Automatiska mätningar av sömn och rörelseaktivitet i mexikanska släktet
Summary
Detta protokoll Detaljer metoden för att kvantifiera rörelseapparaten beteende och sova i den mexikanska släktet. Tidigare analyser förlängs för att mäta dessa beteenden i socialt inrymt fisk. Detta system kan i stor utsträckning för att studera sömn och aktivitet i andra fiskarter.
Abstract
Över phyla kännetecknas sömn av mycket beteendemässiga egenskaper som inkluderar förhöjda upphetsning tröskel, rebound efter sömnbrist och konsoliderade perioder av beteendemässiga orörlighet. Den mexikanska släktet, Astyanax mexicanus (A. mexicanus),, är en modell för att studera drag evolution bemöta miljömässiga störning. A. mexicanus finns liksom eyed yta-bostad former och flera blinda grottboende populationer som har robust morfologiska och beteendemässiga skillnader. Sömnbrist har inträffat i flera, självständigt utvecklade släktet populationer. Det här protokollet beskriver en metod för att kvantifiera sömn och rörelseaktivitet i A. mexicanus grotta och ytan fisk. Ett kostnadseffektivt videoövervakningssystem möjliggör beteendemässiga avbildning av individuellt inrymt larver eller vuxen fisk för perioder på en vecka eller längre. Systemet kan användas för att fiska år 4 dagar efter befruktning genom vuxenlivet. Metoden kan även anpassas för att mäta effekterna av sociala interaktioner på sömn genom att registrera flera fisk i en enda arena. Efter beteendevetenskapliga inspelningar, data analyseras med automatiserad mjukvara och sömn analys bearbetas med hjälp av anpassade skript som kvantifiera flera sömn variabler inklusive varaktighet, bout längd och skjutningen nummer. Detta system kan tillämpas på åtgärd sömn, dygnsrytm beteende och rörelseaktivitet i nästan alla fiskarter som bland annat Zebrafiskar och spiggar.
Introduction
Sömn är mycket bevarad i hela djurriket på fysiologiska, funktionella och beteendemässiga nivåer1,2,3. Medan sömn hos däggdjur försöksdjur bedöms vanligtvis använder elektroencefalogram, elektrofysiologiska inspelningar är mindre praktisk i små genetiskt mottaglig modellsystem och därmed sova normalt mäts utifrån beteende3 , 4. beteendemässiga egenskaper som förknippas med sömn bevaras mycket i hela djurriket och inkluderar ökade upphetsning tröskel, reversibilitet med stimulering och långvarig beteendemässiga rofylld5. Dessa åtgärder kan användas för att karaktärisera sömn hos djur alltifrån nematoder masken, C. elegans, genom människor6.
Användning av beteendemässiga rofylld att karakterisera sömn kräver automatiserad mjukvara. Med spårning programvara, perioder av aktivitet och orörlighet bestäms över ett antal dagar och långa perioder av inaktivitet klassificeras som sova7,8. Under senare år har har flera tracking system utvecklats för att förvärva aktivitetsdata bland en mångfald av små genetiskt-mottaglig modellsystem; bland annat maskar, bananflugor och fisk9,10,11. Dessa program åtföljs av programvara som möjliggör automatisk spårning av djurs beteende, inklusive både öppen källkod freeware och inköpt programvara7,12,13,14 . Dessa system skiljer sig åt i deras flexibilitet och möjliggör effektiv screening och karakterisering av sömn fenotyper i många genetiskt parkeringsleverantörer modeller.
Genetisk utredning av sömn i Zebrafiskar, Danio rerio, har lett till identifiering av många gener och neurala kretsar som reglerar sömn15,16. Medan detta har gett ett kraftfullt system för att undersöka personlighetens grund i sömn i ett laboratorium som vertebrate djur, mycket mindre är känt om hur sömn utvecklas och hur naturliga bidrar variationen till att sova förordning. Den mexikanska släktet, Astyanax mexicanus (A. mexicanus), har utvecklats dramatiska skillnader i sömn, rörelseaktivitet och dygnsrytmen17,18. Dessa fiskar finns som eyed yta fisk som bebor floder av Mexico och södra Texas och minst 29 cave befolkningar runt regionen Sierra Del Abra nordöstra Mexiko19,20,21. Anmärkningsvärt verkar många beteendemässiga skillnader, inklusive sömn förlust, har uppstått oberoende av varandra i flera släktet populationer14,22. Släktet ger därför en modell för att undersöka den konvergent evolutionen av sömn, dygnsrytm, och sociala beteenden.
Det här protokollet beskriver ett system för att mäta sömn och rörelseapparaten beteende i A. mexicanus larver och vuxna. En specialbyggd IR-baserade inspelningssystem möjliggör videoinspelning av djur under ljusa och mörka förhållanden. Inköpt programvara kan användas för att mäta aktivitet och anpassade makron används för att kvantifiera flera aspekter av inaktivitet och bestämma perioder av sömn. Det här protokollet beskriver också experimentella modifieringar för att spåra aktiviteten av flera djur inom en tank, som ger möjlighet att undersöka samspelet mellan sömn och sociala beteenden. Dessa system kan tillämpas på åtgärd sömn, dygnsrytm beteende och rörelseaktivitet i ytterligare fiskarter inklusive Zebrafiskar och spiggar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det här protokollet beskriver ett anpassat system för kvantifiering av sömn och rörelseaktivitet i larver och vuxna släktet. Släktet har dykt upp som en ledande modell för att studera utvecklingen av sömn som kan användas för att undersöka den genetiska och neurala grunden för sömn förordning1. De kritiska steg i detta protokoll inkluderar optimering av belysning och video kvalitet för att säkerställa korrekt spårning som är nödvändig för att kvantifiera sömn. Systemet för …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av NIGMS award GM127872 ACK, NINDS award 105072 ERD och ACK, och NSF award 1656574 till kvitt.
Materials
| 12V power adaptor | Environmental Lights | 24 Watt 12 VDC Power Supply | |
| Acrylic dividers (adults) | TAP Plastic | Order sheets in sizes as needed | |
| Adult infrared light power source | Environmnental Lights 24 Watt 12 VDC Power Supply | ||
| Battery pack | CyberPower | CP850PFCLCD | |
| Camera lens (adult) | Navitar Zoom 7000 | Zoom 7000 | |
| Camera lens (larval) | Fujian 35mm f/1.7 | B01CHX7668 | Purchase on Amazon |
| Camera lens adapter | d | 1524219 | |
| Camera mount | CowboyStudio Super Clamp | B002LV7X1K | Purchase on Amazon |
| Fish tank | Deep Blue Professional | ADB11006 | |
| Heat sink (adult) | M-D Building products | SKU: 61085 | Cut to fit |
| Heat sink (larval) | M-D Building products | SKU: 57000 | Cut to fit |
| Infrared lights (adults) | Environmental Lights Infrared 850 nm 5050 LED strip | irrf850-5050-60-reel | Cut to fit |
| Infrared lights (larval) | LED World | B00MO9H7H4 | Purchase on Amazon |
| IR-diffusing acrylic | TAP Plastic | Order sheets in sizes as needed | |
| Laptop/computer | N/A | N/A | Any laptop will work. |
| LED light | Chanzon 10 High Power Led Chip 3W White (6000K-6500K/600mA-700mA/DC 3V-3.4V/3 Watt) | B06XKTRSP7 | Use with Chanzon 25pcs 1W 3W 5W LED Heat Sink (2 pin Black) Aluminum Base Plate Panel |
| light timer | Century 24 Hour Plug-in Mechanical Timer Grounded | ||
| Plastic wall mount for IR | Everbilt Plastic pegboard | Model # 17961 | |
| Power cable | BNTECHGO 22 Gauge Silicone Wire | B01K4RPE0Y | |
| Power source | Rapid LED | MOONLIGHT DRIVER (350MA) | |
| Tissue culture plates | Fisherbrand | 12-well (FB012928) 24-well (FB012929) | |
| Tripod Ball head | Demon DB-44 | B00TQ54CZO | Purchase on Amazon |
| USB Hardrive | Seagate 3TB backup | STDT3000100 | |
| USB Webcam | Microsoft LifeCam | Q2F-00014 | Purchase on Amazon |
| Wall mount for camera | LDR Industries 1/2" Steel pipe | 307 12X36 | Mounted on wall with Flange and 90 degree pipe elbow. Could also use a tripod to hold camera. |
Referenzen
- Keene, A. C., Duboue, E. R. The origins and evolution of sleep. The Journal of Experimental Biology. , (2018).
- Joiner, W. J. Unraveling the Evolutionary Determinants of Sleep. Current Biology. 26 (20), R1073-R1087 (2016).
- Allada, R., Siegel, J. M. Unearthing the phylogenetic roots of sleep. Current biology. 18, R670-R679 (2008).
- Sehgal, A., Mignot, E. Genetics of sleep and sleep disorders. Cell. 146, 194-207 (2011).
- Campbell, S. S., Tobler, I. Animal sleep: a review of sleep duration across phylogeny. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 8, 269-300 (1984).
- Raizen, D. M., et al. Lethargus is a Caenorhabditis elegans sleep-like state. Nature. 451, 569-572 (2008).
- Geissmann, Q., Rodriguez, L. G., Beckwith, E. J., French, A. S., Jamasb, A. R., Gilestro, G. Ethoscopes: An Open Platform For High-Throughput Ethomics. bioRxiv. , 113647 (2017).
- Garbe, D. S., et al. Context-specific comparison of sleep acquisition systems in Drosophila. Biology Open. 4 (11), (2015).
- Branson, K., Robie, A. A., Bender, J., Perona, P., Dickinson, M. H. High-throughput ethomics in large groups of Drosophila. Nature Methods. 6 (6), 451-457 (2009).
- Gilestro, G. F., Cirelli, C. PySolo: A complete suite for sleep analysis in Drosophila. Bioinformatics. 25, 1466-1467 (2009).
- Swierczek, N. A., Giles, A. C., Rankin, C. H., Kerr, R. A. High-throughput behavioral analysis in C. elegans. Nature Methods. 8 (7), 592-598 (2011).
- Branson, K., Robie, A. A., Bender, J., Perona, P., Dickinson, M. H. High-throughput ethomics in large groups of Drosophila. Nature Methods. 6, 451-457 (2009).
- Rihel, J., et al. Zebrafish behavioral profiling links drugs to biological targets and rest/wake regulation. Science (New York, N.Y.). 327, 348-351 (2010).
- Yoshizawa, M., et al. Distinct genetic architecture underlies the emergence of sleep loss and prey-seeking behavior in the Mexican cavefish. BMC Biology. 13, (2015).
- Chiu, C. N., Prober, D. A. Regulation of zebrafish sleep and arousal states: current and prospective approaches. Frontiers in Neural Circuits. 7 (April), 58 (2013).
- Elbaz, I., Foulkes, N. S., Gothilf, Y., Appelbaum, L. Circadian clocks, rhythmic synaptic plasticity and the sleep-wake cycle in zebrafish. Frontiers in Neural Circuits. 7, (2013).
- Duboué, E. R., Keene, A. C., Borowsky, R. L. Evolutionary convergence on sleep loss in cavefish populations. Current Biology. 21, 671-676 (2011).
- Beale, A., et al. Circadian rhythms in Mexican blind cavefish Astyanax mexicanus in the lab and in the field. Nature Communications. 4, 2769 (2013).
- Keene, A. C., Yoshizawa, M., McGaugh, S. E. . Biology and Evolution of the Mexican Cavefish. , (2015).
- Jeffery, W. R. Regressive evolution in Astyanax cavefish. Annual Review of Genetics. 43, 25-47 (2009).
- Gross, J. B. The complex origin of Astyanax cavefish. BMC Evolutionary Biology. 12, 105 (2012).
- Aspiras, A., Rohner, N., Marineau, B., Borowsky, R., Tabin, J. Melanocortin 4 receptor mutations contribute to the adaptation of cavefish to nutrient-poor conditions. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (31), 9688 (2015).
- Jaggard, J., et al. The lateral line confers evolutionarily derived sleep loss in the Mexican cavefish. Journal of Experimental Biology. 220 (2), (2017).
- Jaggard, J. B., Stahl, B. A., Lloyd, E., Prober, D. A., Duboue, E. R., Keene, A. C. Hypocretin underlies the evolution of sleep loss in the Mexican cavefish. eLife. , e32637 (2018).
- Hinaux, H., et al. A Developmental Staging Table for Astyanax mexicanus Surface Fish and Pacho ´n Cavefish. Zebrafish. 8 (4), 155-165 (2011).
- Bill, B. R., Petzold, A. M., Clark, K. J., La Schimmenti, ., Ekker, S. C. A primer for morpholino use in zebrafish. Zebrafish. 6 (1), 69-77 (2009).
- Bilandzija, H., Ma, L., Parkhurst, A., Jeffery, W. A potential benefit of albinism in Astyanax cavefish: downregulation of the oca2 gene increases tyrosine and catecholamine levels as an alternative to melanin synthesis. Plos One. 8 (11), e80823 (2013).
- Yokogawa, T., et al. Characterization of sleep in zebrafish and insomnia in hypocretin receptor mutants. PLoS Biology. 5, 2379-2397 (2007).
- Appelbaum, L., et al. Sleep-wake regulation and hypocretin-melatonin interaction in zebrafish. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106, 21942-21947 (2009).
- Singh, C., Oikonomou, G., Prober, D. A. Norepinephrine is required to promote wakefulness and for hypocretin-induced arousal in zebrafish. eLife. 4 (September), (2015).
- Elipot, Y., Hinaux, H., Callebert, J., Rétaux, S. Evolutionary shift from fighting to foraging in blind cavefish through changes in the serotonin network. Current Biology. 23 (1), 1-10 (2013).
- Bell, M. A., Foster, S. A. . The evolutionary biology of the threespine stickleback. 584, (1994).
- Seehausen, O. African cichlid fish: a model system in adaptive radiation research. Proceedings of Biological Sciences/The Royal Society. 273 (1597), 1987-1998 (1597).
- Basolo, A. L. Female preference predates the evolution of the sword in swordtail fish. Science. 250, 808-810 (1990).
