Langfristige Verhaltens Verfolgung von Frei Schwimmen Schwach elektrische Fische

Hintergrund. Quantitative Versuche über das Verhalten von Tieren (z. B. Zwangs Wahl, Stoßvermeidung, T-Labyrinth, etc.) Werden in der Regel verwendet, um spezifische Hypothesen zu untersuchen über sensorisch-motorischen Fähigkeiten, Lernen und Gedächtnisbildung. , Vermissen jedoch diese restriktiven Experimente viel von dem Reichtum an natürlichen Verhalten der Tiere und werden wahrscheinlich in stark vereinfachte Modelle der zugrunde liegenden neuronalen Grundlagen von Verhalten führen. Experimente unter naturalistischen Bedingungen sind daher eine wichtige Ergänzung, durch die wir näher erkunden eine Art Verhaltensrepertoire. Experimente mit frei beweglichen Tieren müssen jedoch ansprechen einzigartige technische Herausforderungen wie bewegungsinduzierte Aufnahme Artefakte. Anders als Stimulus hervorgerufene Reaktionen, spontan auftretende Erkundungsverhalten nicht vorhergesagt werden, somit Versuchspersonen müssen ständig überwacht und über einen längeren Zeitraum verfolgt werden. Spezifische Forschungsfragen can am besten durch sorgfältig ausgewählte Organismen und verfügbaren technischen Tools angesprochen werden. Zum Beispiel sind optische Aufzeichnungs-und Stimulationstechniken wie genetisch codierten Calciumsensoren ¹ und ² Optogenetik wurde erfolgreich eingesetzt, um frei beweglichen genetischen Modellorganismen ^3-5. Alternativ können miniaturisierte neuronalen Telemetriesysteme erfassen und frei bewegen zu stimulieren kleine Tiere ^6,7.

Elektrische Fische. WEF-Arten erzeugen elektrische Orgel Entladungen (EOD), die sie an die unmittelbare Umgebung erfassen oder über größere Entfernungen kommunizieren. Zeitlichen Muster der EOD variieren unter verschiedenen Bedingungen wie Selbst Bewegungen ^8,9, Sinnesreize ^{10,11, 12,13} und soziale Interaktionen. Pulse-Typ-WEF Arten produzieren eine Folge von diskreten Impulsen, im Gegensatz zu Wave-Arten, die quasi-kontinuierliche Sinuswellenformen zu erzeugen. Im Allgemeinen impulsartige Spezies weisen morE EOD variable Rate im Vergleich zu den Wellentyp-Spezies und Tiere "EOD Raten Neuheit Inhalt ihrer sensorischen Umgebung ^10,14 eng reflektieren. Puls-Typ-Arten können die inter-Pulsintervall (IPI) in einer einzigen Impulszyklus verkürzen sofort reagieren in ein neues Sinnesstörung (Neuheit Antwort ^10,11,14). Die anhaltende elektrische Verhalten dieser Fische können durch unkontrollierte Sinnesreize von außen gestört werden, und verschiedene Arten von Reizen wie Vibration, Klang, Elektrizität und Licht sind bekannt Trigger Neuheit Antworten. Daher müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um während einer Langzeitbeobachtung von frei schwimm WEF blockieren oder abschwächen externe Sinnesreize werden. Auf diese Weise können Änderungen in der EOD Rate und Bewegungsbahnen speziell auf Reize vom Experimentator dargestellt zurückzuführen.

Aquarium Tank-und Isolationskammer. Deshalb platziert mehrere Schichten von schwingungsdämpfenden Materialien under ein großes Aquarium (2,1 mx 2,1 mx 0,3 m) und umgeben den Tank mit einem isolierten Gehäuse für externe Lichtquellen, elektrisches Rauschen, Ton-und Wärmefluss blockieren. EOD Rate ist abhängig von der Umgebungstemperatur ^15,16, also die Wassertemperatur wurde dicht an einem tropischen Bereich (25 ± 1 ° C) für die südamerikanischen Arten WEF geregelt. Wir konstruierten einen großen und flachen (10 cm Wassertiefe) Tank zu Sondierungs räumliche Verhalten der WEF vor allem in zwei Dimensionen (Abbildung 1A) eingeschränkt beobachten. Der Tank wurde in eine zentrale Arena räumliche Verhalten zu beobachten, und vier Ecken Fächer unterteilt ist, um einzelne Fische einzeln aufzunehmen (Fig. 1B). Jedes Abteil wurde wasserdicht gebaut, um eine elektrische Kommunikation zwischen Individuen zu verhindern. Zugang der Tiere zu der zentralen Bühne wurde von außen durch vier motorisierten Gates gesteuert. Die Tore wurden zwischen den Abteilen platziert, und sie wurde als wasserdicht verschlossenvon Nylon-Flügelmuttern. Keine Metallteile wurden verwendet, Unterwasser seit WEF reagieren empfindlich auf Metalle.

EOD Aufnahme. EOD in einer stereotypen Art und Weise durch die Aktivierung der einzelnen (in Mormyrids) oder mehrere räumlich verteilte elektrische Organe (in Gymnotiforms) ^17,18 erzeugt. Zeitliche Modulationen in der EOD Rate geordneten neuronalen Aktivitäten zu offenbaren, da die Markschrittmacher erhält direkten neuronalen Eingänge von höheren Hirnregionen wie dem Zwischenhirn prepacemaker Kern, die wiederum erhält axonalen Projektionen aus dem Vorderhirn ^19. Jedoch muss der EOD Zeit sorgfältig aus einem rohen Wellenaufnahme extrahiert werden und nicht durch die Bewegung induzierte Verzerrungen des Tieres vorgespannt ist. Das elektrische Feld durch eine WEF erzeugt als Dipol angenähert werden, so EOD Impulsamplituden an Aufzeichnungselektroden von den relativen Abstände und Orientierungen zwischen dem Tier und den Elektroden ^8,20. Tierselbst movemEltern verändern die relative Geometrie zwischen dem Tier und den Elektroden, wodurch Bewegungen bewirken, dass die EOD-Amplituden bei verschiedenen Elektroden mit der Zeit in einer flüchtigen Weise zu variieren (siehe Abbildung 2B im Juni et al. ^8). Außerdem Eigenbewegungen auch die Form der aufgezeichneten Wellenformen EOD ändern, denn relativen Beiträge von anderen Satz von der elektrischen Organe hängen von ihren Standorten entlang der Körperlänge und ihre lokalen Krümmungen durch Schwanzbiege eingeführt. Die Bewegungs-induzierten Verzerrungen in den EOD Amplituden und Formen können zu ungenauen und unzuverlässigen EOD Zeitmessungen führen. Wir überwanden diese Probleme durch die Mittelung mehrerer räumlich EOD Wellenformen an verschiedenen Orten aufgenommen und durch Zugabe einer Hülle Extraktionsfilter genau bestimmen die EOD Timing von einer frei schwimm WEF. Darüber hinaus misst unsere Technik auch EOD Amplituden, die anzeigen, ob ein Tier ruht oder aktiv bewegt, basierend auf der Änderung des EODAmplituden über die Zeit (siehe Abb. 2E und 2F). Wir nahmen differentiell verstärkten Signale von den Aufzeichnungselektrodenpaare auf Gleichtaktrauschen zu reduzieren. Da die EOD-Impulse werden in unregelmäßigen Zeitabständen erzeugt, das EOD Ereigniszeit-Serie haben eine variable Abtastrate. Der EOD Zeitreihen auf einen konstanten Abtastrate durch Interpolation, wenn durch eine analytische Werkzeug der Wahl erforderlich umgewandelt werden.

Video-Aufnahme. Obwohl EOD Aufnahme kann eine Brutto-Bewegungsaktivität eines Tieres zu überwachen, ermöglicht Videoaufzeichnung direkte Messungen der Körperposition und Haltung eines Tieres. Nah-Infrarot (NIR)-Beleuchtung (λ = 800 ~ 900 nm) erlaubt ungestörten visuelle Beobachtung von frei schwimmenden Fischen ^21,22, da WEFs sind am aktivsten in der Finsternis und ihre Augen sind nicht empfindlich auf NIR-Spektrum ^23,24. Die meisten digitalen Bildsensoren (zB CMOS-oder CCD) kann mit der NIR-Spektrum erfassen wavelength Bereich zwischen 800 bis 900 nm, nach dem Entfernen eines Infrarot-(IR)-Sperrfilter ^25. Einige High-End-Consumer-Webcams bieten High-Definition-, weite Betrachtungswinkel und eine gute Low-Light-Empfindlichkeit, die eine Bildqualität vergleichbar oder überlegen professionelle IR-Kameras an viel höhere Kosten produzieren kann. Darüber hinaus werden bestimmte Verbraucher-Grade-Webcams mit Recording-Software, die eine längere Aufnahmedauer ermöglicht durch Komprimieren Video ohne Qualitätsverlust gebündelt. Die meisten Profi-Kameras bieten die Zeitsynchronisation TTL Impulsausgänge oder TTL Triggerimpulseingänge ²⁶ für die Ausrichtung des Timing zwischen dem Video mit den digitalisierten Signale, aber diese Funktion ist in der Regel in Consumer-Webcams fehlt. Jedoch kann die Zeitsteuerung zwischen einer Videoaufzeichnung und einem Signal-Digitalisierer genau durch gleichzeitige Erfassung einer periodisch blinkenden IR-LED mit der Kamera und dem Digitalisierer Signal abgestimmt werden. Die Anfangs-und die endgültige IR Impulszeit kann verwendet werden, eines zwei Zeitkalibrierungsmarkierungen zur Umwandlung der Video-Frame-Nummern an die Signal Digitalisierer Zeiteinheit und umgekehrt.

Lighting & Hintergrund. Bildaufnahme durch Wasser kann technisch anspruchs aufgrund von Lichtreflexionen auf der Wasseroberfläche sein. Die Wasseroberfläche kann als Spiegel fungieren, um eine visuelle Szene über Wasser, und obskuren visuellen Merkmale Unterwasser reflektieren, und so muss die Szene über Wasser gesichts gemacht, um visuelle Störungen zu verhindern. Um das ganze Bild Aquarium, braucht eine Kamera direkt über dem Wasser platziert werden, und sollte sie hinter der Decke über einem kleinen Sichtloch versteckt, um seine Spiegelung auf der Wasseroberfläche zu verhindern. Darüber hinaus kann die Wasseroberfläche starrt und ungleichmäßige Beleuchtung zu produzieren, wenn Lichtquellen werden falsch projiziert. Indirekte Beleuchtung kann eine gleichmäßige Helligkeit über das gesamte Aquarium mit dem Ziel, die Lichtquellen in Richtung Decke zu erreichen, so dass die Decke und die umgebenden walls kann reflektieren und diffundieren die Lichtstrahlen vor dem Erreichen der Wasseroberfläche. Wählen Sie einen IR-Strahler, die eine spektrale Empfindlichkeit der Kamera (z. B. 850 nm Peak-Wellenlänge) entspricht. Elektrisches Rauschen von den Lichtquellen kann durch LED-Leuchten und Anordnen der DC-Stromversorgung außerhalb des Faradayschen Käfigs zu minimieren. Legen Sie einen weißen Hintergrund unter dem Tank, da Kontrast zu Fisch in einem weißen Hintergrund in der NIR-Wellenlängen. Ebenso stellt die Verwendung von matten weißen Farbe auf den Innenflächen der Isolationskammer gleichmäßige und helle Hintergrundbeleuchtung.

Video-Tracking. Nach einer Video-Aufnahme, kann eine automatische Bild Tracking-Algorithmus Körperpositionen und Körperhaltungen der Tiere über die Zeit zu messen. Das Video-Tracking kann automatisch von beiden ready-to-use-Software (Viewpoint oder Ethovision) oder vom Benutzer programmierbare Software (OpenCV oder MATLAB Die Image Processing Toolbox) durchgeführt werden. Als ersten Schritt der Bildverfolgung,ein gültiger Spurbereich muss, indem eine geometrische Form, um den Bereich außerhalb auszuschließen (Maskierungsoperation) definiert werden. Weiter muss Bild eines Tieres aus dem Hintergrund durch Subtrahieren eines Hintergrundbildes aus einem Bild, die das Tier isoliert werden. Das subtrahierte Bild wird in ein binäres Format durch Anlegen einer Intensitätsschwelle, so dass der Schwerpunkt und die Orientierungsachse von binären morphologischen Operationen berechnet werden, umgewandelt. In Gymnotiforms ^27-29 und ^30-32 Mormyrids, ist die Elektrorezeptordichte die höchste in der Nähe der Kopfbereich, somit die Kopfposition in jedem Moment gibt einen Ort der höchsten Sinnesschärfe. Die Kopf-und Schwanz Standorten können automatisch durch die Anwendung der Bilddrehung und Begrenzungs-Box-Operationen bestimmt werden. Die Kopf-und Schwanzenden könnten voneinander manuell in den ersten Rahmen, der ihnen, und durch die Verfolgung der Positionen von den Vergleich von zwei aufeinanderfolgenden Rahmen zu unterscheiden.