מעקב אחר התנהגות והדימות Neuromast של Cavefish מקסיקני
Summary
כאן, אנו מציגים שיטות למחקר תפוקה גבוהה של סדרת cavefish מקסיקני התנהגויות, צביעת חיוני של מערכת mechanosensory. שיטות אלה להשתמש בקבצי script התוכנה-החופשית, מחוייט, מתן שיטה מעשית וחסכונית עבור המחקרים של התנהגויות.
Abstract
בעלי החיים שוכני המערה התפתחו סדרה של מאפיינים מורפולוגיים והתנהגותיים להסתגל לסביבות שלהם חשיבתו אפל, מזון-דליל. בין התכונות הללו, התנהגות הרעיה הוא אחד החלונות שימושי לתוך יתרונות פונקציונליים של האבולוציה תכונה התנהגותית. שהוצגו במסמך זה הן שיטות מעודכן לניתוח התנהגות המשיכה רטט (VAB: התנהגות אדפטיבית הרעיה) הדמיה של mechanosensors המשויכת של טטרה הותאם המערה, Astyanax mexicanus. בנוסף, שיטות מוצגים לצורך מעקב תפוקה גבוהה של סדרת התנהגויות cavefish נוספים כולל היפראקטיביות ושינה-הפסד. Cavefish גם להראות asociality, התנהגות שחוזרת על עצמה וחרדה גבוהה יותר. לכן, cavefish לשמש מודל חיה עבור התנהגויות מפותחת. שיטות אלה להשתמש בקבצי script התוכנה-החופשית, בהזמנה אישית שניתן להחיל על סוגי אחרים של התנהגות. שיטות אלה מספקים חלופות מעשי וחסכוני תוכנת מעקב זמינים מסחרית.
Introduction
טטרה מקסיקנית, Astyanax mexicanus (Teleostei: Characidae), מיוחד בין הדגים שיש שני morphs אלטרנטיביות שונות באופן קיצוני – מורף רואי, השטח-המגורים ואת מורף עיוורת, שוכני המערה מורכבת מכמה ברורים אוכלוסיות1. למרות שונה מורפולוגיה ופיזיולוגיה, הם עדיין interfertile2,3. אלה morphs interfertile להופיע התפתחו במהירות (~ 20,000 שנים)4, מה שהופך אותם מערכת מודל אידיאלי לחקר הסתגלותם המהירה. Cavefish ידועים חבילה של תכונות מורפולוגיים והתנהגותיים מתבדרת כולל צפיפות מוגברת של בלוטות הטעם, עלייה במספר mechanosensors, הרעיה התנהגות מכוון לתדר מסוים של גירוי רוטטת, היפראקטיביות, ו נדודי שינה. רבים של התנהגויות אלו ככל הנראה התפתח בו זמנית, אשר חלקם שהוצעו להיות יתרון בחשכת מערות שיחור מזון5 ושימור אנרגיה בסביבות כהה, מזון-דליל6,7.
במערכות רבות של המודל האבולוציוני, קשה לרכוש ידע משולב על שינוי התנהגות ומורפולוגיה כמה בעלי חיים בתגובה הסביבה כי רוב המינים מופצים מעבר הדרגתי מתמשך בסביבות מורכבות. עם זאת, הניגוד סטארק בין המערה של השטח מורף Astyanax שהתפתחו ב מאוד מנוגדים סביבות המותווית על ידי אקוטון חדה הובילה Astyanax המתעוררים כמודל מעולה כדי להבין את התפתחות בעלי חיים. הדבר מאפשר לקשר בקלות רבה יותר גנים ותהליכים התפתחותיים עם תכונות הסתגלות ומבחר בסביבה. יתר על כן, חקירות ביו האחרונים של תכונות אלה ב- Astyanax הראו כי התכונות הללו עשויים מקבילי הסימפטומים האנושי8,9,10. לדוגמה, הפסד של sociality ושינה, ורווח של קשב, התנהגות שחוזרת על עצמה, רמת הקורטיזול דומים מה נצפית בבני אדם עם הפרעת ספקטרום אוטיזם8.
כדי לטפל ההתפתחות שיתוף מורכבים של התנהגויות רבות תכונות מורפולוגיות, זה יתרון assay רבים מהם כדי לסמן מסלולים גנטית ומולקולרית המשמש כבסיס. שהוצגו במסמך זה הן שיטות אפיון מידת פנוטיפים התנהגותיים המערה-סוג של משטח המערה, היברידית morphs של Astyanax. ההתנהגויות מוקד ניתח לאפיין פנוטיפ הם למערה הותאם הרעיה התנהגות (רטט משיכה, המכונה מעתה ואילך VAB), היפראקטיביות/שינה משך11,12. הציג גם היא שיטת הדמיה של מערכת החישה המשויך VAB13. לאחרונה, תוכנת קוד פתוח מעקב רבים עבור הפעלת מבחני התנהגות הפכו זמינים14,15. אלה עובדים טוב מאוד עבור קטעי וידאו קצרים, פחות מ 10 דקות. עם זאת, הוא הופך להיות בעייתי אם הוידאו ארוך בגלל זמן חישוב/מעקב אינטנסיבי. תוכנה זמינים מסחרית מסוגל יכול להיות יקר. השיטות הציג בעיקר השתמש freeware, ולכן נחשבים חסכוניים ושיטות תפוקה גבוהה. נכללים גם התוצאות נציג מבוססים על שיטות אלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטות אלה שהוצגו קל לגישה אבל יכול להיות מסובך לביצוע בשל אופיו של מקורותיה freeware. לכן, מומלץ מאוד לבצע מבחני ניסיון וניתוחים לפני כל ניסויים בפועל.
קצב נתונים הדור יכול להיות מהירה ברגע הוקם במסגרת ניסיוני אנליטיים. הוקמה לאחר, זה אפשרי להקליט שני דגים ב- 7 דקות לקבלת VAB וזמינ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לכל חברי המעבדה יושיזאווה כולל Cetraro ש ש סיימון, ג ולדז, ג Macapac, ג’יי צ’וי, ל’ Lu, ג’יי נגוין, ס פודהורצר, ה Hernandes, פונג ג’יי, ג’יי קאטו, אני לורד לטיפול דגים על הדגים נסיוני בשימוש כתב היד הזה. אנו מודים גם חברי המעבדה קין א כולל עמ’ Masek לאמן שלי להרכיב מצלמת IR CCD. לבסוף, ברצוננו להודות את מעבדת המדיה – המכללה למדעי החברה – בית הספר לתקשורת האוניברסיטה של hawai ‘ i Mānoa על עזרתם לא בפז עם ביצוע הווידאו, סמית ב’, ג’ לאם ולבן ס במיוחד. עבודה זו נתמכה על ידי קרן קהילתית הוואי (16CON-78919 ו- 18CON-90818), המכון הלאומי של הבריאות NIGMS (P20GM125508) מעניק שלי.
Materials
| 4-Di-1-ASP (4-(4-(dimethylaminostyryl)-1-methylpyridinium iodide) | MilliporeSigma | D3418 | |
| 880 nm wave length black light | Advanced Illumination | BL41192-880 | |
| avfs | freeware | Version 1.0.0.6 | http://turtlewar.org/avfs/ |
| Avisynth | freeware | Version 2.6.0 | http://avisynth.nl/index.php/Main_Page |
| Cygwin | freeware | Version 2.11.0 | https://www.cygwin.com/ |
| Cylindrical assay chamber (Pyrex 325 ml glass dish) | Corning | 3140-100 | 10 cm diameter 5 cm high |
| Ethovision XT | Noldus Information Technology, Wageningen, The Netherlands | Version 14 | https://www.noldus.com/animal-behavior-research/products/ethovision-xt |
| Fish Aquarium Cylinder Soft Sponge Stone Water Filter, Black | Jardin (through Amazon.com) | NA | Sponge filter for Sleep/hyperactivity recording system |
| Grade A Brine shrimp eggs | Brine shrimp direct | BSEA16Z | |
| ImageJ | freeware | Version 1.52e | https://imagej.nih.gov/ij/ |
| macro 1.8/12.5-75mm C-mount zoom lens | Toyo | NA | Attach to USB webcam by using c-mount, which is printed in 3-D printer |
| Neutral Regulator | Seachem | NA | |
| Optical cast plastic IR long-pass filter | Edmund optics | 43-948 | Cut into a small piece to fit in the CCD of USB webcam |
| pfmap | freeware | Build 178 | http://pismotec.com/download/ (at “Download Archive” link at the bottom) |
| Reef Crystals Reef Salt | Instant Ocean | RC15-10 | |
| SwisTrack | freeware | Version 4 | https://en.wikibooks.org/wiki/SwisTrack |
| USB webcam (LifeCam Studio 1080p HD Webcam) | Microsoft | Q2F-00013 | Cut 2-2.5 cm of the front |
| WinAutomation | freeware | Version 8 | https://www.winautomation.com/ (free stand-alone app for this procedure) |
| Windows operating system | Microsoft | 7, 8 or 10 | https://www.microsoft.com/en-us/windows |
| x264vfw | freeware | NA | https://sourceforge.net/projects/x264vfw/ |
Referências
- Keene, A. C., Yoshizawa, M., McGaugh, S. E. . Biology and Evolution of the Mexican Cavefish. Biology and Evolution of the Mexican Cavefish. , (2015).
- Mitchell, R. W., Russell, W. H., Elliott, W. R. . Mexican eyeless characin fishes, genus Astyanax: Environment, distribution, and evolution.Special publications the museum Texas Tech University. (12), (1977).
- Wilkens, H. Evolution and genetics of epigean and cave Astyanax-fasciatus (Characidae, Pisces) – Support for the neutral mutation theory. Evolutionary Biology. 23, 271-367 (1988).
- Fumey, J., Hinaux, H., Noirot, C., Thermes, C., Rétaux, S., Casane, D. Evidence for late Pleistocene origin of Astyanax mexicanus cavefish. BMC Evolutionary Biology. 18 (1), 1-19 (2018).
- Yoshizawa, M., Gorički, S., Soares, D., Jeffery, W. R. Evolution of a behavioral shift mediated by superficial neuromasts helps cavefish find food in darkness. Current Biology. 20 (18), 1631-1636 (2010).
- Moran, D., Softley, R., Warrant, E. J. Eyeless Mexican cavefish save energy by eliminating the circadian rhythm in metabolism. PloS One. 9 (9), e107877 (2014).
- Moran, D., Softley, R., Warrant, E. J. The energetic cost of vision and the evolution of eyeless Mexican cavefish. Science Advances. 1 (8), e1500363 (2015).
- Yoshizawa, M., et al. The Evolution of a Series of Behavioral Traits is associated with Autism-Risk Genes in Cavefish. BMC Evolutionary Biology. 18 (1), 89 (2018).
- Riddle, M. R., et al. Insulin resistance in cavefish as an adaptation to a nutrient-limited environment. Nature. 555 (7698), 647-651 (2018).
- Protas, M. E., et al. Genetic analysis of cavefish reveals molecular convergence in the evolution of albinism. Nature Genetics. 38 (1), 107-111 (2006).
- Yoshizawa, M., et al. Distinct genetic architecture underlies the emergence of sleep loss and prey-seeking behavior in the Mexican cavefish. BMC Biology. 13 (1), 15 (2015).
- Duboué, E. R., Keene, A. C., Borowsky, R. L. Evolutionary convergence on sleep loss in cavefish populations. Current Biology. 21 (8), 671-676 (2011).
- Fernandes, V. F. L., Macaspac, C., Lu, L., Yoshizawa, M. Evolution of the developmental plasticity and a coupling between left mechanosensory neuromasts and an adaptive foraging behavior. Biologia do Desenvolvimento. 441 (2), 262-271 (2018).
- Pérez-Escudero, A., Vicente-Page, J., Hinz, R. C., Arganda, S., de Polavieja, G. G. idTracker: tracking individuals in a group by automatic identification of unmarked animals. Nature Methods. 11, 743 (2014).
- 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).
- Yoshizawa, M., Jeffery, W. R., Van Netten, S. M., McHenry, M. J. The sensitivity of lateral line receptors and their role in the behavior of Mexican blind cavefish (Astyanax mexicanus). Journal of Experimental Biology. 217 (6), (2014).
- Lee, A. . Virtualdub. , (2014).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Cavallari, N., et al. A blind circadian clock in cavefish reveals that opsins mediate peripheral clock photoreception. PLoS Biology. 9 (9), e1001142 (2011).
- Swimmer, B., Lang, H. H. . Surface Wave Discrimination between Prey and Nonprey by the Back Swimmer Notonecta glauca L. (Hemiptera , Heteroptera ). 6 (3), 233-246 (1980).
- Montgomery, J. C., Macdonald, J. A. . Sensory Tuning of Lateral Line Receptors in Antarctic Fish to the Movements of Planktonic Prey. 235 (4785), 195-196 (1987).
- Prober, D. A., Rihel, J., Onah, A. A., Sung, R. J., Schier, A. F. Hypocretin/orexin overexpression induces an insomnia-like phenotype in zebrafish. The Journal of Neuroscience. 26 (51), 13400-13410 (2006).
- Zhdanova, I. V., Wang, S. Y., Leclair, O. U., Danilova, N. P. Melatonin promotes sleep-like state in zebrafish. Brain Research. 903 (1-2), 263-268 (2001).
- Nussbaum-Krammer, C. I., Neto, M. F., Brielmann, R. M., Pedersen, J. S., Morimoto, R. I. Investigating the Spreading and Toxicity of Prion-like Proteins Using the Metazoan Model Organism C. elegans. Journal of Visualized Experiments. (95), e52321 (2015).
- Rasband, W. S. . Object Tracker. , (2000).
- Ferreira, T., Rasband, W. Create Shortcuts. ImageJ User Guide. , (2012).
- Lochmatter, T., Roduit, P., Cianci, C., Correll, N., Jacot, J., Martinoli, A. . SwisTrack. , (2008).
