Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

نحن تصف مجموعة من التقنيات لدراسة السلوك العفوي من السباحة بحرية الأسماك الكهربائية ضعيفة على مدى فترة طويلة من الزمن، من خلال قياس متزامن توقيت التفريغ الجهاز الكهربائي الحيوان، وضع الجسم وضعية كلا بدقة وبشكل موثوق في خزان ماء المصممة خصيصا داخل الحسية العزلة الغرفة.

Abstract

تتبع السلوكية طويلة الأمد يمكن التقاط وقياس السلوكيات الحيوانية الطبيعية، بما في ذلك تلك التي تحدث بشكل غير منتظم. السلوكيات مثل الاستكشاف والتفاعلات الاجتماعية يمكن أن يكون أفضل درس من خلال مراقبة غير المقيد، والحيوانات تتصرف بحرية. الأسماك الكهربائية ضعيفة (المنتدى الاقتصادي العالمي) عرض استكشافية ملاحظتها بسهولة والسلوكيات الاجتماعية عن طريق انبعاث التفريغ الجهاز الكهربائي (التخلص من الذخائر المتفجرة). هنا، نحن تصف ثلاث تقنيات فعالة لقياس متزامن التخلص من الذخائر المتفجرة، وضع الجسم، والموقف من المنتدى الاقتصادي العالمي السباحة الحرة لفترة ممتدة من الزمن. أولا، نحن تصف بناء دبابة التجريبية داخل غرفة معزولة يهدف إلى منع مصادر خارجية من المحفزات الحسية مثل الضوء، والصوت، والاهتزاز. تم تقسيم الحوض لاستيعاب أربع عينات الاختبار، وبوابات الآلي التحكم عن بعد وصول الحيوانات إلى الساحة المركزية. ثانيا، نحن تصف في الوقت الحقيقي طريقة قياس توقيت التخلص من الذخائر المتفجرة دقيقة وموثوق بها من السباحة بحرية المنتدى الاقتصادي العالمي. يتم تصحيح التشوهات التي تسببها إشارة حركات جسم الحيوان عن طريق حساب متوسط ​​المكانية والزمانية مراحل التجهيز. ثالثا، نحن تصف الأشعة تحت الحمراء القريبة الإعداد والتصوير تحت الماء لمراقبة السلوكيات حيوان ليلي رابط الجأش. واستخدمت نبضات الأشعة تحت الحمراء لمزامنة التوقيت بين الفيديو وإشارة الفسيولوجية على مدى فترة طويلة تسجيل. برنامجنا تتبع الآلي يقيس موقف جسم الحيوان والموقف موثوق في مشهد المائية. في الجمع، وهذه التقنيات تمكن المراقبة على المدى الطويل من السلوك العفوي من السباحة بحرية الأسماك الكهربائية ضعيفة بطريقة موثوقة ودقيقة. نحن نعتقد دينا وسيلة يمكن تطبيقها على نحو مماثل لدراسة الحيوانات المائية الأخرى التي تتعلق إشاراتها الفسيولوجية مع السلوكيات الاستكشافية أو الاجتماعية.

Introduction

الخلفية. التجارب الكمية على سلوك الحيوان (مثل الخيار القسري، وتجنب صدمة، T-المتاهة، الخ.) عادة ما تستخدم لتحقيق فرضيات محددة تتعلق المهارات الحسية والحركية والتعلم وتكوين الذاكرة. ومع ذلك، هذه التجارب تقييدا ​​تفوت الكثير من ثراء سلوك الحيوان الطبيعي ويرجح أن يؤدي إلى نماذج من التبسيط أساس العصبية الكامنة وراء السلوك. لذا التجارب في ظل ظروف أكثر طبيعية تشكل مكملا هاما يمكننا من خلالها استكشاف المزيد تماما ذخيرة سلوكية الأنواع. يجب أن التجارب التي تنطوي على الحيوانات تتحرك بحرية، ومع ذلك، ومعالجة التحديات التقنية الفريدة مثل التحف تسجيل الناجم عن الحركة. على عكس الاستجابات أثار التحفيز، لا يمكن توقع حدوث عفويا السلوك الاستكشافي، وبالتالي الاشخاص الخاضعين للتجارب يجب أن يتم رصدها باستمرار وتعقب على مدى فترة ممتدة من الزمن. كاليفورنيا أسئلة بحثية محددةن تكون أفضل تتناولها الكائنات المختارة بعناية والأدوات التقنية المتاحة. على سبيل المثال، تقنيات التسجيل والتحفيز البصرية مثل أجهزة استشعار الكالسيوم مشفرة وراثيا 1 و 2 optogenetics تم تطبيقها بنجاح على التحرك بحرية الكائنات نموذج الجينية 3-5. بدلا من ذلك، يمكن لنظم القياس العصبية المنمنمة تسجيل وتحفيز بحرية تتحرك الحيوانات الصغيرة 6،7.

الأسماك الكهربائية. المنتدى الاقتصادي العالمي الأنواع توليد التفريعات الكهربائية الجهاز (EODs)، والتي تتيح لهم الشعور محيطهم المباشر أو التواصل عبر مسافات أكبر. الأنماط الزمنية من EODs تختلف في ظل ظروف مختلفة مثل الحركات الذاتي 8،9، 10،11 المنبهات الحسية، والتفاعلات الاجتماعية 12،13. المنتدى الاقتصادي العالمي الأنواع نبض من نوع تنتج قطار من البقول منفصلة، ​​في مقابل موجة من نوع الأنواع التي تولد الموجات شبه جيبية المستمر. بشكل عام، نبض من نوع المعرض الأنواع موره معدل التخلص من الذخائر المتفجرة متغير مقارنة مع الأنواع موجة من نوع، وتعكس معدلات التخلص من الذخائر المتفجرة الحيوانات عن كثب محتويات الجدة المحيطة بهم 10،14 الحسية. يمكن الأنواع نبض من نوع تقصير فورا الفاصل الزمني بين نبضة (IPI) ضمن دورة نبض واحد في الاستجابة إلى الاضطراب الحسي رواية (استجابة الجدة 10،11،14). سلوك الكهربائية المستمرة لهذه الأسماك يمكن مضطرب من جراء المحفزات الحسية غير المنضبط من مصادر خارجية، ومعروفة أنواع مختلفة من المحفزات مثل الاهتزاز، والصوت، والكهرباء، وعلى ضوء الردود الجدة الزناد. لذا، يجب اتخاذ احتياطات خاصة لمنع أو تخفيف المحفزات الحسية الخارجية خلال مراقبة طويلة الأجل من المنتدى الاقتصادي العالمي السباحة الحرة. بهذه الطريقة، والتغيرات في معدل التخلص من الذخائر المتفجرة ومسارات الحركة ويمكن أن يعزى بشكل خاص إلى المحفزات التي قدمها المجرب.

خزان ماء وغرفة العزل، ولذلك وضعنا طبقات متعددة من مواد امتصاص الاهتزاز يوالتانجو على خزان ماء كبير (2.1 متر x 2.1 متر x 0.3 متر)، وحاصرت دبابات مع ضميمة معزولة لمنع مصادر خارجية للضوء والضوضاء الكهربائية، والصوت والتدفق الحراري. معدل التخلص من الذخائر المتفجرة يعتمد على درجة الحرارة المحيطة 15،16، وبالتالي تم تنظيم درجة حرارة المياه بإحكام في مجموعة الاستوائية (25 ± 1 درجة مئوية) لمدة الأنواع الجنوبية المنتدى الاقتصادي العالمي الأمريكي. اقمنا في (10 سم عمق المياه) وخزان كبير الضحلة لمراقبة السلوكيات الاستكشافية المكاني للمنتدى الاقتصادي العالمي يقتصر أساسا في بعدين (الشكل 1A). تم تقسيم الخزان إلى الساحة المركزية لمراقبة السلوكيات المكانية، وأربع حجرات الزاوية لإيواء منفصل الأسماك الفردية (الشكل 1B). وقد بنيت كل حجرة للماء لمنع الاتصالات الكهربائية بين الأفراد. وتمت السيطرة صول الحيوانات إلى الساحة المركزية من الخارج عن طريق أربع بوابات الآلية. وضعت بوابات بين المقصورات، وأنها أصبحت ماء عندما تخوضبواسطة النايلون الجناح المكسرات. لم يستخدم أي أجزاء معدنية تحت الماء منذ المنتدى الاقتصادي العالمي تتفاعل بحساسية للمعادن.

تسجيل التخلص من الذخائر المتفجرة. يتم إنشاؤها EODs بطريقة نمطية بواسطة تفعيل واحد (في Mormyrids) أو عدة أجهزة كهربائية موزعة مكانيا (في Gymnotiforms) 17،18. يمكن أن التحويرات الزمنية في معدل التخلص من الذخائر المتفجرة تكشف الأنشطة العصبية على مستوى أعلى، حيث يتلقى جهاز تنظيم ضربات القلب العصبية النخاعية مدخلات مباشرة من مناطق الدماغ مثل أعلى نواة prepacemaker الدماغ البيني، الذي يتلقى بدوره التوقعات محور عصبي من الدماغ الأمامي 19. ومع ذلك، فإن توقيت التخلص من الذخائر المتفجرة يجب أن يكون استخراجه بعناية من تسجيل الموجي الخام وليس متحيزا بواسطة التشوهات الناجمة عن حركة الحيوان. الحقل الكهربائي التي تم إنشاؤها بواسطة المنتدى الاقتصادي العالمي يمكن أن يقترب باعتباره ثنائي القطب، وبالتالي التخلص من الذخائر المتفجرة سعة النبض في أقطاب تسجيل تعتمد على المسافات النسبية والتوجهات بين الحيوان والأقطاب 8،20. movem الذاتي الحيوانالوالدان تغيير الهندسة النسبية بين الحيوان والأقطاب، وبالتالي يتسبب في حركات سعة التخلص من الذخائر المتفجرة في أقطاب مختلفة لتختلف مع مرور الوقت بطريقة متقلبة (انظر الشكل 2B في يونيو وآخرون. 8). وعلاوة على ذلك، والحركات الذاتية أيضا تغيير الشكل من الطول الموجي سجلت التخلص من الذخائر المتفجرة، وذلك لأن المساهمات النسبية من مجموعة مختلفة من الأجهزة الكهربائية تعتمد على مواقعها على طول الجسم والانحرافات المحلية التي أدخلها الذيل الانحناء. التشوهات الناجمة عن الحركة في سعة التخلص من الذخائر المتفجرة والأشكال يمكن أن يؤدي إلى التخلص من الذخائر المتفجرة القياسات توقيت غير دقيقة ولا يمكن الاعتماد عليها. تغلبنا هذه المشاكل عن طريق حساب متوسط ​​الطول الموجي مكانيا التخلص من الذخائر المتفجرة متعددة سجلت في مواقع مختلفة، وذلك بإضافة عامل تصفية استخراج المغلف لتحدد بدقة توقيت التخلص من الذخائر المتفجرة من المنتدى الاقتصادي العالمي السباحة الحرة. بالإضافة إلى ذلك، لدينا تقنية يقيس أيضا سعة التخلص من الذخائر المتفجرة، والتي تشير إلى ما إذا كان الحيوان يستريح أو تتحرك بنشاط على أساس التغيير في التخلص من الذخائر المتفجرةسعة بمرور الوقت (انظر الأرقام و2E 2F). سجلنا إشارات تضخيمها بشكل مختلف من أزواج القطب تسجيل للحد من الضوضاء المشتركة واسطة. منذ يتم إنشاء البقول التخلص من الذخائر المتفجرة في فترات زمنية غير منتظمة، الحدث السلاسل الزمنية التخلص من الذخائر المتفجرة يكون معدل أخذ العينات متغير. ويمكن التخلص من الذخائر المتفجرة تحويل السلاسل الزمنية لمعدل أخذ العينات المستمر من قبل الاستيفاء إذا لزم الأمر عن طريق أداة تحليلية في الاختيار.

تسجيل الفيديو. على الرغم من تسجيل التخلص من الذخائر المتفجرة يمكن رصد نشاط الحركة الإجمالية للحيوان، وتسجيل الفيديو يسمح قياسات مباشرة لموقف جسم الحيوان والموقف. الأشعة تحت الحمراء القريبة (الجرد) إضاءة (λ = 800 ~ 900 نانومتر) يسمح الملاحظة البصرية رابط الجأش من السباحة بحرية السمك 21،22، منذ WEFs هي الأكثر نشاطا في الظلام وعيونهم ليست حساسة لنير الطيف 23،24. يمكن لمعظم أجهزة استشعار التصوير الرقمي (مثل CMOS أو CCD) التقاط الطيف الجرد الوطني مع طول الموجةح تتراوح ما بين 800-900 نانومتر، بعد إزالة الأشعة تحت الحمراء (IR) منع تصفية 25. بعض الراقية كاميرات المستهلك الصف العرض عالية الوضوح، وزاوية عرض واسعة وجيدة حساسية الإضاءة المنخفضة، والتي يمكن أن تنتج نوعية صورة مماثلة ل، أو متفوقة على المهنية الصف كاميرات الأشعة تحت الحمراء المتوفرة في التكاليف أكبر من ذلك بكثير. بالإضافة إلى ذلك، يتم تجميع بعض كاميرات المستهلك الصف مع برنامج تسجيل التي تسمح للمدة الممتدة تسجيل عن طريق ضغط الفيديو دون فقدان الجودة. معظم الكاميرات الاحترافية توفر التزامن TTL مخرجات أو مدخلات نبض الزناد TTL نبض 26 للمواءمة بين توقيت الفيديو مع الإشارات الرقمية، ولكن هذه الميزة غير موجودة عادة في كاميرات المستهلك الصف. ومع ذلك، فإن توقيت بين تسجيل الفيديو والتحويل الرقمي إشارة يمكن أن تكون مطابقة بدقة من خلال التقاط الأشعة تحت الحمراء في نفس الوقت وامض LED بشكل دوري مع الكاميرا والتحويل الرقمي إشارة. ويمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء توقيت نبض الأولي والنهائيق اثنين من علامات الساعة المعايرة لتحويل الأرقام إطار الفيديو إلى وحدة الوقت إشارة التحويل الرقمي والعكس بالعكس.

الإضاءة والخلفية. التقاط صورة عن طريق المياه يمكن أن يكون تحديا تقنيا بسبب انعكاسات الضوء على سطح الماء. سطح الماء يمكن أن تكون بمثابة مرآة تعكس المشهد البصري فوق الماء، والخصائص البصرية غامضة تحت الماء، وبالتالي المشهد فوق الماء يجب تقديم ملامح لمنع التدخل البصرية. من أجل صورة الحوض كله، يحتاج إلى كاميرا وضعها مباشرة فوق الماء، ويجب أن تكون مخفية وراء السقف فوق حفرة صغيرة مشاهدة لمنع انعكاسها على سطح الماء. علاوة على ذلك، يمكن إنتاج سطح الماء يبرز على نحو فاضح والإضاءة غير منتظم إذا من المتوقع بشكل غير صحيح مصادر الضوء. الإضاءة غير المباشرة يمكن أن يحقق سطوع موحد على الحوض كله التي تهدف الى مصادر الضوء نحو السقف، على ان يكون السقف ووول المحيطةيمكن ليرة سورية تعكس ونزع فتيل الأشعة الضوئية قبل وصولها إلى سطح الماء. اختيار إضاءة الأشعة تحت الحمراء يطابق الاستجابة الطيفية للكاميرا (على سبيل المثال 850 نانومتر ذروة الموجة). الضجيج الكهربائي من مصادر الضوء يمكن التقليل باستخدام أضواء LED ووضع إمدادات الطاقة إلى خارج العاصمة من قفص فاراداي. وضع خلفية بيضاء تحت الخزان، منذ الأسماك يتناقض بشكل جيد في خلفية بيضاء في موجات الجرد الوطني. وبالمثل، واستخدام غير لامع اللون الأبيض على الأسطح الداخلية للغرفة العزل يوفر موحد ومشرق الإضاءة الخلفية.

تتبع الفيديو. بعد تسجيل الفيديو، يمكن للصورة خوارزمية تتبع الآلي قياس المواقف جسم الحيوان والمواقف مع مرور الوقت. تتبع الفيديو يمكن تنفيذها تلقائيا إما عن طريق برامج جاهزة للاستخدام (وجهة نظر أو Ethovision)، أو برامج للمستخدم برمجة (OpenCV أو معالجة الصور MATLAB الأدوات). كخطوة أولى من تتبع الصورة،تحتاج منطقة تتبع صالح إلى أن يعرف عن طريق رسم شكل هندسي لاستبعاد خارج المنطقة (اخفاء العملية). المقبل، يحتاج صورة حيوان أن تكون معزولة من الخلفية عن طريق طرح صورة الخلفية من صورة تحتوي على الحيوان. يتم تحويل الصورة إلى طرح تنسيق ثنائي من خلال تطبيق عتبة كثافة، مثل أن النقطه الوسطى ومحور التوجه يمكن حسابها من العمليات المورفولوجية ثنائي. في Gymnotiforms 27-29 وMormyrids 30-32، وكثافة electroreceptor هو أعلى بالقرب من منطقة الرأس، وبالتالي موقف رئيس في أي لحظة يشير إلى موقع أعلى البراعة الحسية. المواقع الرأس والذيل ويمكن تحديد تلقائيا من خلال تطبيق عمليات تناوب الصورة وثاب مربع. يمكن تمييز نهايات الرأس والذيل من بعضها البعض من خلال تحديد يدويا لهم في الإطار الأول، وتتبع مواقعها من المقارنة بين اثنين من الأطر المتعاقبة.

Protocol

هذا الإجراء يلبي متطلبات من جامعة أوتاوا جنة رعاية الحيوان. يتم الإعلان عن أي تضارب في المصالح. يرجى الرجوع إلى جدول المواد والكواشف ليجعل ونماذج من المعدات والمواد المذكورة أدناه. وتقدم مكتوبة مخصصة Spike2 وMATLAB النصوص والبيانات النموذجية في ملف إضافي.

1. إعداد حوض السمك للدبابات وغرفة عزل

  1. مكافحة الخامس الطابق ibration. بناء سطح مضادة للاهتزاز (2.1 متر x 2.1 متر) من خلال التراص منصات المطاط، الستايروفوم الصوتية، لوحة الخشب الرقائقي البحرية، ومنصات رغوة البولي يوريثان من الأسفل إلى الأعلى (الشكل 1A). وضع أربعة ترصيع الخشب (5 سم × 10 سم) على لوحة الخشب الرقائقي لدعم حواف خزان ماء.
  2. سخان الكلمة. وضع عنصر التدفئة محمية كهربائيا حراريا أكثر متدرج الحشو رغوة (انظر الشكل 1D القاع). تغطية عنصر التسخين مع معدنشبكة يسانس أجل الحماية الكهربائية.
  3. خزان المكانية. بناء خزان ماء واسعة وضحلة (1.8 متر x 1.8 متر x 30 سم) باستخدام 1.3 سم خفف من الألواح الزجاجية السميكة، على شكل L هيكل من الألومنيوم والسيليكون الحوض الصف (انظر الشكل 1A). تغطية الجزء السفلي من الخزان مع ورقة كبيرة من خلفية بيضاء إلى توفير مستوى عال من التباين التصوير (انظر البروتوكول 3).
  4. تقسيم خزان ماء في الساحة المركزية (1.5 متر القطر) وأربع حجرات ركنية (انظر الشكل 1B) من خلال الجدران تركيب (22.5 سم) مصنوعة من صفائح الاكريليك (ماتي بيضاء، 0.64 سم).
    1. الانحناء أربع أوراق الأكريليك (22.5 سم × 102.7 سم) عن طريق تطبيق الحرارة لإنشاء أربعة أقسام الجدار المنحني، وضمها إلى قاع الخزان باستخدام سيليكون يسد لفصل الساحة المركزية من المقصورات الزاوية الأربعة. ترك 20 سم مسافة بين المقاطع المنحنية لتركيب البوابة.
    2. مقصورات منفصلة الزاوية المجاورة عن طريق تركيب أربع جدران مزدوجة وايال 15 سم ثغرات، والتي توفر العزل الكهربائي إضافية وأماكن لأجهزة الاستشعار تحت الماء مثل مائي.
  5. تجميع أربع بوابات آلية، وتثبيتها بين المقصورات الزاوية والساحة المركزية.
    1. تجميع أربعة إطارات الأبواب كما هو مبين في الشكل 1C. إنشاء ستة آبار (0.64 سم العميق) على كل إطار الباب، تضمين المكسرات النايلون بلوط (0.64 سم موضوع القطر) وتأمينها مع الايبوكسي.
    2. قطع أربع لوحات الباب من الاكريليك ورقة والمطاط، وإنشاء ستة ثقوب (0.64 سم القطر) على الاكريليك وألواح المطاط لآلية تأمين. الانضمام إلى الأكريليك وألواح المطاط باستخدام السيليكون السد.
    3. تثبيت الاكريليك يتوقف للانضمام إلى ألواح الأبواب مع إطارات الأبواب.
    4. جبل يتأرجح الأسلحة على مضاعفات الحركة، وتثبيتها على الجزء العلوي من إطارات الأبواب (انظر الشكل 1C). جعل الحلقات العلاقات مع كابل لربط الأسلحة يتأرجح إلى ألواح الأبواب.
    5. ضع المجالس البوابة على الجاملاحظة إنشاؤها بين أقسام الجدار المنحني، وتأمينها باستخدام السيليكون السد.
    6. ربط جميع مضاعفات الحركة إلى وحدة تحكم مضاعفات، وتوصيله إلى مصدر للطاقة وجهاز كمبيوتر عبر نشط تمديد كابل USB. اختبار بوابات باستخدام برنامج حاسوبي لمراقبة المرفق مع وحدة تحكم مضاعفات.
    7. بعد يصلب سيليكون، وتحقق للمانعية الماء عن طريق تأمين جميع البوابات مع مسامير النايلون وملء المقصورة في وقت واحد.
  6. العزلة الغرفة. بناء غرفة معزولة لتطويق الحوض ومنع مصادر خارجية للضوء والصوت والضجيج الكهربائي (انظر الشكل 1D).
    1. جعل ثلاث لوحات الحائط (2 متر x 2 متر x 5 سم) وأربع لوحات الباب (1.9 متر x 0.95 متر x 5 سم). لكل لوحة، والانضمام القوالب الألمنيوم (5 سم × 2.5 سم) لإنشاء إطار مستطيل؛ وبرشام لوحة من البلاستيك المموج بيضاء على هيكل من الألومنيوم. ملء بالعطس الألياف الزجاجية الصوتية في لوحات، وثيق مع لوحة سوداء من البلاستيك المموج.
    2. تثبيت ثلاث لوحات الحائط في الطابق مضادة للاهتزاز، وتثبيت البيانو يتوقف للانضمام إلى ألواح الأبواب الأربعة على لوحات الحائط.
    3. تحيط غرفة العزل تنسجم مع الألومنيوم، وتنسجم الأرض من جميع الجهات لإنشاء قفص فاراداي.
  7. مراقبة الرطوبة. تثبيت مروحة العادم منخفضة الضوضاء (الشكل 1F أعلى) لإزالة الزائدة الرطوبة تراكم من التدفئة. وضع مروحة العادم لا يقل عن 2 متر من موقع التسجيل، وتثبيت أنابيب الهواء بين غرفة العزل ومروحة العادم.
  8. مراقبة روتينية والحفاظ على شروط خزان المياه والحيوانات.
    1. الحفاظ على ظروف المياه ثابتة عند عمق 10 سم، 100 ميكروثانية / سم والرقم الهيدروجيني 7.0 الموصلية بإضافة الماء أو محلول المخزون الملح (يرجى الرجوع إلى كنودسن 33 للصفة). إضافة كيس من المرجان سحقت في حالة انخفاض الرقم الهيدروجيني أقل من 6.5.
    2. تركيب الفلاتر الحوض العمودية التي يمكن أن تعمل من المياه الضحلة لتنظيف وأغراض تهوية (الشكل 1F القاع). فصل الفلاتر وتأخذ بها من الساحة المركزية أثناء جلسات التسجيل.
    3. تقديم ميلوورمس الحية على الجزء السفلي من الخزان عن طريق ربط لهم على كؤوس الشفط مع الأشرطة المطاطية. تجنب يفترس التعويم الحر مثل blackworms لمنع التغذية غير المنضبط لليفترس طائشة أثناء التسجيل.

2. تتبع التخلص من الذخائر المتفجرة

  1. تثبيت الأقطاب الكهربائية. تجميع ثمانية أقطاب الجرافيت، والفضاء على قدم المساواة على الجدار المنحني من الساحة المركزية.
    1. الحصول على رسم الخيوط (15 سم في الطول؛ المريخ الكربون 2 مم نوع HB) ويحلق الطلاء الخارجي من الخيوط.
    2. قطع ثمانية قطاعات من 10 سم كابل متحد المحور (RG-174)، والتفاف حول جوهر كابل واحدة من نهاية قضبان الجرافيت، وتطبيق أنابيب عليها للاتصال الكهربائية قوية ومستقرة يتقلص الحرارة. موصلات BNC جاك نعلق على طرفي نقيض (الشكل 2A اليسار).
    3. وضع أقطاب كهربائية على الحائط عن طريق تسجيل، وتطبيق شرائح رقيقة من اخفاء الشريط على السطوح الكهربائي للحماية من السيليكون. تطبيق سيليكون السد لعقد دائم الأقطاب، وإزالة كافة الشريط قبل يصلب السيليكون (الشكل 2A اليمين).
  2. بناء ثمانية تركيبات عن طريق قياس المسافة من كل قطب كهربائي إلى وحدة مكبر للصوت، وقطع الكابلات المحورية (RG-54) في أطوال. موصلات BNC المكونات نعلق على طرفي الكابلات.
  3. استخدام توصيلات كهربائية لسلك كل إلى وحدة مكبر للصوت. تضخيم تفاضلي قبل الاقتران اثنين من أقطاب 90 ° المنحى (انظر الشكل 2B)، والأرض جميع الأسلاك المحورية التدريع من خلال ربط لهم قفص فاراداي.
  4. تعيين مكسب مكبر للصوت أقل من الحد إشارة التشبع، وتطبيق عامل تصفية الفرقة تمرير (200 هرتز، 5 كيلو هرتز) لإزالة الضوضاء. رقمنة أزواج القطب أربعة في تسجيل 40 KS / ثانية.
  5. على الانترنتمعالجة الإشارات. يتم كتابة التعليمات للبرنامج Spike2، ويتم تحسين إعدادات المعلمة لGymnotus س. (انظر الشكل 2C عن ملخص).
    1. إضافة DC إزالة عملية (τ = 0.1 ثانية) لجميع القنوات تسجيل.
    2. إضافة إلى عملية تصحيح جميع القنوات التسجيلات.
    3. إنشاء قناة افتراضية عن طريق جمع جميع القنوات تسجيل أربعة.
    4. استخراج مظروف الأحادي الواسطة في التخلص من الذخائر المتفجرة نبض بإضافة RMS (جذر متوسط ​​التربيعية، figure-protocol-8479 ) عملية (τ = 0.25 ميللي ثانية) إلى القناة الظاهرية، لتوليد ذروة واحدة في كل دورة التخلص من الذخائر المتفجرة بشكل لا لبس فيه لتحديد توقيت النبض.
    5. إنشاء قناة realmark من القناة الظاهرية وتسجل الوقت والقيم من سعة الذروة، بعد وضع عتبة ملائمة لالتقاط جميع البقول واي التخلص من الذخائر المتفجرةthout يفتقد نبض، مع تجنب ايجابيات كاذبة.
    6. رصد معدل التخلص من الذخائر المتفجرة لحظية في الوقت الحقيقي من خلال تحديد خيار عرض قناة من قناة realmark إلى وضع تردد لحظية.
    7. رصد حركة الأسماك في الوقت الحقيقي من خلال تكرار قناة realmark، وتعيين خيار العرض إلى وضع الموجي.
    8. قياس مستوى النشاط من RMS من السعة المنحدر التخلص من الذخائر المتفجرة عن طريق إنشاء قناة الظاهري من قناة realmark (فترة أخذ العينات 0.01 ثانية)، وإضافة منحدر (τ = 0.25 ميللي ثانية) وRMS (τ = 0.5 ميللي ثانية) العمليات.
    9. تصدير قناة realmark في البرنامج Spike2 إلى تنسيق MATLAB.

3. تزامن تتبع فيديو

  1. خلق مشهد الخلفية.
    1. إخفاء أي الكائن الذي يلقي انعكاس على سطح الماء من خلال تغطية مع ماتي الفيلم كونترتوب الأبيض.
    2. تثبيت أبيض غير لامعلوحة من البلاستيك المموج 15 سم تحت السقف لإخفاء الكاميرا وتنفيس الهواء.
    3. طباعة أنماط الشبكة على ورقة كبيرة من الورق الأبيض لمعايرة الكاميرا، ووضع ذلك تحت خزان لتوفير خلفية عالية التباين.
  2. تثبيت مصادر الضوء.
    1. الحصول على الأشعة تحت الحمراء الصمام الاضواء، وإزالة المشجعين المدمج في للحد من الضوضاء. دفع LED مع العاصمة امدادات الطاقة الحالية للوائح وضعت خارج قفص فاراداي.
    2. تثبيت IR أضواء LED للتصوير في الظلام، وأضواء LED بيضاء ليقود دورة ضوء نهاري في الأسماك الاختبار. مباشرة جميع مصادر الضوء نحو السقف إضاءة غير مباشرة لتحقيق وموحدة (الشكل 3A).
    3. تنظيم دورة ضوء نهاري من قبل القيادة أضواء LED بيضاء مع التبديل التي تسيطر عليها الموقت (على سبيل المثال 12 ساعة on/12 ساعة إيقاف).
  3. تثبيت الكاميرا مباشرة فوق الحوض.
    1. الحصول على كاميرا الجرد الوطني حساسة، أو إزالة حجب الأشعة تحت الحمراء الأنظفص عن طريق كسر ورقة رقيقة من زجاج ملون في الجزء الخلفي من الجمعية العدسة. تأكد من أن زاوية عرض واسعة بما يكفي لصورة الساحة المركزية كله.
    2. جعل ثقب صغير في عرض منتصف لوحة السقف، ووضع الكاميرا مباشرة فوق الحفرة.
    3. تثبيت حارس حلقة بيضاء حول العدسة إذا كانت مصادر الضوء توليد يبرز على نحو فاضح.
  4. جعل تسجيل الفيديو متزامنة الوقت.
    1. وضع الصمام الأشعة تحت الحمراء في واحدة من زوايا أربع دبابات لتوليد نبضات تزامن الوقت (1 ميللي ثانية مدة 10 فترة ثانية). إضافة المقاوم الحد من الحمل (1 أوم) في سلسلة، ودفع IR LED من منفذ الإخراج الرقمي من الأجهزة التحويل الرقمي.
    2. استخدام برنامج تسجيل فيديو واحدة مع الكاميرا إذا كانت متوفرة. حدد أعلى جودة التسجيل (على سبيل المثال ضياع ضغط) وأعلى القرارات المعتمدة.
    3. بدء تسجيل الفيديو على الفور قبل البدء في تسجيل التخلص من الذخائر المتفجرة، ووقف تسجيل الفيديو IMMEdiately بعد تسجيل التخلص من الذخائر المتفجرة.
    4. بعد التسجيل، تحويل صورة أرقام الإطار إلى وحدة التحويل الرقمي الوقت عن طريق التحريف خطيا بين الأول ونبضات الضوء مشاركة استولت عليها إشارة التحويل الرقمي وتسجيل الفيديو.
  5. الآلية تتبع الصورة
    تتم كتابة تعليمات لمعالجة الصور MATLAB الأدوات، والاستفادة من وظائفها. ويرد النصي MATLAB المخصصة مع هذا الطلب لتتبع الصورة الآلي.
    1. استيراد الفيديو. استيراد ملف تسجيل الفيديو مباشرة إلى مساحة العمل باستخدام MATLAB "Videoreader. قراءة" وظيفة.
    2. خلق صورة الخلفية المركبة من خلال الجمع بين اثنين من إطارات الصور. استبدال صورة المنطقة من قبل حيوان المحتلة مع صورة غير مأهولة من نفس المنطقة من إطار آخر (انظر الشكل 3B).
    3. تحديد منطقة الصورة لتتبع عن طريق رسم قناع دائرية حول الساحة المركزية لاستبعاد والجرمية خارج (الشكل 3B القاع)، وتتكاثر بواسطة ثابت (ص كثافة العمليات) لتعيين حد أدنى لاختلاف كثافة. على سبيل المثال، وضع rint = 0.85 وقمع تقلبات كثافة 15٪ = (1 - ص كثافة العمليات) أدناه الخلفية.
    4. الصورة الطرح. طرح إطار الصورة (= ك IM) من صورة الخلفية (= 0 IM) للحصول على صورة الفرق (= ك ΔIM). استخدام عدد صحيح بدون إشارة الدقة العددية لتخزين القيم كثافة الصورة أنها أعداد صحيحة غير السالبة.
    5. شريحة صورة الفرق من خلال تطبيق عتبة شدة العزم من وظيفة graythresh. تنظيف صورة ثنائية باستخدام وظيفة bwmorph، وحدد النقطة المقابلة لأكبر حيوان بعد حساب جميع المجالات فقاعة باستخدام وظيفة regionprops.
    6. تحديد النقطه الوسطى والكبرى التوجه لxis من أكبر فقاعة من خلال تطبيق وظيفة regionprops، وتدوير الصورة إلى محاذاة محور رئيسي مع المحور س. تقسيم الصورة إلى أجزاء الرأس والذيل في النقطه الوسطى (أعلى الشكل 3D).
    7. تحديد المحور الرئيسي للجزء الرأس، وتدوير الصورة بالكامل لتتماشى مع محور س (الشكل 3D أسفل اليسار). تناسب المحيط صناديق حول الرأس وأجزاء الذيل موازية لمحاور الرئيسية وذلك باستخدام وظيفة regionprops.
    8. تحديد متوسط ​​الإحداثيات ص من النقطة في اليسار والوسط والحواف العمودية الأيسر من مربعات المحيط (النقاط الخضراء في أسفل الشكل 3D)، والتنازل عنها لخمس نقاط ميزة (وجها لطرف، في منتصف الرأس، منتصف الجسم ، في منتصف الذيل، والذيل طرف).
    9. معالجة الإطارات المتعاقبة بعد الاقتصاص إطار الصورة تركزت في النقطه الوسطى الحيوان تحديدها من إطاره السابق.
    10. تعيين يدويا التوجه لرئيس الإطار الأول، واستخدام betwe الدوت المنتجأون ناقلات التوجه من إطارين متتالية لتحديد تلقائيا التوجه الرأس. تفقد نتيجة لذلك، والوجه يدويا التوجه الرأس إذا تعيين بشكل غير صحيح.
  6. رسم مسارا الحيوانية من خلال الانضمام إلى الرأس نصائح، وتسهيل استخدام متوسط ​​ومتوسط ​​مرشحات (ن = 3) إذا كان لديه مظهر القلقة. ركب مسار مع صورة خلفية، وأقحم midlines الأسماك باستخدام ميزة النقاط الخمس (انظر الشكل 2E).
  7. حساب متوسط ​​معدل التخلص من الذخائر المتفجرة في كل وقت عن طريق التقاط صورة اختزال معدل التخلص من الذخائر المتفجرة حظية (100 هرتز معدل أخذ العينات) والمتوسط ​​(0.0625 ثانية نافذة الوقت). رسم مسار في الألوان الزائفة تحديد من معدل المتطابقة الوقت التخلص من الذخائر المتفجرة، وركب مع صورة الخلفية (انظر الشكل 2F).

النتائج

نتائج تتبع التخلص من الذخائر المتفجرة

الطول الموجي التخلص من الذخائر المتفجرة المسجلة من القطب أزواج مختلفة تختلف في سعة والأشكال كما هو متوقع من مواقع فريدة من نوعها والتوجهات (الشكل 2C أعلى). استخدام أزواج متعددة القطب ض...

Discussion

أهمية تقنيات لدينا. وباختصار، فإننا وصف لأول مرة بناء خزان ماء كبير وغرفة العزل لمراقبة السلوكيات العفوية الاستكشافية التي تنتجها المنتدى الاقتصادي العالمي. المقبل، أثبتنا تقنية لتسجيل وتتبع معدل التخلص من الذخائر المتفجرة ودول حركة من الأسماك غير المقيد في ا...

Disclosures

والكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgements

وأيد هذا العمل بسخاء من قبل العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC) والمعاهد الكندية لأبحاث الصحة (CIHR).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
[Aquarium construction]
Electrically shielded floor heaterThermoSoft Corp., IL, USAThermoTilewww.thermosoft.com
Tempered glass panelgeneric .5 inch thick, used for the aquarium construction
Aquarium grade siliconegeneric
Acrylic sheetgeneric .25 inch thick, matt white
Natural rubber sheetgeneric .25 inch thick
ServomotorHITECHRCD Inc., KoreaHS-325HB, 180deg rotationwww.servocity.com
Servomotor arm mountHITECHRCD Inc., Korea56362 Large Splinewww.servocity.com
Servomotor controller (6 chan.)sparkfun.comROB-09664 Micro Maestro 6-channel USB Servo Controller
Active USB extension cableC2G3899012m USB 2.0 A Male to A Female 4-Port Active Extension Cable
Exhaust fanNutoneILFK120www.homedepot.com
Vertical aquarium filterTetra, GermanyWhisper Internal Power Filter - 40i
Crushed coral Used to increase the pH of the tank water
[EOD recording setup]
Graphite ElectrodesStaedtler, GermanyMars Carbon 2-mm type HBShave the outer coating
Physiological Amplifier/FilterIntronix, Canada2015F
Coaxial CablegenericRG174For electrodes assembly
Coaxial CablegenericRG54For wiring use
BNC jack connector for RG-174Amphenol Connex112160For electrodes assembly
BNC plug connector for RG-54Amphenol Connex112116For wiring use
Signal digitizer hardwareCambridge Electronic Design, UKPower MKII 1401
Signal digitizer softwareCambridge Electronic Design, UKSpike 2. ver 7
[Visual tracking setup]
White LED lightIKEA, SwedenDIODER 201.194.18www.ikea.com
Infrared LED light (850 nm)Scene Electronics, ChinaS8100-60-B/C-IRRemove built-in fan
USB webcamLogitech Inc., CA, USAC910Remove Infrared blocking filter
Motorized cameraLogitech Inc., CA, USAQuickcam OrbitRemove Infrared blocking filter
Video recording softwareLogitech Inc., CA, USALogitech Quickcam SoftwareDownload from www.logitech.com
MatlabMathworks, MA, USA2012aImage processing toolbox

References

  1. Miyawaki, A., et al. Fluorescent indicators for Ca2+ based on green fluorescent proteins and calmodulin. Nature. 388 (6645), 882-887 (1997).
  2. Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat. Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).
  3. Adamantidis, A. R., Zhang, F., Aravanis, A. M., Deisseroth, K., De Lecea, L. Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons. Nature. 450 (7168), 420-424 (2007).
  4. Naumann, E. A., Kampff, A. R., Prober, D. A., Schier, A. F., Engert, F. Monitoring neural activity with bioluminescence during natural behavior. Nat. Neurosci. 13 (4), 513-520 (2010).
  5. Leifer, A. M., Fang-Yen, C., Gershow, M., Alkema, M. J., Samuel, A. D. Optogenetic manipulation of neural activity in freely moving Caenorhabditis elegans. Nat. Methods. 8 (2), 147-152 (2011).
  6. Mavoori, J., Millard, B., Longnion, J., Daniel, T., Diorio, C. A miniature implantable computer for functional electrical stimulation and recording of neuromuscular activity. In IEEE international workshop on biomedical circuits and systems (BioCAS) 2004; Session: Functional Electrical Stimulators and Related Sensing Techniques. , (2004).
  7. Harrison, R. R., Fotowat, H., Chan, R., Kier, R. J., Olberg, R., Leonardo, A., Gabbiani, F. Wireless neural/EMG telemetry systems for small freely moving animals. IEEE TBioCAS. 5 (2), 103-111 (2011).
  8. Jun, J. J., Longtin, A., Maler, L. Precision measurement of electric organ discharge timing from freely moving weakly electric fish. J. Neurophys. 107 (7), 1996-2007 (2012).
  9. Forlim, C. G., Pinto, R. D. Noninvasive Realistic Stimulation/Recording of Freely Swimming Weakly Electric Fish: Movement Detection and Discharge Entropy to Infer Fish Behavior. , (2012).
  10. Caputi, A. A., Aguilera, P. A., Castelló, M. E. Probability and amplitude of novelty responses as a function of the change in contrast of the reafferent image in G. carapo. J. Exp. Biol. 206 (6), 999-1010 (2003).
  11. Pluta, S. R., Kawasaki, M. Multisensory enhancement of electromotor responses to a single moving object. J. Exp. Biol. 211 (18), 2919-2930 (2008).
  12. Heiligenberg, W. Electrolocation and jamming avoidance in a Hypopygus (Rhamphichthyidae, Gymnotoidei), an electric fish with pulse-type discharges. J. Comp. Phys. A. 91 (3), 223-240 (1974).
  13. Capurro, A., Malta, C. P. Noise autocorrelation and jamming avoidance performance in pulse type electric fish. Bull. Math. Biol. 66 (4), 885-905 (2004).
  14. Post, N., von der Emde, G. The "novelty response" in an electric fish: response properties and habituation. Phys. Behav. 68 (1), 115-128 (1999).
  15. Toerring, M. J., Serrier, J. Influence of water temperature on the electric organ discharge (EOD) of the weakly electric fish Marcusenius cyprinoides (Mormyridae). J. Exp. Biol. 74 (1), 133-150 (1978).
  16. Ardanaz, J. L., Silva, A., Macadar, O. Temperature sensitivity of the electric organ discharge waveform in Gymnotus carapo. J. Comp. Phys. A. 187 (11), 853-864 (2001).
  17. Rodríguez-Cattaneo, A., Pereira, A. C., Aguilera, P. A., Crampton, W. G., Caputi, A. A. Species-specific diversity of a fixed motor pattern: the electric organ discharge of Gymnotus. PLoS One. 3 (5), (2008).
  18. Bennett, M. V. L., Hoar, W. S., Randall, D. J. . Fish physiology. , 493-574 (1971).
  19. Wong, C. J. Afferent and efferent connections of the diencephalic prepacemaker nucleus in the weakly electric fish, Eigenmannia virescens: interactions between the electromotor system and the neuroendocrine axis. J. Comp. Neurol. 383 (1), 18-41 (1997).
  20. Jun, J. J., Longtin, A., Maler, L. Real-time localization of moving dipole sources for tracking multiple free-swimming weakly electric fish. PLoS One. 8 (6), (2013).
  21. Rasnow, B., Assad, C., Hartmann, M. J., Bower, J. M. Applications of multimedia computers and video mixing to neuroethology. J. Neuro. Methods. 76 (1), 83-91 (1997).
  22. MacIver, M. A., Nelson, M. E. Body modeling and model-based tracking for neuroethology. J. Neuro. Methods. 95 (2), 133-143 (2000).
  23. Douglas, R. H., Hawryshyn, C. W., Douglas, R., Djamgoz, M. . Behavioral studies of fish vision: an analysis of visual capabilities. In The Visual System of Fish. , 373-418 (1990).
  24. Ciali, S., Gordon, J., Moller, P. Spectral sensitivity of the weakly discharging electric fish Gnathonemus petersi using its electric organ discharges as the response measure. J. Fish Biol. 50 (5), 1074-1087 (1997).
  25. Ratledge, D. An Introduction to Webcam Imaging. Digital Astrophotography: The State of the Art. , 31-44 (2005).
  26. Hofmann, V., Sanguinetti-Scheck, J. I., Gómez-Sena, L., Engelmann, J. From static electric images to electric flow: Towards dynamic perceptual cues in active electroreception. J. Phys. Paris. 107, 95-106 (2013).
  27. Castelló, M. E., Aguilera, P. A., Trujillo-Cenóz, O., Caputi, A. A. Electroreception in Gymnotus carapo: pre-receptor processing and the distribution of electroreceptor types. J. Exp. Biol. 203 (21), 3279-3287 (2000).
  28. Caputi, A. A., Castelló, M. E., Aguilera, P., Trujillo-Cenóz, O. Electrolocation and electrocommunication in pulse gymnotids: signal carriers, pre-receptor mechanisms and the electrosensory mosaic. J. Phys. 96 (5), 493-505 (2002).
  29. Pusch, R., et al. Active sensing in a mormyrid fish: electric images and peripheral modifications of the signal carrier. J. Exp. Biol. 211 (6), 921-934 (2008).
  30. Harder, W. Die beziehungen zwischen elektrorezeptoren, elektrischem organ, seitenlinienorganen und nervensystem bei den Mormyridae (Teleostei, Pisces). Z. Vgl. Physiol. 59 (3), 272-318 (1968).
  31. Bacelo, J., Engelmann, J., Hollmann, M., Gvonder Emde, ., Grant, K. Functional foveae in an electrosensory system. J. Comp. Neurol. 511 (3), 342-359 (2008).
  32. Hollmann, M., Engelmann, J., Von Der Emde, G. Distribution, density and morphology of electroreceptor organs in mormyrid weakly electric fish: anatomical investigations of a receptor mosaic. J. Zool. 276 (2), 1469-7998 (2008).
  33. Knudsen, E. I. Spatial aspects of electric fields generated by weakly electric fish. J. Comp. Phys. 99 (2), 103-118 (1975).
  34. Kramer, B. Spontaneous discharge rhythms and social signalling in the weakly electric fish Pollimyrus isidori (Cuvier et Valenciennes) (Mormyridae, Teleostei). Behav. Ecol. Sociobiol. 4 (1), 66-74 (1978).
  35. Stoddard, P. K., Markham, M. R., Salazar, V. L., Allee, S. Circadian rhythms in electric waveform structure and rate in the electric fish Brachyhypopomus pinnicaudatus. Physiol. Behav. 90 (1), 11-20 (2007).
  36. Canfield, J. G. Methods for chronic neural recording in the telencephalon of freely behaving fish. J. Neurosci. Methods. 133 (1-2), 127-134 (2004).
  37. Chen, L., House, J. L., Krahe, R., Nelson, M. E. Modeling signal and background components of electrosensory scenes. J. Comp. Physiol. A. 191 (4), 331-345 (2005).
  38. Emran, F., Rihel, J., Dowling, J. E. A Behavioral Assay to Measure Responsiveness of Zebrafish to Changes in Light Intensities. J. Vis. Exp. (20), (2008).
  39. Windsor, S. P., Tan, D., Montgomery, J. C. Swimming kinematics and hydrodynamic imaging in the blind Mexican cave fish (Astyanax fasciatus). J. Exp. Biol. 211 (18), 2950-2959 (2008).
  40. Shapiro, L. G., Stockman, G. C. . Computer vision. , 367-368 (2001).
  41. Hedrick, T. L. Software techniques for two- and three-dimensional kinematic measurements of biological and biomimetic systems. Bioinsp. Biomim. 3 (3), 034001 (2001).
  42. Babineau, D., Lewis, J. E., Longtin, A. Spatial acuity and prey detection in weakly electric fish. PLoS Comp. Biol. 3 (3), (2007).
  43. Sanguinetti-Scheck, J. I., Pedraja, E. F., Cilleruelo, E., Migliaro, A., Aguilera, P., Caputi, A. A., Budelli, R. Fish geometry and electric organ discharge determine functional organization of the electrosensory epithelium. PLoS One. 6 (11), (2011).
  44. Castello, M. E., Caputi, A., Trujillo‐Cenóz, O. Structural and functional aspects of the fast electrosensory pathway in the electrosensory lateral line lobe of the pulse fish Gymnotus carapo. J. Comp. Neurol. 401 (4), 549-563 (1998).
  45. Canfield, J. G., Mizumori, S. J. Y. Methods for chronic neural recording in the telencephalon of freely behaving fish. J. Neurosci. Methods. 133 (1), 127-134 (2004).
  46. Pereira, A. C., Centurión, V., Caputi, A. A. Contextual effects of small environments on the electric images of objects and their brain evoked responses in weakly electric fish. J. Exp. Biol. 208 (5), 961-972 (2005).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

85

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved