القياسات التلقائية للنوم والنشاط الحركي في كافيفيش المكسيكية
Summary
هذا البروتوكول تفاصيل المنهجية للتحديد الكمي للسلوك الحركي والنوم في كافيفيش المكسيكية. يتم توسيع التحليلات السابقة لقياس هذه السلوكيات في الأسماك يضم اجتماعيا. يمكن تطبيق هذا النظام على نطاق واسع لدراسة النوم والنشاط في الأنواع الأخرى.
Abstract
عبر يعج، يتميز النوم يحافظ على درجة عالية من الخصائص السلوكية التي تشمل عتبة الاستثارة مرتفعة، وانتعاش بعد الحرمان من النوم، وتوحيد فترات الجمود السلوكي. كافيفيش المكسيكية، أستياناكس مكسيكي (مكسيكي) أ ()، نموذج لدراسة تطور سمة استجابة لاضطراب البيئة. ألف-مكسيكي موجودة كما هو الحال في أشكال سطح المسكن العينين ومتعددة من السكان تعيش في كهف الأعمى التي لديها اختلافات مورفولوجية والسلوكية قوية. فقدان النوم حدث في متعددة، تطورت بشكل مستقل كافيفيش السكان. ويصف هذا البروتوكول منهجية للتحديد الكمي للنوم والنشاط الحركي في كهف مكسيكي (أ) وأسماك السطح. فيديو فعالة من حيث التكلفة نظام مراقبة يسمح لتصوير السلوكية من الأسماك اليرقات أو الكبار مساكن منفردة لمدة أسبوع أو أكثر. يمكن تطبيق النظام الصيد الذين تتراوح أعمارهم بين 4 أيام بعد الإخصاب من خلال مرحلة البلوغ. يمكن تكييفها مع النهج أيضا لقياس آثار التفاعلات الاجتماعية في النوم عن طريق تسجيل الأسماك متعددة في ساحة واحدة. وبعد التسجيلات السلوكية، يتم تحليل البيانات باستخدام الآلي تتبع البرامج وتحليل السكون هو معالجتها باستخدام البرامج النصية المخصصة التي قياس متغيرات النوم متعددة بما في ذلك مدة وطول نوبة ونوبة عدد. يمكن تطبيق هذا النظام لتدبير النوم والسلوك الإيقاعية والنشاط الحركي في تقريبا أي الأنواع السمكية بما في ذلك الزرد وستيكليباكس.
Introduction
النوم هو المحافظة عاليا في جميع أنحاء المملكة الحيوانية في المستويات الفسيولوجية والوظيفية والسلوكية1،،من23. في حين يتم تقييم النوم في الحيوانات المختبرية الثدييات عادة باستخدام اليكترونسيفالوجرامس، التسجيلات الكهربية عملية أقل في نظم نموذجية قابلة وراثيا صغيرة وهكذا يقاس استناداً إلى السلوك3 عادة النوم , 4-الخصائص السلوكية المرتبطة بالنوم هي المحافظة جداً في جميع أنحاء المملكة الحيوانية وتشمل زيادة الاستثارة العتبة، عكس مع التحفيز، والتتابع سلوكية مطول5. يمكن استخدام هذه الإجراءات لتوصيف النوم في الحيوانات التي تتراوح من الدودة السلكية، C. ايليجانس، عن طريق البشر6.
يتطلب استخدام التتابع السلوكية لتوصيف النوم برامج التتبع الآلي. مع تتبع البرامج، يتم تحديد فترات النشاط والجمود على مدى عدة أيام، وفترات طويلة من الخمول تصنف النوم7،8. في السنوات الأخيرة، وضعت عدة نظم التتبع للحصول على بيانات نشاط بين مجموعة متنوعة نظم نموذجية قابلة جينياً الصغيرة؛ بما في ذلك الديدان وذبابة الفاكهة والأسماك9،،من1011. وتقترن هذه البرامج بالبرمجيات التي تسمح للتتبع الآلي لسلوك الحيوانات، بما في ذلك مجانية المصدر المفتوح والبرمجيات المتاحة تجارياً7،،من1213،14 . هذه الأنظمة تختلف في مرونتها وتسمح بفحص كفاءة وتوصيف للنوم تعمل في العديد من النماذج تنظيمي وراثيا.
التحقيق الوراثي للنوم في الزرد، دانيو rerio، أدى إلى تحديد العديد من الجينات والدوائر العصبية التي تنظم النوم15،16. في حين أن هذا قد وفرت نظاما قويا للتحقيق على أساس العصبية للنوم في الحيوانات الفقارية مختبر، أقل بكثير معروفة حول كيفية تطور النوم وكيف الطبيعية يسهم الاختلاف النوم التنظيم. كافيفيش المكسيكية، أستياناكس مكسيكي (A. مكسيكي)، تطورت الاختلافات الهائلة في النوم والنشاط الحركي وايقاعات circadian17،18. وتوجد هذه الأسماك كما أيد الأسماك السطحية التي تعيش في الأنهار في جنوب تكساس والمكسيك ومالا يقل عن 29 الكهف السكان في جميع أرجاء منطقة سييرا ديل العبرة من شمال شرق المكسيك19،،من2021. بشكل ملحوظ، تظهر العديد من الفوارق السلوكية، بما في ذلك فقدان النوم، قد ظهر بشكل مستقل في عدة كافيفيش السكان14،22. ولذلك، توفر cavefish نموذجا للتحقيق في تطور متقاربة من النوم، الإيقاعية، والسلوكيات الاجتماعية.
ويصف هذا البروتوكول نظام لقياس النوم والسلوك الحركي في A. يرقات مكسيكي والكبار. نظام تسجيل مبنية على أساس الأشعة تحت الحمراء يسمح لتسجيل الفيديو من الحيوانات تحت ظروف الضوء والظلام. يمكن استخدام البرمجيات المتاحة تجارياً لقياس النشاط وتستخدم وحدات الماكرو المخصصة لقياس جوانب عدة من الخمول، وتحديد فترات للنوم. ويصف هذا البروتوكول أيضا التعديلات التجريبية لتعقب نشاط الحيوانات متعددة داخل خزان، وتوفير القدرة على دراسة التفاعلات بين النوم والسلوكيات الاجتماعية. يمكن تطبيق هذه النظم لتدبير النوم والسلوك الإيقاعية والنشاط الحركي في الأنواع السمكية إضافية بما في ذلك الزرد وستيكليباكس.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويصف هذا البروتوكول نظام مخصص للتحديد الكمي للنوم والنشاط الحركي في cavefish اليرقات والكبار. كافيفيش ظهرت كنموذج رائد لدراسة تطور النوم التي يمكن استخدامها للتحقيق أساسا الوراثية والعصبية من النوم البند1. وتشمل الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول الأمثل للإضاءة وجوده الفيديو لض…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيده هذا العمل جائزة NIGMS GM127872 ACK، وجائزة NINDS 105072 للشعبة و ACK، وجبهة الخلاص الوطني جائزة 1656574 إلى 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. |
Riferimenti
- 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).
