À long terme de suivi comportemental de librement piscine faiblement poisson électrique

Contexte. Expériences quantitatives sur le comportement animal (choix forcé, choc évitement, labyrinthe en T, etc.) Sont généralement utilisés pour enquêter sur des hypothèses spécifiques concernant les compétences sensori-motrices, l'apprentissage et la formation de la mémoire. Toutefois, ces expériences restrictives manquez beaucoup de la richesse du comportement animal naturel et sont susceptibles d'entraîner des modèles simplistes de la base neurale sous-jacente du comportement. Expériences dans des conditions plus naturalistes sont donc un complément important par lequel nous pouvons explorer plus à fond un répertoire comportemental de l'espèce. Expériences impliquant des animaux se déplaçant librement doivent, toutefois, de relever les défis techniques uniques tels que des artefacts d'enregistrement induite mouvement. Contrairement réponses de relance évoqués, survenant spontanément un comportement exploratoire ne peut pas être prédit, donc sujets expérimentaux doivent être constamment surveillés et suivis sur une période de temps prolongée. Questions de recherche spécifiques can être mieux traitée par les organismes soigneusement sélectionnés et des outils techniques disponibles. Par exemple, les techniques d'enregistrement et de stimulation optiques tels que des capteurs de calcium génétiquement codés et ^une optogenetics ² ont été appliqués avec succès à des organismes modèles génétiques déplacer librement ^3-5. Alternativement, les systèmes de télémesure de neurones miniaturisés peuvent enregistrer et stimuler déplacer librement petits animaux ^6,7.

Poissons électriques. WEF espèces produisent des décharges électriques d'organes (de DOE), qui leur permettent de sentir leur environnement immédiat ou de communiquer sur de grandes distances. Les tendances temporelles de DOE varient dans des conditions différentes telles que l'auto-mouvements, ^8,9 stimuli sensoriels ^10,11 et ^12,13 interactions sociales. WEF espèces de type à impulsions produisent un train d'impulsions discrètes, par opposition espèces de type à onde qui génèrent des formes d'onde quasi-sinusoïdale continue. En général, de type impulsion exposition des espèces more taux d'EOD variables par rapport à l'espèce type d'onde, et les taux de NEM des animaux reflètent fidèlement le contenu de nouveauté de leur environnement sensorielles ^10,14. espèces de type Pulse peuvent immédiatement réduire l'intervalle entre les impulsions (IPI) dans un cycle d'impulsion unique dans répondent à une perturbation sensorielle roman (réponse nouveauté ^10,11,14). Le comportement électrique continue de ces poissons peut être perturbée par des stimuli sensoriels non contrôlés provenant de sources externes, et différents types de stimuli tels que les vibrations, le son, l'électricité et la lumière sont les réponses de nouveauté de déclenchement connu. Par conséquent, des précautions particulières doivent être prises pour empêcher ou atténuer les stimuli sensoriels externes lors d'une observation à long terme de la nage libre WEF. De cette façon, les changements de taux d'EOD et trajectoires de mouvement peuvent être spécifiquement attribués à des stimuli présentés par l'expérimentateur.

Réservoir d'aquarium et de la chambre d'isolement. Nous avons donc passé plusieurs couches de matériaux absorbant les vibrations under un grand aquarium (2,1 mx 2,1 mx 0,3 m), et le réservoir entouré d'une enceinte isolée de bloquer les sources de lumière externes, le bruit électrique, le son et le flux de chaleur. EOD taux dépend de la température ambiante ^15,16, donc la température de l'eau a été strictement réglementée dans une plage tropicale (25 ± 1 ° C) pour les espèces d'Amérique du Sud WEF. Nous avons construit un grand et profond réservoir (10 cm de profondeur) à observer des comportements exploratoires spatiales de WEF essentiellement restreintes à deux dimensions (figure 1A). Le réservoir a été divisée en une arène centrale à observer des comportements spatiaux, et quatre compartiments de coin pour loger séparément chaque poisson (figure 1B). Chaque compartiment étanche à l'eau a été construit pour empêcher la communication électrique entre les individus. L'accès des animaux à l'arène centrale a été contrôlée de l'extérieur par quatre portes motorisées. Les portes ont été placées entre les compartiments, et ils sont devenus étanche lorsqu'il est verrouillépar nylon ailes noix. Pas de pièces métalliques ont été utilisés sous l'eau depuis WEF réagir avec sensibilité aux métaux.

Enregistrement EOD. DOE sont générés de manière stéréotypée par activation de simple (dans Mormyrids) ou plusieurs organes électriques répartis dans l'espace (dans Gymnotiforms) ^17,18. Modulations temporelles de la fréquence EOD peuvent révéler activités neuronales plus haut niveau, depuis le stimulateur médullaire reçoit des entrées de neurones directs des régions supérieures du cerveau comme le noyau de prepacemaker diencéphaliques, qui à son tour reçoit des projections axonales du cerveau antérieur ^19. Toutefois, le moment EOD doit être extrait avec précaution d'un enregistrement de forme d'onde brute et non biaisée par les distorsions induites par le mouvement-de l'animal. Le champ électrique généré par une FEM peut être approximée comme un dipôle, ainsi NEM impulsions amplitudes à des électrodes d'enregistrement sont fonction des distances et des orientations relatives entre l'animal et les électrodes de ^8,20. Auto-mouvem de l'animalents modifient la géométrie relative entre l'animal et les électrodes, ce qui provoquent des mouvements dans des amplitudes de NEM différentes électrodes pour faire varier au cours du temps d'une manière volatile (voir la figure 2B en juin et al. ^8). De plus, des auto-mouvements modifient également la forme de formes d'onde enregistrées NEM, parce que les contributions relatives de jeu différent des organes électriques dépendent de leurs emplacements le long de la longueur du corps et leurs courbures locales introduites par pliage queue. Les distorsions dans les amplitudes et les formes EOD induite mouvement-peuvent conduire à des mesures imprécises et non fiables synchronisation NEM. Nous avons surmonté ces problèmes en faisant la moyenne spatiale des signaux multiples NEM recensés sur différents sites, et en ajoutant un filtre d'extraction de l'enveloppe de déterminer avec précision le moment EOD d'un WEF nage libre. En outre, notre technique mesure également les amplitudes EOD, qui indiquent si un animal est au repos ou en mouvement activement sur la base du changement de l'EODamplitudes plus de temps (voir les figures 2E et 2F). Nous avons enregistré des signaux amplifiés différentielle des paires d'électrodes d'enregistrement pour réduire le bruit de mode commun. Depuis les impulsions EOD sont générées à des intervalles de temps irréguliers, le cas des séries chronologiques EOD ont un taux d'échantillonnage variable. La série temporelle EOD peut être converti en un taux d'échantillonnage constant par interpolation si nécessaire par un outil d'analyse de choix.

l'enregistrement de la vidéo. Bien que l'enregistrement EOD peut surveiller une activité de transport de brut d'un animal, l'enregistrement vidéo permet des mesures directes de corps la position et la posture de l'animal. Proche infrarouge (NIR) éclairage (λ = 800 ~ 900 nm) permet l'observation visuelle imperturbable de nager librement poissons ^21,22, depuis WEFs sont les plus actifs dans l'obscurité et les yeux ne sont pas sensibles au spectre NIR ^23,24. La plupart des capteurs d'imagerie numérique (par exemple CMOS ou CCD) peuvent capturer spectre NIR avec le wavelength comprise entre 800-900 nm, après la suppression d'un infrarouge (IR) filtre de blocage ^25. Certains consommation de qualité webcams haut de gamme offrent haute définition, large angle de vision et une bonne sensibilité en faible luminosité, ce qui peut produire une qualité d'image comparable ou supérieure aux caméras infrarouges de qualité professionnelle disponibles à coûts beaucoup plus élevés. En outre, certains consommation de qualité webcams sont livrées avec un logiciel d'enregistrement qui permet une durée d'enregistrement prolongée par la compression vidéo sans perte de qualité. La plupart des appareils de qualité professionnelle offrent synchronisation TTL sorties d'impulsions de temps ou entrées d'impulsions de déclenchement TTL ²⁶ pour aligner la synchronisation entre la vidéo avec les signaux numérisés, mais cette fonction est généralement absent dans consommation de qualité webcams. Toutefois, la synchronisation entre un enregistrement vidéo et un convertisseur analogique-numérique du signal peut être adaptée avec précision en capturant simultanément une LED IR clignoter périodiquement avec la caméra et le convertisseur analogique-numérique du signal. La synchronisation initiale et finale impulsion IR peut être utilisé uns deux marqueurs de calibrage de temps pour convertir le nombre de trames vidéo à l'unité de temps signal de convertisseur analogique-numérique et inversement.

Éclairage et arrière-plan. Capture d'image dans l'eau peut être techniquement difficile en raison de réflexions de la lumière à la surface de l'eau. La surface de l'eau peut agir comme un miroir pour refléter une scène visuelle au-dessus de l'eau et des fonctionnalités visuelles obscurs sous-marine; ainsi la scène ci-dessus de l'eau doit être rendue sans relief pour prévenir toute interférence visuelle. Afin d'image de l'ensemble de l'aquarium, une caméra doit être placé au dessus de l'eau, et il doit être caché derrière le plafond au-dessus d'un petit trou d'observation pour éviter sa réflexion sur la surface de l'eau. En outre, la surface de l'eau peut produire des éclats et éclairage non uniforme si les sources lumineuses sont projetées de manière incorrecte. Éclairage indirect peut obtenir une luminosité uniforme sur toute aquarium en visant les sources de lumière vers le plafond, de telle sorte que le plafond et le wal environnantels peuvent réfléchir et diffuser les rayons de lumière avant d'atteindre la surface de l'eau. Choisir un illuminateur infrarouge qui correspond à une réponse spectrale de l'appareil (par exemple 850 nm longueur d'onde maximale). Le bruit électrique provenant des sources de lumière peut être minimisé en utilisant des lumières LED et de placer leurs alimentations en courant continu à l'extérieur de la cage de Faraday. Placez un fond blanc sous le réservoir, car les poissons contraste bien dans un fond blanc à des longueurs d'onde NIR. De même, l'utilisation de mat de couleur blanche sur les surfaces intérieures de la chambre d'isolation fournit uniforme et brillant éclairage de fond.

suivi de la vidéo. Après un enregistrement vidéo, un algorithme de suivi automatique des images peut mesurer les positions et les postures du corps de l'animal au fil du temps. Le suivi de la vidéo peut être effectuée automatiquement par le logiciel soit prêt à l'emploi (Point de vue ou Ethovision), ou un logiciel programmable par l'utilisateur (OpenCV ou MATLAB Traitement de l'image boîte à outils). En tant que première étape de poursuite d'image,une zone de suivi valide doit être défini par le dessin d'une forme géométrique d'exclure la zone à l'extérieur (opération de masquage). Ensuite, l'image d'un animal doit être isolé à partir de l'arrière-plan en soustrayant une image de fond à partir d'une image contenant l'animal. L'image soustraite est converti en un format binaire en appliquant un seuil d'intensité, de telle sorte que le centre de gravité et l'axe d'orientation peuvent être calculées à partir des opérations morphologiques binaires. Dans Gymnotiforms ^27-29 et ^30-32 Mormyrids, la densité de électrorécepteur est la plus haute à proximité de la région de la tête; ainsi la position de la tête à tout moment, indique un emplacement de la plus haute acuité sensorielle. Les emplacements de tête et de queue peuvent être automatiquement déterminées en appliquant les opérations de rotation d'image et sélection-box. Les extrémités de tête et de queue peuvent être distingués les uns des autres en les définissant manuellement dans la première image, et en gardant la trace de leurs emplacements de la comparaison de deux trames successives.