Y-labyrinter gjør det mulig for forskere å bestemme relevansen av spesifikke stimuli som driver dyreadferd, spesielt isolerte kjemiske signaler fra en rekke kilder. Nøye design og planlegging kan gi robuste data (f.eks. diskriminering, grad av utforskning, mange atferd). Dette eksperimentelle apparatet kan gi kraftig innsikt i atferdsmessige og økologiske spørsmål.
Reptiler bruker en rekke miljøsignaler for å informere og drive dyreadferd som kjemiske duftstier produsert av mat eller konspektiver. Dekryptering av duftfølgende oppførsel av vertebrater, spesielt invasive arter, muliggjør oppdagelsen av signaler som induserer utforskende oppførsel og kan hjelpe til med utviklingen av verdifulle grunnleggende og anvendte biologiske verktøy. Det kan imidlertid være utfordrende å finne atferd som er dominant drevet av kjemiske signaler kontra andre konkurrerende miljøsignaler. Y-labyrinter er vanlige verktøy som brukes i dyreadferdsforskning som tillater kvantifisering av virveldyr kjemosensorisk oppførsel på tvers av en rekke taxa. Ved å redusere ytre stimuli fjerner Y-labyrinter forvirrende faktorer og presenterer fokale dyr med et binært valg. I våre Y-labyrintstudier er et duftende dyr begrenset til en arm av labyrinten for å forlate en duftsti og fjernes når duftleggingsparametrene er oppfylt. Deretter, avhengig av prøvetypen, er enten fokusdyret tillatt inn i labyrinten, eller en konkurrerende duftsti opprettes. Resultatet er en oversikt over fokusdyrets valg og oppførsel mens diskriminering mellom de kjemiske signalene som presenteres. Her beskrives to Y-labyrintapparater skreddersydd til forskjellige invaderende reptilarter: argentinske svarte og hvite tegu øgler (Salvator merianae) og burmesiske pythoner (Pythonbivittatus), som skisserer driften og rengjøringen av disse Y-labyrintene. Videre er mangfoldet av data produsert, eksperimentelle ulemper og løsninger, og foreslåtte rammeverk for dataanalyse oppsummert.
Y-labyrinter er vanlige, enkle verktøy i studier av dyreadferd som gjør det mulig å ta opp en rekke spørsmål. I tillegg til å være mye brukt i laboratoriestudier, er Y-labyrinter også funksjonelt kompatible med ulike feltmiljøer for å studere ville dyr i relativt eksterne omgivelser. Forskere har undersøkt oppførselen til ville vertebrater ved hjelp av Y-labyrinter i et bredt utvalg av taxa på tvers av tilsvarende forskjellige feltapplikasjoner (f.eks. lampreys1; ciklidfisk2; gift frosker3; lacertid øgler4; strømpe slanger5).
Mange forskere er fokusert på hvordan og i hvilken grad kjemiske signaler driver dyreatferd i reproduktiv, romlig og foragingøkologi 6. En rekke kjemiske stimuli kan testes i Y-labyrinter og ved fine skalaer, for eksempel to kjemiske stier som bare varierer litt i konsentrasjon7, eller deteksjonsevne basert på reproduksjonsstatusen til målarten8. Kjemiske stier – de viktigste stimulansene som brukes i Y-labyrinttester – kan naturlig opprettes av konspektiver eller spesielt plassert i miljøet av en forsker ved hjelp av en definert kjemisk kilde1,5. Stimuli kan også testes i unike kombinasjoner for å bestemme multimodal påvirkning av signaler som å endre kontekster for signalpresentasjon (luftbårne vs. substratløyper9; visuelle pluss kjemiske signaler10). Selv om det finnes mange andre metoder for å vurdere kjemosensoriske svar i reptiler (se diskusjonsseksjonen), gjør Y-labyrinter det mulig å vurdere søkeatferd(er) og ved flere tidsmessige og romlige skalaer, noe som kan føre til større nivåer av atferdsmessig slutning.
Reptiler har blitt bredt testet for sin avhengighet av kjemiske signaler i reproduktiv og foraging økologi, og forskere bruker ofte Y-labyrinter i disse studiene11,12. Den kjemiske økologien til reptiler fortsetter å bli dechiffrert av studier som bruker Y-labyrinter for å adressere en rekke evolusjonære og atferdsmessige spørsmål som er verdifulle for dyrelivsledere. For eksempel har nylige tester med invasive slange- og firfirslearter avslørt at kjemiske signaler alene kan påvirke valg og tidsfordeling i det nye miljøet til en Y-labyrint13,14,15.
Bruken av store Y-labyrinter for moderat store fokaldyr (f.eks. store reptiler) er generelt begrenset til laboratorieinnstillinger der fokaldyrene lett kan plasseres på lang sikt, eksperimentelle faktorer (f.eks. klima, lys, ytre stimuli) kan kontrolleres, og tilgang til infrastruktur (f.eks. kraft, rennende vann) er ubegrenset. Studier på ville dyr er imidlertid ofte begrenset til bestemte steder av ulike årsaker (f.eks. logistikk, tillatt). Som et resultat oppstår utfordringer som må løses gjennom kreativ problemløsning og metodologiske tilpasninger for å opprettholde konsistente og sammenlignbare resultater.
Her har to eksperimentelle oppsett blitt beskrevet ved hjelp av Y-labyrinter og fjernovervåkingsverktøy for å vurdere reproduktiv kjemisk økologi av invasive squamate reptiler (dvs. slanger og øgler) i forskjellige feltscenarier: villfangede, fangede argentinske svarte og hvite tegu øgler (Salvator merianae) i Gainesville, FL og villfangede burmesiske pythoner ( Python bitavittus ) i Everglades National Park, FL og villfangede burmesiske pythoner (Python bitavittus) i Everglades National Park, FL. Som antydet av navnet, skaper Y-labyrintapparatet et eksperimentelt miljø der et dyr kommer inn i en hovedgang (bunnen av Y; “base”) som deretter fører til to divergerende passasjer (armene til Y; “armer”). I disse forsøkene brukes to typer dyr til en enkelt studie: duftleggende dyr (gi stimulansduften i et begrenset område av labyrinten) og fokaldyr (data samles inn på dette dyret når det utforsker duftstien).
Som et eksperimentelt apparat i kjemoøkologiske studier må enhver Y-labyrint konstrueres på en måte som gjør det enkelt å fjerne dyret i og kan dissembleres for grundig rengjøring og tilbakestilling. Også diskutert er begrensningene som ligger i disse forskjellige testmiljøene (f.eks. daglige vs. nattlige dyr, infrastrukturforskjeller) som førte til metodologiske justeringer. Selv om fokuset var på tegu øgler og burmesiske pythoner, kan disse designene brukes på et bredt spekter av reptilarter. I denne forskningen på invasive reptiler drar Y-labyrinter nytte av inferenshastigheten og omfanget fordi de muliggjør rask innsamling av data for å informere ledelsesmål som skifter trinn med invasjonstrusselen fra en gitt art. Spesielt er det å studere kjemoøkologi av invasive arter avgjørende for utviklingen av effektive kjemiske kontrollverktøy.
Diskriminering er den viktigste observasjonen fra empiriske tester ved hjelp av Y-labyrinter der et fokalt dyr velger mellom to stimuli og at beslutningsprosessen vurderes. En sverm av atferd kan også scores i Y-labyrintforsøk under selve rettssaken (live) eller etter rettssaken (video) for å utvide inferential kraft. Kompleksiteten i de a priori målene for en gitt studie dikterer om live observasjon eller arkiverte opptak passer best til designet. Her har Y-labyrintmetoder blitt beskrevet i detalj for å adressere kjemoøkologiske spørsmål for å informere fremtidige studier av forskere som er interessert i lignende spørsmål om reptiladferd, spesielt i kjemisk økologi.
Mens Y-labyrinter er svært kraftige verktøy for å undersøke kjemisk økologi i reptiler, kan deres begrensede design utelukke andre måter å undersøke. Et mangfold av andre alternativer er imidlertid tilgjengelig11,12,20,21,22. Tungeflikkanalyser er for eksempel enklere å utføre og tillater samtidig vurdering av atferd som er utstilt til en rekke kjemiske stimuli i forhold til kontrollluktene23,24,25,26. Open-field tester er et annet alternativ der et fokusdyr fritt utforsker et kabinett til det møter en kilde til kjemiske signaler, og dets atferdsreaksjoner blir deretter scoret27,28. Kombinasjoner av disse tilnærmingene kan vurdere diskriminerende kapasiteter av reptiler i forskjellige sammenhenger som å presentere en blanding av kunstige og naturlige lukt sammen med refugia29. Y-labyrinter kan også modifiseres for å utsette dyr for luftbårne kjemiske signaler alene eller i kombinasjon med substratbårne signaler16,30og post hoc-inferens kan brukes til å redesigne datainnsamling hvis arkiverte videodata er tilgjengelige31. Bioassays bør utformes for å forenkle datainnsamling og minimere motstridende stimuli, spesielt når en bestemt kilde til signaler vurderes (f.eks. kjemiske signaler21).
Forskere i dyreatferd observerer og kvantifiserer ofte fokale dyreresponser i nye, kunstige miljøer (f.eks. en lukket labyrint med et funksjonsløst landskap), og det bør tas hensyn til om et gitt dyr utviser naturlig, utforskende oppførsel kontra unngåelse, agitasjon eller lignende nødstilt oppførsel. Fortvilet dyreadferd i eksperimentelle apparater tilskrives først og fremst neofobi: frykt fornyhet 32. Et eksempel er rømningsadferd, hvor fokusdyret skyver mot leddene eller kantene på apparatet for å oppnå utgående. Et annet eksempel er sjenanse, hvor fokusdyret demonstrerer motvilje mot å komme inn i labyrinten, hvis grad kan kvantifiseres ved ventetid av labyrintoppføring. Apparat (re)design kan lette engasjementet til fokusdyret for å unngå disse forvirrende effektene av nød. Den vanligste tilnærmingen er gjentatt introduksjon av fokaldyret til apparatet for å fjerne miljøets nyhet før testing begynner, og moderne statistiske modeller (f.eks. generaliserte lineære blandede modeller) gjør det mulig å bruke testdyr i flere studier. En viktig side relevant for økologiske hensyn i atferdstesting er at redusert neofobi er forbundet med suksessen til invasive arter33. Således, avhengig av tidligere kunnskap om den aktuelle arten, kan neofobi ha variabel betydning som en eksperimentell designvurdering.
Innsamling av atferdsdata fra videoer pålegger flere begrensninger som blir store flaskehalser i eksperimentelle tidslinjer. Lengden på en gitt prøveversjon kan for eksempel øke datauttrekkingstiden eksponentielt. En løsning er å analysere virkemåten bare til en terskel er oppfylt (f.eks. total tid aktiv). Terskelen kan baseres på den lengste videoen som er tilgjengelig for en gitt prøveperiode. Alternativt kan maskinbasert observasjon (f.eks. kunstig intelligens) utvikles, selv om dette er tids- og ressurskrevende med betydelig innsats som kreves for kvalitetskontroll. Et annet problem er databehandling: Videoer må være av tilstrekkelig kvalitet for å muliggjøre atferdsmessig poengregning og vurdering, noe som resulterer i datalagringsbegrensninger. Selv om skylagring nå er tilgjengelig, er opplastings-/nedlastingshastigheter ofte problematiske, spesielt når datainnsamling skjer på eksterne feltsteder. Ytterligere utfordringer manifesterer seg i begrensningene ved registreringsverktøy som påvirker integriteten til atferdsobservasjon. Klar visning av fokal dyreadferd er alltid nødvendig, men synligheten hindres ofte av ukontrollerbare faktorer (f.eks. fuktighet, insekter, vindbevegelse). Videre, når opptak kommer fra et enkelt perspektiv (f.eks. fugleperspektiv), er det vanskelig å vurdere atferd som forekommer i vertikalplanet (f.eks. hodehevinger14). En løsning er å gi flere kameravinkler per prøveversjon. Til slutt påvirker tiden på dagen betydelig atferdsopptak. Atferdsanalyse om natten krever et kamera med nattmodus og minimal lysprojeksjon for å unngå obstruktiv gjenskinn på Y-labyrintoverflaten eller tiltrekning av insekter som kan forstyrre kameramatingen. Tatt i betraktning det ovennevnte, kan forkunnskaper av studiestedet eller artsbiologien informere hvilke begrensninger som sannsynligvis vil oppstå med hvilken frekvens og dermed informere ønskelige utvalgsstørrelser.
Atferd er tett kombinert med fysiologi, og nytten av Y-labyrinter for evaluering av atferds endokrinologi i en rekke arter har blitt demonstrert. Denne artikkelen understreker imidlertid en viss variasjon i utførelsen av disse eksperimentene avhengig av målarter, forskningsspørsmål og tilgjengelige ressurser. Derfor bør valg av materialer og dimensjoner for hvert testoppsett vurderes nøye for potensiell etterfølgende forskningsutvidelse. § 2 beskriver modifikasjoner gjort på materialer som er beskrevet i avsnitt 1, som ble innlemmet for å imøtekomme fremtidige, mer komplekse atferdsforsøk med tegus. Den økte vertikale dybden på Everglades-labyrintene vil tillate nye spørsmål om kjemisk økologi i villfanget tegus å bli besvart uten unødig protracting prosjektdesign og oppsett, noe som ytterligere demonstrerer overførbarheten av dette eksperimentelle apparatet.
Når du bruker de ovenfor beskrevne teknikkene i en relativt ekstern innstilling (se avsnitt 2), er det flere begrensende faktorer som må vurderes, og prosjektplanlegging er avgjørende. Avhengig av den statistiske kraften som trengs for det foreskrevne behandlingseksperimentet og biologisk timing av målartene (f.eks. sesongmessighet), vil ressursene og arbeidet som kreves bli påvirket. Videre, hvis enkelt eller gjentatt bruk av fokale dyr er ønsket, er det nødvendig med forsiktig oppmerksomhet for å redusere potensielle stressfaktorer. Hver av disse faktorene vil enten forlenge prosjektets tidslinje eller kreve økt arbeidskraft, plass og materialer. For eksempel presenterer seksjon 2 bruken av villfangede mannlige pythoner som fokale dyr som følger en annen gruppe villfangede og hormonelt manipulerte menn, som alle krever omtrent 24 timers stille akklimatiseringstid i oppbevaringsbokser for å minimere stresseffekter. Selv om disse akklimatiseringsperiodene forlenget prøvetidene til over to dager, påvirker stress på grunn av fangenskap og håndtering villdyradferd og må minimeres for å generere rene datasett34,35.
Oppsummert er Y-labyrinter kraftige, tilpasningsdyktige verktøy som kan brukes til å undersøke den kjemiske økologien til mangfoldig dyreliv under vidt variable forhold, forutsatt at det er årvåken a priori planlegging. Det må tas nøye hensyn til å velge passende spørsmål og å designe det eksperimentelle oppsettet riktig for gitt taxa og betingelser. Forskere og ledere kan dra betydelig nytte av å bruke Y-labyrinter for å bedre forstå dyrekemosensorisk biologi, da disse verktøyene muliggjør fleksible eksperimentelle design som gir store mengder finskala atferdsdata, spesielt når de kombineres med eksterne overvåkingsverktøy.
The authors have nothing to disclose.
Utviklingen av den første Y-labyrinten ble støttet av samarbeidsavtaler (15-7412-1155-CA, 16-7412-1269-CA, og 17-7412-1318-CA) mellom James Madison University (JMU) og USDA Animal and Plant Health Inspection Service. Utviklingen av Y-labyrinten i Everglades nasjonalpark ble finansiert av en samarbeidsavtale (P18AC00760) mellom JMU og National Park Service. Vi takker T. Dean og B. Falk for deres tilrettelegging av dette prosjektet i Everglades NP og bistand med tillatelse og finansiering. Vi takker W. Kellow for hjelp til byggingen av USGS Y-labyrinten. C. Romagosa, L. Bonewell og R. Reed ga administrativ og logistisk støtte. Vi takker de to anonyme anmelderne som ga nyttige tilbakemeldinger. Støtten til Everglades arbeid og in-kind støtte ble gitt av U.S. Geological Survey (USGS) Greater Everglades Priority Ecosystem Science Program, National Park Service (P18PG00352) og USGS Invasive Species Program. All bruk av handels-, firma- eller produktnavn er kun til beskrivende formål og innebærer ikke godkjenning fra amerikanske myndigheter. Funnene og konklusjonene i denne publikasjonen har ikke blitt formelt formidlet av det amerikanske landbruksdepartementet og bør ikke tolkes til å representere USDA-besluttsomhet eller politikk.
1" Steel zinc-plated corner brace | Everbilt, The Home Depot | 13619 | See Supplemental File 1, Step 2.1 "90 degree 2.5 cm steel corner brace" |
121.92cm W x 304.8cm L x 1.27cm H white polypropylene Extended Range High-Heat UHMW Sheet | TIVAR | UHMNV SH | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1. "white polpropylene") |
182.88 cm L x 81.28 cm W x 0.64 cm Thick Clear Acrylic Sheet | Plexiglass | 32032550912090 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1.6. "Acrylic pieces") |
2.54 cm W x 2.54 cm H x 243.84 cm L Mill-Finished Aluminum Solid Angle | Steelworks | 11354 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1.1. "aluminum angle bracket") |
4.5 kg spool of 5 mm Round Polypropylene Welding Rods | HotAirTools | AS-PP5N10 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1. "heat weld") |
5 mm Plain Aluminum Rivets | Arrow | RLA3/16IP | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1.1. "rivet") |
Aluminum angle, 1.9 cm | Everbilt, The Home Depot | 802527 | See Supplemental File 1, Step 1.2 "aluminum angle (1.9 cm x 1.9 cm x 0.16 cm thick)" |
Aluminum angle, 2.5 cm | Everbilt, The Home Depot | 800057 | See Supplemental File 1, Steps 1.2 and 2.2.2 "aluminum angle (2.5 cm x 2.5 cm x 0.16 cm thick)" |
Aluminum angle, 3.2 cm | Everbilt, The Home Depot | 800037 | See Supplemental File 1, Step 1.2 "aluminum angle (3.2 cm x 3.2 cm x 0.16 cm thick)" |
Aluminum flat bar 1" x 1/8" thick | Everbilt, The Home Depot | 801927 | See Supplemental File 1, Step 3.2.1 "aluminum strap" |
Avigilon 2.0 MP camera | Avigilon, a Motorola Solutions Company | 2.0C-H4SL-BO1-IR | See "1.5 Camera set-up and video acquisition" (step 1.5.1 "Avigilon 2.0 MP") |
Avigilon NVR | Avigilon, a Motorola Solutions Company | HD-NVR3-VAL-6TB-NA | See "1.5 Camera set-up and video acquisition" (step 1.5.3 "NVR") |
Clear acrylic sheet (5.6 mm thick) | United States Plastic Corp. | 44363 | See Supplemental File 1, Step 1.3 "clear acrylic sheet" and step 3.2.1 "clear acrylic door" |
Fillet Weld Nozzle 3/16" x 15/32" / 4.5 x 12 mm | TRIAC | 107.139 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1. "heat weld") |
Hanging File Folder Box | Sterilite | 18689004 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.2.1. "Boxes") |
HardiePanel HZ10 | James Hardie Building Products | 9000525 | See Supplemental File 1, Step 1.1 "fiber cement siding" |
Heat Welding Gun | TRIAC | 141.227 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.1. "heat weld") |
Kraft Butcher Paper Roll, 24" | Bryco Goods | 24 inch x 175 FT | See "1.2 Protocol for running scent-laying tegus" (step 1.2.1.2 "butcher paper") |
Kraft Butcher Paper Roll, 46 cm wide | Bryco Goods | BGKW2100 | See "2.3. Protocol for running scent-laying pythons" (step 2.3.4. "scenting paper") |
Micro-90 Concentrated Cleaning Solution | International Products Corporation | M-9050-12 | See "1.4 Breakdown and clean-up" (step 1.4.4 "laboratory-grade soap") |
MKV ToolNix – Matroska tools for linux/Unix and Windows | Moritz Bunkus | v.48.0.0 | See "2.2. Camera setup and video acquisition" (step 2.2.4.2. "movie processing software") |
Network Camera | Axis Communications | M3104-LVE | See "2.2. Camera setup and video acquisition" (step 2.2.1. "Project camera") |
Palight ProjectPVC 1/4" | Palram | 159841 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.2.3. "faceplate") |
Palight ProjectPVC 1/8" | Palram | 156249 | See "2.1. Y-maze components and rationale for changes to USDA design " (step 2.1.2.1. "door") |
Privacy windscreen (green) | MacGregor | Size to fit | See Supplemental File 1, Step 4.2 "green heavy duty shade cloth" |
Protective Glove, Full-Finger | ArmOR Hand | HS1010-RGXL | See "2.3. Protocol for running scent-laying pythons" (step 2.3.11.2. NOTE: "puncture-resistant glove") |
REScue Disinfectant | Virox Animal Health | 44176 | See "1.5. Breakdown and clean-up." (step 1.5.4. NOTE "sanitation solution") |
Reversable PVC trim, 1/2" x 24" | UFP Industries, Veranda products | H120XWS17 | See Supplemental File 1, Step 2.1 "PVC board partition", and step 3.2.1 "thinner PVC trim boards" |
S4S / Veranda HP TRIM | UFP Industries, Veranda products | H190OWS4 | See Supplemental File 1, Steps 1.2, 2.2.2, and 2.2.3 "PVC board" |
S4S / Veranda HP TRIM (1" x 8" Nominal) | UFP Industries, Veranda products | 827000005 | See Supplemental File 1, Steps 3.2.1 "PVC trim board" |
ScotchBlue 24 in. Pre-taped Painter’s Plastic | 3M | PTD2093EL-24-S | See "1.2 Protocol for running scent-laying tegus" (step 1.2.1.3 "plastic sheeting") |
Sterilite 114 L tote box | Sterilite Company | 1919, Steel | See Supplemental File 1, Step 3.2 "arm box" |
Sterilite 189 L tote box | Sterilite Company | 1849, Titanium | See Supplemental File 1, Step 3.2 "Base box" |
Super Max Canopy | ShelterLogic | 25773 | See Supplemental File 1, Step 4.3 "white canopy" |
VLC Media Player | VideoLAN | v.3.0.11 | See "2.2. Camera setup and video acquisition" (step 2.2.4.3. "media file reviewing program") |
White Pavilion Tent | King Canopy | BJ2PC | See Supplimental File 2 "3. Enclosure materials and consideratons" (step 3. "pavilion tent") |