。群れの好みは、飼育、性別、食料の入手可能性など、いくつかの要因に依存しているようです14,15。興味深いことに、群れ内の個々のゼブラフィッシュ間の距離は、警報フェロモン16や新規性11などの潜在的な危険の信号が存在すると小さくなる。したがって、浅瀬のパラダイムは、抗不安薬17のテストにも使用されています。支配階層18と社会的学習19は、ゼブラフィッシュの行動の魅力的な側面です。ゼブラフィッシュは、その高度に発達した社会的行動特性のために、自閉症研究の関心事にもなっています20,21。
MK-801は、ゼブラフィッシュ5,22,23の社会的行動を変化させることが報告されており、これは哺乳類への影響を彷彿とさせます24。しかし、MK−801は、他の行動(例えば、遊泳行動、抑制的回避および場所選好25−27)に対する他の多くの影響も有する。したがって、初期の実験では、基本的な観察からできるだけ多くの情報を得ることが重要です。これは、よりターゲットを絞った実験を設計するための基礎を提供します。
録音装置・ソフトウェアの調査
現在の構成では、ゼブラフィッシュを収容した観測容器(25cm×25cm×18cm、長さ×幅×高さ)が観察室(91cm×46cm×56cm、長さ×幅×高さ)に配置されています。チャンバーには、カメラ、容器から約>45°の角度で吊り下げられたミラー、LEDライトバーも含まれています。図 1 は、簡略化された図を示しています。カメラは正面図と上面図(鏡)の両方を記録し、ゼブラフィッシュのx座標、y座標、z座標を決定することでゼブラフィッシュの3D軌道を構築します。オリエンテーションの目的で、座標ベクトルは観測コンテナの左前隅(カメラに対する位置)に表示され、Path Reconstruction Module(以下を参照)によって生成された3Dビュー(図15など)に表示されるベクトルに対応します。サンプリングレートは、カメラとコンピューターによって異なります。私たちの実験では、約40フレーム/秒(fps)です。記録されたフレームの空間解像度は 640 x 480 ピクセルです (この構成は、空間解像度と時間解像度の最適なバランスとして選択されています)。Windows XP 以降が必要です。
最初の記録の前に、容器の壁と水面の位置を決定し、記録されたフレームのスケーリング係数を決定し、水から空気に通過する光の屈折によって生成される大きな誤差を調整するために、システムを較正する必要があります。原則として、キャリブレーションは、初期設置時と、カメラやミラーなどのセットアップの一部を移動または交換した後にのみ実行する必要があります。それでも、キャリブレーションがまだ正しいかどうかを時々確認し、必要に応じて再キャリブレーションすることをお勧めします。
ソフトウェアは3つのモジュールで構成されています。録音モジュールはフレームを記録します(図2に2つのフレームの例を示します)。軌道モジュールは、すべてのゼブラフィッシュの経路を再構築します。データ処理モジュールは、さまざまな標準的な運動学的パラメータと空間パラメータを計算します。さらに分析するために、データをスプレッドシートまたは統計ソフトウェアにインポートできます。

<table><tbody><tr><td>AABT-3Dトラッキングハードウェア</td><td>xyZfish</td><td>AABT II</td><td>カメラ、ビデオカード、ミラーと照明付き観察コンパートメントが含まれています</td></tr><tr><td>AABT-3Dキャリブレーション機器</td><td>xyZfish</td><td>キャリブレーション</td>パネル<td>とサイドミラーが含まれています</td></tr><tr><td>AABT-3D観察コンテナ</td><td>xyZfish</td><td>キューブ</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>AABT-3Dトラッキングソフト</td><td>xyZfish</td><td>v.1.0</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>コンピュータ</td><td>オプション</td><td>N/A</td><td>Windows XP 以降</td></tr><tr><td>(+)-MK-801 マレイン酸水素</td><td>Σ</td><td>M107</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>エアポンプ</td><td>Fusion</td><td>500</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>エアラインチューブ3/16インチ</td><td>リー水族館およびペット用品</td><td>14508</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>ミディアムバインダークリップ</td><td>OfficeDepot</td><td>561339</td><td>観測コンテナに航空会社を取り付けるには</td></tr></tbody></table>

自動3d追跡システムを使用して、成魚のゼブラフィッシュの個体群と群れを記録

Using an Automated 3D-tracking System to Record Individual and Shoals of Adult Zebrafish

多くの水生動物と同様に、ゼブラフィッシュ(Danio rerio)は3D空間を動きます。したがって、その動作を研究するために3D記録システムを使用することが好ましい。提示された自動ビデオ追跡システムは、ミラーシステムと、水から空気への光の遷移によってもたらされるかなりの誤差を補正するキャリブレーション手順を使用してこれを実現します。このシステムにより、ゼブラフィッシュの単体と成体ゼブラフィッシュのグループの両方を記録することができます。使用する前に、システムを校正する必要があります。このシステムは、Recording、Path Reconstruction、Data Processingの3つのモジュールで構成されています。キャリブレーションと3つのモジュールの使用に関するステップバイステップのプロトコルを示します。実験のセットアップに応じて、このシステムは、新恐怖症、白人嫌悪、社会的結束、運動障害、新規物体探索などのテストに使用できます。これは、薬物や突然変異が基本的な行動パターンに及ぼす影響を研究するための最初のステップツールとして特に有望です。このシステムは、ゼブラフィッシュの垂直分布と水平分布、運動学的パラメータのxyz成分(移動運動、速度、加速度、回転角度など)に関する情報を提供し、浅瀬を試験する際に社会的結束のパラメータを計算するために必要なデータを提供します。

ゼブラフィッシュの個体やグループを追跡できる3D自動ビデオシステムの使用について説明しています。応用例として、NMDA受容体拮抗薬MK-801がゼブラフィッシュの群れに及ぼす影響について検討します。

自動3D追跡システムを使用して、成魚のゼブラフィッシュの個体群と群れを記録

Like many aquatic animals, zebrafish (Danio rerio) moves in a 3D space. It is thus preferable to use a 3D recording system to study its behavior. The ...

本手順の目的は、ゼブラフィッシュやその他の水生動物の三次元的な移動パターンを調査し、その運動学的、空間的、および社会的な特性を解析することです。これにより、遺伝子変異や化学的・環境的要因による行動の変化を検出することが可能になります。これは、まずシステムのキャリブレーションを行うことで達成され、同時に屈折によって生じる大きな画像歪みの補正も行われます。第2のステップは、少なくとも2つの異なる角度から、比較的高い時間分解能でビデオフレームを同時に記録することです。次に、ソフトウェアが魚の軌跡を再構築します。ノイズの影響を軽減し、遮蔽や密集が発生した際の魚の位置を推定するために、高度なアルゴリズムが適用されます。最終ステップは、データを解析し、速度、加速度、回転角、観察容器内における水平および垂直方向の分布、個体間距離、およびその他の関心のあるパラメータについて統計解析を行うことです。最終的に、キャリブレーション済みの高速3Dトラッキングは、変異ゼブラフィッシュにおける行動欠損や、さまざまな行動系に対する薬剤の効果を研究するのに有用です。創薬において、本システムの利点の一つは、魚の行動を3Dで研究できることです。魚類は自然に3次元的に移動するため、複数の個体を同時に記録する場合、群れの空間構成を調査する際に2D記録では非常に誤解を招く可能性があります。このシステムのもう一つの利点は、光の屈折を補正できることです。現在の構成において、屈折を補正しないままだと、重大な測定誤差が生じる可能性があります。ゼブラフィッシュを入れた観察容器を観察チャンバー内に配置します。チャンバー内には、カメラ、容器の上方約45度の角度で吊り下げられたミラー、およびLEDライトバーも設置されています。記録を開始する前に、システムのキャリブレーションを行い、容器の壁面と水面の位置、および記録フレームのスケーリング係数を決定するとともに、光が水から空気へ透過する際に生じる屈折による誤差を補正します。キャリブレーションが完了したら、ダミーフィッシュを用いてテストランを実施してください。ミラーまたはカメラの位置がずれている場合や、トラッキングに問題がある場合は、再キャリブレーションを行う必要があります。録画セッションを開始するには、標線まで水を満たした観察容器を観察室に配置します。容器の脚をアライメント穴に挿入してください。容器の半透明または不透明な壁面が、カメラから見て奥側と右側に向くように配置します。次に、コンパートメント内の照明を点灯させ、魚を容器に入れてカーテンを閉じます。録画モジュールを開くと、容器の正面および上面の画像が画面に表示されます。最初に取得した画像が理想的でない場合があり、魚と背景の間に十分なコントラストを得るために調整が必要なことがあります。画像を調整するには、「camera control」を選択し、表示された一般設定ウィンドウでここに示すボックスの選択を解除します。その後、画像が露出オーバーにならないようにシャッタースピードとゲインを調整してください。次に、カメラコントロールウィンドウの左側で「white balance color」を選択し、新しいウィンドウで「auto」ボックスの選択を解除して、正面および上面の両方のビューで最適な色コントラストが得られるように赤と青の値を調整します。調整完了後、さらに複数回の調整が必要になる場合があります。録画モジュールのメインメニューから「データ保存先」を選択し、フォルダを作成または選択してください。各録画には専用のフォルダを用意し、それを実験フォルダのサブフォルダとして作成してください。次に、「start recording」を押し、録画時間（分）を整数で入力して「okay」を押すと、実験の録画セッションが開始されます。録画が完了したら、キャリブレーションフォルダから「animal container data」および「correspondence data」サブフォルダを、事前に作成した「During recording」フォルダにコピー＆ペーストして、パスの再構築を開始します。その後、ソフトウェアの軌跡（trajectory）モジュールを開き、「data location」を押して、録画モジュールで作成したフォルダを選択してください。次に、システムセットアップボタンを押してパラメータウィンドウを開き、まずtop end bottom viewのカラーしきい値を調整します。推奨される初期値は1000です。次に、top end bottom viewのサイズしきい値を選択します。中型のゼブラフィッシュの場合、開始サイズは10が適切ですが、大型の魚では20、小型の魚では5を使用してください。これらのしきい値を高く設定するほど、ソフトウェアがノイズを拾う可能性は低くなります。しかし、値が高すぎると、魚を検出できなくなる可能性があります。実験の後半で、これらのしきい値を再調整する必要が生じる場合があります。最大サイズしきい値については、通常3000という値で十分です。また、特定長については、プリセット値の220を維持してください。「fish」の数は、観察タンク内の魚の数を指します。「Max numb of points」は総フレーム数を指します。この数値を記録または記憶し、「Okay」を押してください。次に、「acquire background」を選択します。次のウィンドウで、「from」と「to」の2つのフィールドへの入力が求められます。背景が読み込まれた後、マウスを使用して3つの赤いボックスを調整してください。これらのボックスは、ソフトウェアが魚を探索する領域を示しています。左側のボックスを最小限にしてください。側面図はキャリブレーションにのみ使用されるため、ここで「軌道生成開始（start generating trajectories）」ボタンを押すと、経路再構成が始まります。理想的には、タグは魚の画像上に配置されるべきですが、頻繁に誤った位置に配置される場合は、情報ウィンドウを開いてください。ここでは、魚の輪郭のみが見える理想的な例を示しています。ノイズが過剰な場合は、メインメニューのストップを押し、色とサイズの閾値を新たに設定してください。また、赤いボックスをわずかに縮小できるか確認してください。例えば、上部において水の動きによって発生するノイズを除外するために、3D画面上の軌跡を確認してください。マウスを右クリックすることで、研究者は3D構成の回転と平行移動を選択できます。データ処理を開始するには、データ処理モジュールを開き、ツールバーの「project」を選択し、プルダウンメニューから「new」を選択して実験名を入力します。次に、「edit project」を選択します。次に、「プロジェクトに追加」を選択し、続いて「新規グループ」を選択して、実験グループの名前を入力します。次に、右側のウィンドウでその実験グループを選択します。ツールバーが変更されることに注意してください。「edit group」を選択し、「add to group」を追加した後、「new measurements」を選択します。これにより、ブラウザウィンドウが開きます。次に、録画中に作成されたフォルダを開き、「trajectories」サブフォルダを選択して、ポイント平滑化済みファイルを選択してください。ここでのグループAの例では6つのファイルが、グループBでは4つのファイルが読み込まれました。解析を開始するには、右側のウィンドウでポイント平滑化済みファイルを選択してください。次に、プルダウンメニューから「データ処理」および「シングルバリューエンドポイント」を選択します。例として、「duration freezing」を選択してください。速度閾値および期間閾値によるフリージングを指定するウィンドウが開きますので、プログラムの操作に慣れてください。また、「travel distance depth distribution」などの他の例も試してください。ここでは、深度レベルの数とバースト周波数を決定させることができます。このオプションを選択すると、デフォルトの閾値を用いたバッチ処理が行われ、約200個のエンドポイントが計算されます。デフォルトとは、デリミタが設定されていることを意味します。例えば、現在は3つの深度レベルで深度分布が計算され、4つのセクションで角度分布が計算されています。パラメータを生成すると、作成するファイルの保存場所とファイル名を確認する新しいウィンドウが開きます。これらのファイルはCSV形式で保存され、他のソフトウェアにインポートすることが可能です。ここでは、図Aにコントロールの典型的な例となるフレームを示します。図Aはゼブラフィッシュを示し、図BはMK 801で処理したゼブラフィッシュの典型的な例となるフレームを示しており、いずれも午前のセッション中に記録されたものである。対照群のゼブラフィッシュは底付近に集まって泳いでいたことに注目されたい。対照的に、MK 801投与群のゼブラフィッシュは水面付近に位置し、互いにかなりの距離を置いて泳いでいた。ここでは、対照群のゼブラフィッシュと10 µMのMK 801で処理したゼブラフィッシュの代表的な2つの軌跡を、午前セッションと午後セッションについて示します。この図では、対照群と10 µMのMK 801で処理した魚の平均社会的距離を両セッションについて提示しており、また、両群における個体間平均距離のタイムラインを示しています。図Aでは、午前中のセッションにおけるゼブラフィッシュの10段階の等深度レベルにおける分布が示されており、Bでは、午後のセッションにおける分布が示されています。ここでは、実験群の4つの放射状ゾーンにおける時間的分布が示されています。挿入図は、中心から外周に向かうこれらのゾーンの位置を示しており、ここでは、実験群の4つの象限における時間的分布が示されています。挿入図は各クアドラントの位置を示しています。二重線は白い壁を、一本線は透明な壁を表しています。カメラは挿入図の左側、つまりクアドラント1および4に最も近い位置に配置されています。黒いアスタリスクは午前セッションのグループ間の比較を、グレーのアスタリスクは午後セッションのグループ間の比較を示しています。最後に、午前および午後セッションにおけるゼブラフィッシュの移動距離のX、Y、Z成分をここに示します。平均値および標準誤差（SEM）を提示します。本システムを使用する際は、データの精度は記録の質に依存するため、システムのキャリブレーションが適切に行われ、カメラ設定が最適であることを確認してください。それ以外の操作は簡単であり、各手順に慣れるだけで十分です。

using-an-automated-3d-tracking-system-to-record-individual-shoals

Research

JoVE Journal

Biology

生物学

自動3Dトラッキングシステムを使用して、成体のゼブラフィッシュの個体と群れを記録する

VisioTrackerは、眼球運動の記録に基づいて、幼虫や小さな成魚の視覚性能を定量的に分析するための自​​動化されたシステムです。それはそのような視覚系の発達と機能、薬理学、神経回路の研究や感覚統合などの分野で高スループットの研究を可能にし、視覚刺激のプロパティおよびリアルタイム分析を完全に制御しています。...

VisioTracker、眼球運動解析への革新的な自動化されたアプローチ

このビデオでは、ゼブラフィッシュの幼生の回避とチグモタキシスアッセイについて説明しています。このビデオでは、視覚嫌悪刺激に反応したゼブラフィッシュの幼生の行動を調べています。...

ゼブラフィッシュの回避とチグモタキシスアッセイ:嫌悪的な視覚刺激に応答した幼虫の行動を調べるためのハイスループット法

我々の研究室では、7日齢のゼブラフィッシュの幼虫で、いくつかの異なる挙動の検出に有用な新規なハイスループット自動化されたイメージングシステムを開発しました。幼虫は、環境毒素又は薬剤に曝露された後にシステムが動作の微妙な変化を検出するために用いることができる。...

ゼブラフィッシュ幼生における自動化ハイスループット行動分析

ゼブラフィッシュは、筋肉の機能と病気を研究するための優れたモデルです。初期胚形成期には、ゼブラフィッシュは規則的な筋肉収縮を開始し、リズミカルな遊泳行動を生み出し、筋肉が乱れると遊泳行動が変化します。ここでは、筋肉機能の尺度として水泳パフォーマンスを調べるための、タッチ誘発反応と運動アッセイについて説明します。...

ゼブラフィッシュで筋肉のパフォーマンスと機能を評価するためにタッチ誘発応答と歩行アッセイを使用して

ここでは、設計し、高スループット ゼブラフィッシュ胚配列 96 ウェル プレートにそのようなテンプレートの利用に関する詳細な手順が続くテンプレートを配列複写するゼブラフィッシュ胚を作製するためのプロトコルを提案する.

3 次元 (3 D)-高スループット ゼブラフィッシュ胚配列複写のためテンプレートを印刷

ここでは、行動と生体染色、メカノセンシング メキシコの血脈のシリーズの高スループット研究の手法を提示します。これらのメソッドは、動作研究実用的かつコスト効果の高い方法を提供するフリー ソフトウェアとカスタム...

行動追跡とメキシコの血脈の Neuromast イメージング

ゼブラフィッシュの人格が電流と弱い磁場を水への対応をどのように影響するかを評価するために設計された行動プロトコルについて述べる。同じ個性を持つ魚は彼らの探索行動に基づく区切られます。さらに、スイミング トンネルの低流速率と磁気の異なる条件の下で彼らの rheotactic...

ゼブラフィッシュにおける磁界感度に人格の影響を評価します。

脊髄損傷後の機能回復が可能な成体ゼブラフィッシュは、神経再生の先天的なメカニズムを解明するための最高のモデルシステムです。ここでは、脊髄再生の機能的読み出しとしての水泳持久力および水泳行動アッセイについて説明する。...

成体ゼブラフィッシュの水泳持久力と水泳行動の評価

このプロトコルはゼブラフィッシュの幼虫の心臓収縮機能を調査し、細胞追跡および相互分析によって心臓力学に洞察を得るのにライトシートイメージ投射を利用する。...

ゼブラフィッシュの心臓収縮の4Dライトシートイメージング

多室社会的嗜好課題は齧歯類からゼブラフィッシュに応用され、モデル生物の社会的行動の研究を促進しています。このプロトコルは、ウェブカメラとオープンソースソフトウェアを用いてゼブラフィッシュの社会的嗜好を測定する低コストの3チャンバーオープンタンク課題を検証し、学部生の研究や教育に利用可能にします。...

ゼブラフィッシュ(Danio rerio)における社会的嗜好を調査するための低コスト代替案:3室オープンタンク自由泳ぎ課題

学ぶ自動3D追跡システムを使用して、ゼブラフィッシュの個体と群れの運動パターンを解析する方法。屈折補正と高度なアルゴリズムにより、薬剤や遺伝子変異による行動変化を正確に検出できます。

自動3D追跡システムを使用して、成魚のゼブラフィッシュの個体群と群れを記録

さらに動画を探す