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Method Article
タコの独特の生理学的構造と解剖学的構造を理解することは、生物医学研究に大きな影響を与える可能性があります。このガイドでは、この種に対応するための海洋環境の設定と維持方法を示し、タコの神経系の解剖学と機能を視覚化するための最先端のイメージングおよび分析アプローチが含まれています。
生物医学研究の多くの発展は、異なる種の特定の機能をサポートする解剖学的および細胞的メカニズムを発見することによって刺激されています。タコは、科学者に神経科学、ロボット工学、再生医療、補生の分野に新しい洞察を与えたこれらの例外的な動物の一つです。この種の頭足類を用いた研究では、プロジェクトの成功に不可欠なタコとその生態系の両方に対する複雑な施設の設置と集中治療が必要です。このシステムは動物に安全できれいな環境を提供するために複数の機械および生物のフィルタリングシステムを必要とする。制御システムに加えて、施設を長期に保つためには、特別な定期メンテナンスと清掃が必要です。タンクの風景を変え、様々な獲物を取り入れ、彼らが働くために挑戦的なタスクを導入することによって、これらの知的動物に豊かな環境を提供することをお勧めします。我々の結果は、MRIと全身自己蛍光イメージングだけでなく、彼らの神経系をよりよく理解するための行動研究を含む。タコは、生物医学研究の多くの分野に影響を与えることができるユニークな生理学を持っています。持続可能なエコシステムを提供することは、その明確な能力を明らかにする上で最初に重要なステップです。
生物医学研究と生物医学工学の新しい概念は、多くの場合、生物種が環境や生理学的条件や課題に対処するために持っている特定の戦略を特定することによって触発されます。例えば、ホタルの蛍光特性を理解することは、他のモデル生物1の細胞活動を報告できる新しい蛍光センサーの開発につながっています。藻類の光によって活性化されたイオンチャネルを同定することは、細胞および時間的な特定光ベースの神経変調2、3、4、5の開発につながっている。地球の磁場に従って移動するガラスナマズのタンパク質を発見することは、磁気ベースの神経変調6、7,8,9,10,11の開発につながっています。Aplysiaのサイフォン反射を理解することは、行動の細胞基盤を理解するのに役立っています 12,13,14.
研究者は、非従来のラボ種が保持する生理機能に関するユニークな強みと新しい視点を利用して、現在のバイオエンジニアリングと系統ツールボックスを拡大し続けています。連邦政府機関は、多様な種に対して行われた新しい研究に資金を提供することで、これらの研究ラインを支援し始めています。
ユニークな解剖学と再生能力を持つ動物の1つの属だけでなく、その腕、魅力的な生物学者やエンジニアの適応制御、そして社会のあらゆる部分からの観客を魅了するOctopus17です。実際、タコの生理学と行動の多くの側面は、過去数十年にわたって研究されてきました15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 .しかし、近年の分子・進化生物学、ロボット工学、運動記録、画像、機械学習、電気生理学の発展により、タコの生理学や行動に関連する発見が加速し、革新的なバイオエンジニアリング戦略に変換される27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39.
ここでは、さまざまな背景、科学的関心、目標を持つ科学者やエンジニアに関心と関連性があるタコの夫を設定し、維持する方法を説明します。しかし、我々の結果は、神経科学および神経工学研究におけるタコの応用に焦点を当てています。タコは、中枢脳に4,500万個のニューロン、視神経ローブに1億8,000万個のニューロン、および8つの軸索と末梢神経節に3億5,000万個のニューロンを持つ高度に発達した神経系を有する。それに比べて、犬は同じような数のニューロンを持ち、猫はそのうちの半分しか40です。脊椎動物の神経系とは異なり、タコの脳内の何百万ものニューロンを各腕の軸索40,41,42のニューロンに接続する32K efferentと140Kの摂便繊維しかありません。これらの比較的少数の相互接続繊維は、モータプログラムの実行に関する詳細のほとんどが軸索自体で行われることを示唆しており、タコが持つ独特の分布した神経制御を強調している。タコの腕は、容器の中に入っていても、瓶の蓋を開けるなどの操作スキルを可能にする並外れた細かいモーターコントロールを備えています。この高度に発達した先天性運動能力は、頭足類(タコ、イカ、イカ)43のクラスに固有です。
確かに、何億年もの進化を通じて、タコは科学的および工学的分野にわたる新しい開発と進歩に影響を与えた驚くべき洗練されたゲノムと生理学的システム43,44を開発しました。例えば、タコの吸盤の解剖学的構造に基づく耐水性の粘着性パッチは、湿潤および乾燥した表面に固執することができます45;タコの迷彩肌に触発された合成カモフラージュ材料は、凹凸とピット46を備えた平面の2D表面を立体的な表面に変換することができます。将来的にはbody47内の外科用ツールとして機能する小型ソフトおよび自律ロボット(オクトボット)。また、戦車状ロボット48に取り付けられたアーム(すなわちOctoArm)も開発されています。タコの多くの種は、例えば、生物医学の研究で使用されている, タコの下流, タコの副鼻腔炎, タコのババアビリス, およびオクトパスビマキュロイド (O. ビマキュロイド);O.下品とO.ビマキュロイドは最も一般的です34,49,50。最近の異なるタコゲノムのシーケンシングは、この特に関心のある属を作り、タコ研究で新しいフロンティアを開きます34,43,51,52。
私たちのセットアップで使用されるBimaculoidesは、1949年に最初に発見された中型のタコ種で、カリフォルニア州中部からバハカリフォルニア半島の南まで北東太平洋沖の浅瀬で見つけることができます17。それは、その目の下のマントルの偽のアイスポットによって認識することができます。ジャイアントパシフィックタコ(腸頭突起小体)やコモンタコ(O.vulgaris)と比較すると、カリフォルニア2スポットタコ(O.ビマキュロイド)は比較的小さく、数センチメートル未満から始まり、少年のように急速に成長しています。実験室内で飼育すると、成人マントルサイズは平均100cmに成長し、最大800g53,54の重量を量ることができます。タコは最初の200日以内に急速な成長期間を持っています。それまでに、彼らは大人とみなされ、彼らの人生の残りの部分を通して成長し続けます55,56,57。タコは、特に両方の男女がタンク内に一緒に収容されている場合、共食いすることができます。したがって、それらは別々のタンク58に個別に収容される必要があります。
すべての動物研究は、ミシガン州立大学の施設動物のケアと使用委員会(IACUC)によって承認されました。
1. タコタンク装置のセットアップ
図1:タコタンクのセットアップ。 水の入口および出口(a)。3つのタコタンクは、それぞれ1.22 m x 0.3 m(b)の面積を有する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:サンプシステム サンプシステムの側面図(a)。サンプシステムのトップビュー (b)。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:タンクと環境制御ユニットの下にサンプフィルタリングシステムを備えた水族館。 緑色の矢印は、システムを通る水の流れの方向を示します。冷却のためにセクション1から2に流れる水と、重い生物学的物質を軽い物質から分離するために3つに流れる水。重い廃棄物は、より小さな生物学的物質がセクション4内の靴下フィルターに流れ込む間、セクション5に底と外に浮かびます。水は、水の中に残りの廃棄物を除去するために、6でタンパク質スキマーに入るセクション5の下の4つ下から流れます。藻類ビンには、廃棄物、アンモニア、硝酸塩を分解する微生物が含まれ、水を酸素化します。システムの最後の部分では、タンクに戻ってポンプで送られる前に蒸発を考慮して、より多くの水が追加されます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
2. 貯蔵タンク
3. フードタンクのセットアップ
4. タンクへのタコの導入
5. 毎日のケア
6. 毎週の衛生
図4:フィドラーカニ用タンク(ミヌカプニャックス)。 タンクの底部は、乾燥したベッドの半分と浅い海水の2cmの残りの半分を指定します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:幽霊エビ用タンク(パレミテス・パルドサス)。 エビタンクの岩石は、エビが隠れて脱皮するだけでなく、微生物の成長のための場所を提供します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
7. 体調の不整動動物のケア
8. タコ麻酔
9. タコ安楽死
10. O. ビマキュロイドの挙動
11. タコMRI
注:以前、タコのレチナにおける機能的MRI応答を麻酔動物70で測定した。ここでは、何時間もスキャンを要するタコの神経系の超高空間分解能MRIを得た。したがって、これは安楽死性 のO.ビマキュロイドで行われた。
12. クライオ蛍光断層撮影(CFT)イメージング
私たちの研究のすべての動物は野生から得られたので、彼らの正確な年齢を決定することはできなかったし、研究室での彼らの滞在は可変でした。タコの状態は毎日観察された。寄生虫、細菌、皮膚損傷、異常な行動は見ませんでした。動物の平均重量は170.38 +/- 77.25 gであった。各動物は、独自の40ガロンタンクに住んでいました。1週間にわたって記録されたタンクの平均±標準偏差は、pH 8....
システムセットアップ:
水槽の生態系は、水のフィルタリングと酸素化の機械的および生物学的方法の両方が採用されている方法で開発されました。システムのフィルター要素は、窒素と酸素のレベルを維持するために、靴下フィルター、タンパク質スキマー、および定期的な洗浄を利用します。さらに重要なことは、海洋微生物に頼って危険な窒素化合物やその他の生物学的...
すべての著者は利益相反を宣言しません。
この作品は、NIH UF1NS115817(G.P.)によってサポートされました。G.P.は、NIH助成金R01NS072171およびR01NS098231によって部分的にサポートされています。Xerraイメージングプラットフォーム上のデータ収集と視覚化に関する支援とサポートを行ってくれたことを、Emit Imagingのパトリック・ザクゼウキとモハメド・ファルフードに感謝します。MSUはブルカー・バイオスピンと研究契約を結んでいます。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1-3/4 in. Drill Bit | Home Depot | 204074205 | Glass cutting tool Part number:1 |
1" flow sensors | Neptune Systems | Local Dealer | Pipe with sensor to measure water flow Part number:2 |
1" Slip Bulkhead Strainer | Bulk Reef Supply | 207113 | Strainer for water leaving tank Part number:3 |
10 gallon tank | Pruss Pets | Local Dealer | Fiddler crab holding tank Part number:4 |
4 inch X 12 inch 200 Micron Nylon Monofiliment Mesh Filter Sock w/ Plastic Ring | AQUAMAXX | UJ41171 | Filter for large organic matter in sump Part number:5 |
40 gallon aquarium | Pruss Pets | Local Dealer | 4 Food aquarium tanks Part number:6 |
60g poly tanks - rectangle | Pruss Pets | Local Dealer | 2 Water Storage (salt and freshwater) Part number:7 |
Active Aqua 1/10th HP Hydroponic or Aquarium Chiller 2018 Model | WayWe | 719574198463 | For cooling water continuously Part number:8 |
ALAZCO 2 Soft-Grip Handle Heavy-Duty Tile Grout Brush | ALAZCO | B06W2FT5V5 | Tank Cleaning Part number:9 |
Ammonia Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 33D | For water testing Part number:10 |
Apex system WiFi | Neptune Systems | Local Dealer | System connection for off site monitoring Part number:11 |
API Aquarium Test Kit | Amazon | B001EUE808 | For water testing Part number:12 |
API Copper Test Kit | Amazon | B0006JDWH8 | For water testing Part number:13 |
Aqua Ultraviolet Classic UV 25 Watt Series Units | Aqua Ultraviolet | A00028 | For removing bacteria leaving sump system Part number:14 |
AquaClear 50 Foam Filter Inserts, 3 pack | Aquaclear | A1394 | Food Tank Carbon Filter Inserts Part number:15 |
Aqueon QuietFlow LED PRO Aquarium Power Filter 30 | Aqueon | 100106082 | Food tank filtering units Part number:16 |
Auto Top Off Kit (ATK) (Each includes 1 FMM module, 2 optical sensors and 1 float) | Neptune Systems | Local Dealer | For freshwater tank Part number:17 |
Automatic top off from RODI (LLC) | Neptune Systems | Local Dealer | From water storage to octopus tanks Part number:18 |
Banded Trochus Snail | LiveAquaria | CN-112080 | For algae bin Part number:19 |
Chaetomorpha Algae, Aquacultured | LiveAquaria | BVJ-76354 | For algae bin Part number:20 |
Clams - Live, Hard Shell, Cherrystone, Wild, USA Dozen | Fulton Fish Market | N/A | Live food Part number:21 |
Classic Sea Salt Mix - Tropic Marin | Bulk Reef Supply | 211813 | Salt for tank water Part number:22 |
Clear Masterkleer Soft PVC Plastic Tubing, for Air and Water, 3/4" ID, 1" OD | McMaster | 5233K71 | Cleaning tool Part number:23 |
Continuum Aquablade-P Acrylic Safe Algae Scraper W/ Plastic Blade - 15 Inch | Marine Depot | 4C31001 | Cleaning tool Part number:24 |
Copper Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 65L | For water testing Part number:25 |
Curve Refugium CREE LED Aquarium Light | Eshopps | 6500K | Algae bin light Part number:26 |
Eheim 1262 return pumps | EHEIM | 1250219 | Pump for storage tanks Part number:27 |
Eshopps R-100 Refugium Sump GEN 3 | Eshopps | 15000 | Sump system Part number:28 |
Ethyl Alcohol, 200 Proof | Sigma-Aldrich | 64-17-5 | Anesthesia Part number:29 |
Extech DO600 ExStik II Dissolved Oxygen Meter | Extech | DO600 | Oxygen measurment Part number:30 |
Fiddler Crabs; live; dozen | NORTHEAST BRINE SHRIMP | N/A | Live food Part number:31 |
Filter Cartrages | Aqueon | 100106087 | Food tank filters Part number:32 |
Florida Crushed Coral Dry Sand - CaribSea | Bulk Reef Supply | 212959 | Sedimate for bottom of tank Part number:33 |
FMM module | Neptune Systems | Local Dealer | Controller for apex system Part number:34 |
Fritz-Zyme TurboStart 900 - Fritz | Bulk Reef Supply | 213036 | Bacteria start Part number:35 |
Hand Operated Drum Pump, Siphon, Basic Pump with Spout, For Container Type Bucket, Pail | Granger | 38Y789 | Water Hand Pump Part number:36 |
High pH Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 27 | For water testing Part number:37 |
Imagitarium Fine Mesh Net for Shrimp | Petco | 2580993 | Shrimp and fish transfer net Part number:38 |
Leak Detection Kit (LDK) - Includes FMM module plus 2 ALD sensors | Neptune Systems | Local Dealer | Placed on floor to detect water Part number:39 |
Lee`S Algae Scrubber Pad Jumbo - Glass | Marine Depot | LE12007 | Cleaning tool Part number:40 |
Live rocks | Pruss Pets | Local Dealer | Habitat for octopus Part number:41 |
Long Bottle Cleaning Brush 17" Extra Long | Haomaomao | B07FS7J7PN | Tank Cleaning Part number:42 |
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M1028-100ML | Euthanasia Part number:43 |
Magnetic Probe Rack | Neptune Systems | Local Dealer | For holding apex sensor probes Part number:44 |
Marine Ghost Shrimp | NORTHEAST BRINE SHRIMP | N/A | Live food Part number:45 |
Marineland C-Series Canister Carbon Bags Filter Media, 2 count | Chewy | 98331 | For elevated copper levels Part number:46 |
Nitra-Zorb Bag | Aquarium Pharmaceuticals | AP2213 | Absorbes nirtogen compounds Part number:47 |
Nitrate Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | LR1800 | For water testing Part number:48 |
Nitrite Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 26 | For water testing Part number:49 |
Pawfly 2 Inch Air Stones Cylinder 6 PCS Bubble Diffuser Airstones for Aquarium Fish Tank Pump Blue | Amazon | B076S56XWX | Aierating water Part number:50 |
Penn Plax Airline Tubing for Aquariums –Clear and Flexible Resists Kinking, 8 Feet Standard | Amazon | B0002563MM | Tubing for connecting air pump to air stone Part number:51 |
Plumbing with unions/valves plus 3/4" flex hose | Pruss Pets | Local Dealer | Water transport Part number:52 |
PM1 module | Neptune Systems | Local Dealer | Power control module for apex Part number:53 |
Protein skimmer | Reef Octopus | AC20284 | Removes biowaste from system Part number:54 |
PVC Apex Mounting board, grommets, wire mounts | Neptune Systems | Local Dealer | Helps ensure organization for wires and tubing within system Part number:55 |
PVC Regular Cement and 4-Ounce NSF Purple Primer | Amazon | Oatey - 30246 | For connecting PVC pipes Part number:56 |
RODI unit | Neptune Systems | Local Dealer | RO Water Part number:57 |
Salinity Probes | HANNA probes | HI98319 | Measures salinity of water Part number:58 |
Seachem Pristine Aquarium Treatment | Sea Chem | 1438 | Provides bacteria that break down excess food, waste and detritus Part number:59 |
Seachem Stability Fish Tank Stabilizer | Sea Chem | 116012607 | Seachem Stability will rapidly and safely establish the aquarium biofilter in freshwater and marine systems Part number:60 |
Set of lexan tops | Pruss Pets | Local Dealer | Aquarium tank lids Part number:61 |
Set of Various extended length aquabus cables | Neptune Systems | Local Dealer | Cables for Apex system Part number:62 |
SLSON Aquarium Algae Scraper Double Sided Sponge Brush Cleaner Long Handle Fish Tank Scrubber for Glass Aquariums | Amazon | B07DC2TZCJ | Cleaning tool Part number:63 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, 45 Degree Elbow Adapter, 3/4 Socket Female x 3/4 Socket Male | McMaster | 4880K189 | PVC pipe Part number:64 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, 90 Degree Elbow Adapter, 1 Socket Female x 1 Socket Male | McMaster | 4880K773 | PVC pipe Part number:65 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Adapter, 1 Socket-Connect Female x 1 Barbed Male | McMaster | 4880K415 | PVC pipe Part number:66 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Straight Reducer, 2 Socket Female x 3/4 Socket Female | McMaster | 4880K008 | PVC pipe Part number:67 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Tee Connector, White, 1 Size Socket-Connect Female | McMaster | 4880K43 | PVC pipe Part number:68 |
Standard-Wall Unthreaded Rigid PVC Pipe for Water, 1 Pipe Size, 10 Feet Long | McMaster | 48925K13 | PVC pipe Part number:69 |
Standard-Wall Unthreaded Rigid PVC Pipe for Water, 3/4 Pipe Size, 5 Feet Long | McMaster | 48925K92 | PVC pipe Part number:70 |
Structural FRP Fiberglass Sheet, 48" Wide x 96" Long, 1/4" Thick | McMaster | 8537K15 | Table top material Part number:71 |
Structural FRP Fiberglass Square Tube, 10 Feet Long, 2" Wide x 2" High Outside, 1/8" Wall Thickness | McMaster | 8548K33 | Structural table materal Part number:72 |
Tank Sediment | TopDawg Pet Supply | 8479001207 | Sediment for bottom of fiddler crab tank Part number:73 |
Temperature probe | Neptune Systems | Local Dealer | Temperature probe for tanks Part number:74 |
Tetra TetraMarine Large Saltwater Flakes for all Marine Fish | Amazon | B00025K0US | Fish, shrimp, and crab food Part number:75 |
Tetra Whisper Aquarium Air Pump for 10 gallon Aquariums | Petco | 2335234 | Air pump for smaller tanks Part number:76 |
Thick-Wall Through-Wall Pipe Fitting, for Water, PVC Connector, 1 Socket-Connect Female | McMaster | 36895K843 | PVC pipe Part number:77 |
Vectra s2 pump | Bulk Reef Supply | 212141 | Aquarium Pump Part number:78 |
Water Pump | TACKLIFE | GHWP1A | Pump for cleaning tanks Part number:79 |
Wyze Cam v2 1080p HD Indoor WiFi Smart Home Camera with Night Vision | Amazon | B076H3SRXG | DeepLabCut Recording Part number:80 |
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