לטווח ארוך התנהגות מעקב של Freely בריכה בחולשת דגים חשמליים

רקע. ניסויים כמותיים על התנהגות בעלי חיים (לדוגמא: בחירה כפויה, הימנעות הלם, T-מבוך, וכו '.) מנוצלים בדרך כלל כדי לחקור השערות ספציפיות לגבי כישורים חושיים מוטוריים, למידה ויצירת זיכרון. עם זאת, ניסויים המגבילים אלה לפספס הרבה מהעושר של התנהגות טבעית של בעלי חיים והם עשויים לגרום למודלים הפשטניים של הבסיס העצבי הבסיסי של התנהגות. ניסויים בתנאים נטורליסטי יותר ולכן השלמה חשובה שבאמצעותו אנו יכולים לחקור באופן מלא יותר את רפרטואר התנהגותי מין. ניסויים מעורבים בעלי חיים לנוע בחופשיות חייבים, עם זאת, להתמודד עם אתגרים טכניים ייחודיים כגון חפצי הקלטה מושרה תנועה. בניגוד לתגובות עורר גירוי, התנהגות גישוש מתרחש באופן ספונטני לא ניתן לחזות, ולכן נבדקים בניסוי צריך להיות במעקב כל הזמן ולעקוב אחריו לאורך תקופה ארוכה של זמן. שאלות מחקר ספציפיות can לטפל הטוב ביותר על ידי אורגניזמים שנבחרו בקפידה וכלים טכניים זמינים. לדוגמא, טכניקות הקלטה וגירוי אופטיות כגון חיישנים גנטיים מקודדים סידן ¹ וoptogenetics ² יושמו בהצלחה ללנוע בחופשיות אורגניזמים מודל גנטי ^3-5. לחלופין, מערכות טלמטריה עצביות מיניאטורי יכולות להקליט ולעורר באופן חופשי לנוע חיות קטנות ^6,7.

דגים חשמליים. מיני WEF ליצור פריקות חשמליות איבר (EODs), המאפשרים להם לחוש את סביבתם המיידית או כדי לתקשר על פני מרחקים גדולים יותר. דפוסים זמניים של EODs להשתנות בתנאים שונים כגון תנועות עצמי ^8,9, גירויים חושיים ^10,11, ואינטראקציות חברתיות ^12,13. מיני WEF דופק מהסוג לייצר רכבת של פולסים דיסקרטיים, בניגוד מינים לנופף מסוג שבו ליצור צורות גל למחצה סינוסי רציף. באופן כללי, מור תערוכת מיני דופק מסוגדואר שיעור EOD משתנה בהשוואה למיני גל מהסוג; ושיעורי EOD חיות משקפים באופן הדוק תוכן חידוש של הסביבה החושית שלהם ^10,14. מיני דופק מהסוג יכולים לקצר באופן מיידי המרווח בין הדופק (IPI) בתוך מעגל דופק יחיד במגיבים להפרעות רומן חושיות (תגובת חידוש ^10,11,14). ההתנהגות החשמלית המתמשכת של דגים אלה יכול להיות מוטרד על ידי גירויים חושיים מבוקרים ממקורות חיצוניים, וסוגים שונים של גירויים כגון רעידות, קול, חשמל, ואור ידועים תגובות חידוש הדק. לכן, יש לנקוט באמצעי זהירות מיוחדת כדי לחסום או להחליש גירויים חושיים חיצוניים במהלך תצפית ארוך טווח של WEF שחייה חופשית. בדרך זו, שינויים בשער סוף היום ומסלולי תנועה ניתן לייחס באופן ספציפי לגירויים שהוצגו על ידי הנסיין.

טנק אקווריום וחדר בידוד. לכן אנו ממוקמים במספר שכבות של חומרי רטט קליטת under אקווריום גדול באקווריום (2.1 MX 2.1 MX 0.3 מ '), והקיף את המכל במתחם מבודד לחסום מקורות חיצוניים של אור, רעש חשמלי, קול ושטף חום. שיעור EOD תלוי בטמפרטורת סביבת ^15,16, ובכך טמפרטורת המים הייתה מוסדר היטב במגוון טרופי (C ° 25 ± 1) למיני הדרום WEF האמריקאי. אנחנו בניתי טנק גדול ורדוד (10 סנטימטר עומק מים) כדי לבחון התנהגויות גישוש המרחבי של WEF המוגבל בעיקר בשני ממדים (איור 1 א). הטנק היה מחולק לזירה מרכזית להתבונן התנהגויות מרחבית, וארבעה תאי פינה לבית דגים בודדים (איור 1 ב ') בנפרד. כל תא נבנה אטום למים כדי למנוע תקשורת חשמלית בין יחידים. גישתם של בעלי חיים לזירה המרכזית הייתה בשליטה מבחוץ על ידי ארבעה שערים ממונעים. השערים הוצבו בין התאים, והם הפכו אטומות למים כאשר נעוליםעל ידי אגף אגוזי ניילון. ללא חלקי מתכת שימשו מתחת למים מאז WEF מגיב ברגישות למתכות.

הקלטת EOD. EODs נוצרים באופן סטריאוטיפי על ידי הפעלה של יחיד (בMormyrids) או איברים חשמליים מופצים מרחבית מרובות (בGymnotiforms) ^17,18. מודולציות זמניות בשיעור EOD יכולה לחשוף את פעילות עצבית ברמה גבוהה יותר, שכן קוצב לב מהדולרי מקבלת תשומות עצביות ישירות מאזורי המוח גבוהים יותר כמו גרעין prepacemaker diencephalic, אשר בתורו מקבל תחזיות axonal מהמוח הקדמי ^19. עם זאת, עיתוי EOD חייב להיות מופק בקפידה מתוך הקלטת צורת גל גלם ואינו מוטה על ידי עיוותים הנגרמת התנועה של בעלי החיים. השדה החשמלי שנוצר על ידי WEF יכול להיות מקורב כמו דיפול, ולכן אמפליטודות דופק EOD באלקטרודות הקלטה תלויה במרחקים יחסי והאוריינטציות בין בעלי החיים ואלקטרודות ^8,20. movem העצמי של בעלי החייםמציג לשנות את הגיאומטריה היחסית בין בעלי החיים ואלקטרודות, ובכך לגרום לתנועות אמפליטודות EOD באלקטרודות שונות כדי להשתנות לאורך הזמן באופן תנודתי (ראה איור 2 ביוני et al. ^8). יתר על כן, תנועות עצמית גם לשנות את הצורה של גל EOD נרשם, כי תרומה היחסית מסט של האיברים חשמליים שונה תלויות על מיקומיהם לאורך הגוף והעקמומיות המקומית שלהם הוצגו על ידי כיפוף זנב. העיוותים הנגרמות התנועה באמפליטודות EOD וצורות יכולות להוביל למדידות עיתוי EOD לא מדויקות ולא אמינות. התגברנו על בעיות אלה על ידי מרחבית ממוצע גל EOD מרובה נרשם במקומות שונים, ועל ידי הוספת מסנן חילוץ מעטפה לקבוע באופן מדויק את עיתוי EOD מWEF שחייה חופשית. בנוסף, הטכניקה שלנו מודדת גם את אמפליטודות EOD, שתציין אם חיה נחה או פעיל מרגשת המבוססת על השינוי של EODאמפליטודות לאורך זמן (ראה 2E דמויות ו2F). הקלטנו אותות מוגבר באופן דיפרנציאלי מזוגות האלקטרודה הקלטה כדי להפחית את הרעש נפוץ במצב. מאז פולסים EOD נוצרים במרווחי זמן סדירים, יש זמן סדרת אירוע EOD קצב דגימה משתנה. זמן סדרת EOD ניתן להמיר לקצב דגימה קבוע על ידי ביון אם נדרש על ידי כלי האנליטי של בחירה.

הקלטת וידאו. למרות שהקלטת EOD יכולה לפקח על פעילות תנועת ברוטו של בעלי חיים, הקלטת וידאו מאפשרת מדידה ישירה של תנוחת גופו של בעל חיים ואת היציבה. תאורת אינפרא אדום קרוב (NIR) (λ = 800 ~ 900 ננומטר) מאפשרת תצפית ויזואלית מוטרדת של שחייה בחופשיות דגים ^21,22, מאז WEFs הם פעילים ביותר בחושך ועיניהם אינן רגישות לספקטרום ניר ^23,24. רוב חיישני הדמיה הדיגיטליים (לדוגמא ה-CMOS או CCD) יכולים ללכוד קשת ניר עם wavelengtטווח שעות שבין 800-900 ננומטר, לאחר הסרת אינפרא אדום (IR) חוסם את המסנן ^25. מצלמות רשת כיתה הצרכן-high-end מסוימת מציעות בהבחנה גבוהה, זווית צפייה רחבה ורגישות נמוכה לאור טוב, אשר יכול לייצר איכות תמונה דומה, או עדיפה על רמה מקצועית מצלמות IR זמינות בעלויות הרבה יותר גדולות. בנוסף, מצלמות רשת כיתה צרכן מסוימות יחד עם תוכנת הקלטה המאפשרת משך הקלטה ארוך על ידי דחיסת וידאו ללא אובדן איכות. רוב המצלמות ברמה מקצועית מציעות תפוקות זמן סנכרון TTL דופק או תשומות דופק TTL הדק ²⁶ ליישור התזמון בין הווידאו עם האותות הדיגיטליים, אבל תכונה זו היא בדרך כלל חסרה במצלמות כיתה צרכן. עם זאת, העיתוי בין הקלטת וידאו וdigitizer אות ניתן להתאים באופן מדויק על ידי במקביל לכידת IR מעת לעת מהבהבת LED עם המצלמה וdigitizer האות. עיתוי דופק IR הראשוני והסופי יכול לשמששני סמני כיול זמן להמרת מספרי מסגרת וידאו ליחידת זמן digitizer האות ולהיפך.

תאורה ורקע. התמונה לכידת באמצעות מים יכולה להיות מאתגרת מבחינה טכנית בשל השתקפויות אור על פני המים. פני המים יכולים לשמש כראי לשקף סצנה ויזואלית מעל מים, ותכונות חזותיות מעורפלות מתחת למים, ולכן הסצנה מעל המים חייבת להיות שניתנו ייחוד כדי למנוע הפרעה חזותית. כדי תמונה השלם אקווריום, מצלמה צריכה להיות ממוקמת ישירות מעל המים, וזה צריך להיות מוסתר מאחורי התקרה מעל חור צפייה קטן כדי למנוע ההשתקפות שלה על פני המים. יתר על כן, על פני המים יכולים לייצר מבטים ותאורה לא אחידה אם מקורות אור מוקרנים באופן שגוי. תאורה עקיפה יכולה להשיג בהירות אחידה על פני כל אקווריום על ידי מכוון מקורות האור לכיוון התקרה, כך שהתקרה וול מסביבls יכול לשקף ולפזר את קרני האור לפני שהגיע פני המים. בחר הפנס IR התואם את תגובה הספקטרלית של המצלמה (למשל שיא גל ננומטר 850). רעש חשמלי ממקורות האור ניתן למזער באמצעות נורות LED והצבת ספקי כוח DC שלהם מחוץ לכלוב פאראדיי. הנח רקע לבן מתחת לטנק, שכן בניגוד דגים היטב ברקע לבן באורכי גל ניר. באופן דומה, שימוש בצבע לבן דהוי על המשטחים הפנימיים של תא הבידוד מספק תאורת רקע אחידה ובהירה.

מעקב וידאו. לאחר הקלטת וידאו, אלגוריתם מעקב תמונה אוטומטי יכול למדוד תנוחות גופו של בעל החיים ותנוחות לאורך זמן. מעקב הווידאו יכול להתבצע באופן אוטומטי או על ידי תוכנה מוכנה לשימוש (נקודת מבט או Ethovision), או תוכנה למשתמש הניתן לתכנות (OpenCV או ארגז כלים של עיבוד תמונת MATLAB). כצעד הראשון של מעקב תמונה,שטח חוקי למעקב צריך להיות מוגדר על ידי ציור צורה גיאומטרית שלא לכלול את האזור שמחוץ (מיסוך פעולה). בשלב הבא, התמונה של בעל חיים צריכה להיות מבודדת מהרקע על ידי הפחתת תמונת רקע מתמונה המכילה את בעלי החיים. תמונת מופחתים מומרת לפורמט בינארי על ידי יישום סף עוצמה, כזה שcentroid וציר הנטייה ניתן לחשב מפעולות מורפולוגיות בינארי. בGymnotiforms ^27-29 וMormyrids ^30-32, צפיפות electroreceptor היא הגבוה ביותר בסמוך לאזור הראש, ולכן מיקום הראש בכל רגע מצביע על מיקומו של חדות החושים הגבוהות ביותר. מקומות הראש והזנב ניתן לקבוע באופן אוטומטי על ידי יישום פעולות סיבוב תמונה ותוחם-box. קצות הראש והזנב יכולים להבחין בין זה לזה על ידי הגדרה ידנית שלהם בפריים הראשון, ועל ידי שמירה על המסלול של המקומות שלהם מהשוואה בין שתי מסגרות רצופות.