Автоматические измерения сна и двигательной активности в мексиканской Cavefish
Summary
Этот протокол описывает методологии для количественного определения двигательного поведения и сна в мексиканской cavefish. Предыдущий анализ распространяются для измерения этих поведений в социально размещается рыбы. Эта система может быть широко применяется для изучения сна и деятельности в других видов рыб.
Abstract
Различных типов сон характеризуется весьма сохранены поведенческие характеристики, которые включают в себя повышенное возбуждение порог, отскок после лишения сна и сводный периодов поведенческих неподвижности. Мексиканский cavefish Астианакт гракл (A. гракл), представляет собой модель для изучения эволюции черта в ответ на экологические возмущений. A. гракл существуют как голубоглазых поверхности жилые формы и несколько слепой местонахождения троглофильных населения, которые имеют надежные морфологических и поведенческих различий. В нескольких, независимо эволюционировали cavefish населения произошла потеря сна. Этот протокол описывает методологию количественной оценки сна и двигательной активности в A. гракл пещеры и поверхности рыбы. Экономически эффективные системы видеонаблюдения позволяет поведенческих изображений индивидуально размещается личинок и взрослых рыб для периодов в неделю или больше. Система может применяться для рыб оплодотворение пост возрасте 4 дней до зрелого возраста. Этот подход также может быть адаптирована для измерения воздействия социальных взаимодействий на сон, записав несколько рыб в одном Арена. После поведенческие записи данные анализируются с помощью автоматизированного отслеживания программного обеспечения и анализ сна обрабатывается с помощью пользовательских сценариев, которые количественно определить несколько переменных сна, включая продолжительность, продолжительность схватки и схватки номер. Эта система может применяться мера сна, суточного поведение и двигательной активности в практически любых видов рыб, включая данио рерио и sticklebacks.
Introduction
Сон очень сохраняется во всем животном в физиологических, функциональные и поведенческие уровни1,2,3. Во время сна у лабораторных млекопитающих животных обычно оценивается с помощью электроэнцефалограмм, электрофизиологические записи менее практичными в маленькую генетически поддаются модель систем и таким образом сна обычно измеряется на основании поведения3 , 4. поведенческие характеристики, связанные с сна очень сохраняются во всем животном и включают в себя повышенное возбуждение порог, обратимость стимуляции, и длительное поведенческих покоя5. Эти меры может использоваться для характеристики сна в животных, начиная от нематод червя нематоды Caenorhabditis elegans, через людей6.
Использование поведенческих покоя характеризовать сна требует автоматизированного отслеживания программного обеспечения. С отслеживания программного обеспечения, периоды активности и неподвижность определяются через несколько дней, и длительные периоды бездействия, классифицируются как спать7,8. В последние годы были разработаны несколько систем отслеживания для получения данных о деятельности среди многообразия систем малых генетически поддаются модель; включая червей, плодовых мух и рыбы9,10,11. Эти программы сопровождаются программного обеспечения, которое позволяет для автоматизированного отслеживания поведения животных, включая как freeware открытым исходным кодом, так и коммерчески доступное программное обеспечение7,12,13,14 . Эти системы отличаются в их гибкости и разрешить для эффективного отбора и определения характеристик фенотипов сна в многочисленных генетически исправимый модели.
Генетическое исследование сна в данио рерио данио рерио, привела к выявлению множества генов и нейронных цепей, которые регулируют сон15,16. Хотя это обеспечил мощную систему для расследования нейронной основе сна в позвоночных лабораторных животных, гораздо меньше известно о как развивается сна и как естественные вариации способствует спать регулирования. Мексиканский cavefish, Астианакт гракл (A. гракл), произошли резкие различия в сон, двигательной активности и циркадные ритмы17,18. Эти рыбы существуют как голубоглазых поверхности рыб, которые обитают рек Мексики и Южной Техас и по крайней мере 29 пещера населения во всем регионе Сьерра-дель-Abra северо-востоке Мексики19,,2021. Удивительно многие поведенческие различия, включая потерю сна, как представляется, возникли независимо в нескольких cavefish населения14,22. Таким образом cavefish обеспечивают модель для изучения конвергентной эволюции сна, спать, и социального поведения.
Этот протокол описывает систему для измерения сна и двигательного поведения в A. гракл личинок и взрослых. Заказ на основе инфракрасного записи система позволяет для записи видео животных в светлых и темных условиях. Коммерчески доступное программное обеспечение может использоваться для измерения активности и пользовательские макросы используются для количественного определения некоторых аспектов бездействия и определить периоды сна. Этот протокол также описывает экспериментальных изменений для отслеживания активности несколько животных в танк, предоставляя возможность изучения взаимодействия между сна и социального поведения. Эти системы могут применяться для измерения сна, суточного поведение и двигательной активности в дополнительных рыб, включая данио рерио и sticklebacks.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает пользовательские системы для количественной оценки сна и двигательной активности в личинок и взрослых cavefish. Cavefish появились как ведущих модель для изучения эволюции сна, который может использоваться для изучения генетических и нейронных основу сна положение<sup…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана NIGMS премии GM127872 ACK, премии 105072 NINDS БОВ и ACK и NSF награду 1656574 ACK.
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. |
Referencias
- 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).
