生理学实验--斑马鱼视动反应讲义
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斑马鱼报警反应产生发育阶段的研究曹小龙;祖尧;张庆华;贾亮;李伟明【摘要】鱼类在遭受捕食后,受损的表皮会释放大量的化学信号物质,同种其它个体嗅到这些化学信号后会作出躲避反应,称为报警反应(alarm response),报警反应通常出现在一定的发育阶段.采用斑马鱼(Dinio rerio)同种碾碎提取物(处理组,质量浓度为10-6g·L-1)作为报警物质,并设3个对照组:罗非鱼碾碎提取物组、双蒸水组、空白对照组,通过暴露处理实验,检测沉底累积时间(time of bottom)、呆滞累积时间(time of freezing)两项指标,研究了28 dpf(days post fertilization,受精后天数)、35 dpf、42 dpf 3个不同发育时期幼鱼的报警反应.结果显示:28 dpf时,处理组与3个对照组相比,在沉底累积时间、呆滞累积时间两项指标上均无显著差异,这个时期处理组有2 ind斑马鱼出现“沉底”,其中1 ind出现“呆滞”;35 dpf时,处理组与3个对照组相比,在沉底累积时间上有显著差异(P<0.05),在呆滞累积时间上无显著差异,这个时期有5 ind斑马鱼出现“沉底”,其中1 ind出现“呆滞”;42 dpf时,处理组与对照组相比,在沉底累积时间、呆滞累积时间两项指标均有显著差异(P<0.05),这个时期有8 ind斑马鱼出现“沉底”,且8 ind全部出现“呆滞”,与此对应的是这个时期大部分个体出现明显的报警反应.研究表明,斑马鱼报警反应产生的发育阶段为35~42 dfp之间,结合已知的野外斑马鱼生活史,推测斑马鱼在特定的阶段产生报警反应可能与栖息她的迁移有关.【期刊名称】《海洋渔业》【年(卷),期】2016(038)003【总页数】7页(P304-310)【关键词】斑马鱼;报警反应;发育;栖息地【作者】曹小龙;祖尧;张庆华;贾亮;李伟明【作者单位】上海海洋大学水产种质与资源发掘与利用教育部重点实验室,上海201306;上海海洋大学水产种质与资源发掘与利用教育部重点实验室,上海201306;上海海洋大学水产种质与资源发掘与利用教育部重点实验室,上海201306;上海海洋大学水产种质与资源发掘与利用教育部重点实验室,上海201306;上海海洋大学水产种质与资源发掘与利用教育部重点实验室,上海201306【正文语种】中文【中图分类】S943动物界中,当个体受到捕食者袭击时,会主动或被动地向同种其它个体发出报警信号,以躲避潜在的危险[1-5]。
斑马鱼视动眼动反应实验目的:观察视觉行为学的表现掌握评判视觉功能的行为学手段实验原理:行为学虽是一门古老的学科,但至今仍是神经生理研究中不可或缺(indispensable)的一个活跃领域。
经典行为学实验一般不依赖或很少需要精密的测量仪器,而是靠我们去观察和思考。
眼动(optokinetic response, OKR)和视动(optomotor response, OMR)反应均是视觉刺激诱发的运动行为。
脊椎动物从低等的鱼、蛙到高等的灵长类和人都有此行为反应。
此现象无需学习训练就易诱导、较稳定、易观察,所以作为一种客观指标广泛运用于视觉功能的检测和评价。
脊椎动物为了获得对运动图像刺激在视网膜上稳定清晰的成像,通过视觉通路和相应的运动神经参与做出生理性行为的适应调整从而能够对视觉刺激做出良好反应,这些表现涉及视动、眼动或视动性头震颤(Optokinetic head nystagmus, OKHN)。
如果行为学的表现不正常,可以推测它们的固有神经连接出现异常。
斑马鱼具有脊椎动物类似的视觉通路,经典的视觉行为学有眼动反应和视动反应。
眼动(光动)反应:斑马鱼在光适应一段时间后会对移动的光栅进行注视,试图确保移动视觉图像能稳定地高分辨地呈现在视网膜上。
如果光栅是在一个围绕幼鱼的圆筒上移动时(图1),斑马鱼的眼睛就会一直追随光栅直到其眼睛不能再转动,然后有一个急速的眼颤动(ocular nystagmus)以回复到最初水平。
之后又进行下一个追随反应,如此循环。
周围视觉环境周期性运动时引起的有规律的眼或头追踪运动(慢相运动)即为眼动反应或视动性头震颤。
五天龄(5dpf) 的幼鱼视觉系统就已非常成熟(viewed in Bilotta, 2001),适合行为学检测。
该行为学指标常用于筛选与视功能相关的不同遗传背景或操作的幼鱼。
视动反应:视动反应是指斑马鱼对移动的目标有一种追逐的行为。
当将成年斑马鱼放在一个圆形光栅的内部时,斑马鱼对光栅的追随行为会表现为一种圆周性运动(图2)。
用斑马鱼行为学-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在斑马鱼行为学领域,斑马鱼被广泛应用于行为研究中,成为一种理想的实验室模型动物。
斑马鱼具有许多优势,如短生命周期、繁殖力强、透明胚胎等特点,使其成为研究者们研究行为学和神经科学的理想选择。
通过对斑马鱼的行为进行观察和实验,可以深入了解其行为模式和神经机制,为人类疾病的研究和治疗提供重要参考依据。
本文将介绍斑马鱼行为学的概述,探讨其在实验室中的应用以及对科学研究的意义。
1.2 文章结构文章结构部分需要说明整篇文章的分章节结构,以便读者对文章的整体内容有一个清晰的了解。
在这个部分可以简要介绍文章的结构,包括各个章节的主要内容和展开细节。
例如可以写成:"文章结构部分将会首先介绍本文的大纲,包括引言、正文和结论三个主要部分。
在引言部分,将会概述斑马鱼行为学的重要性和应用,以及本文的目的。
接着在正文部分,将详细介绍斑马鱼行为学的概述、在实验室中的应用以及在科学研究中的意义。
最后在结论部分,将总结斑马鱼行为学的重要性,展望未来发展方向,并以结语作为整篇文章的收尾。
通过这种结构,读者可以清晰地了解本文的主要内容和展开方向,从而更好地理解斑马鱼行为学的重要性和意义。
"1.3 目的本文旨在探讨斑马鱼行为学在科学研究中的重要性和应用价值。
通过对斑马鱼行为学的概述和实验室应用进行分析,我们可以深入了解这种生物的行为特征,为科学家们提供更多研究思路和方法。
同时,我们也希望通过对斑马鱼行为学的探讨,引起更多人对这一领域的关注,促进相关研究的发展和进步。
通过本文的阐述,可以更好地认识斑马鱼行为学在科学研究中的意义,为未来相关研究的发展提供参考和指导。
2.正文2.1 斑马鱼行为学概述斑马鱼(zebrafish)是一种常见的实验动物,其行为学研究已成为生物学领域中重要的研究方向之一。
斑马鱼具有许多优势,如短生命周期、快速繁殖、小体型等特点,使其成为理想的模式动物。
第三章斑马鱼学习和记忆缺陷突变体的筛选二天的测试时间也只需四分钟;而由于重复的电击刺激,在野生型中测试结果相当稳定,40条野生型斑马鱼里只有一条表现出行为异常,可能原因是鱼的个体差异以及人工操作的误差。
所以用这种方法对超过1400条的ENU诱变斑马鱼进行筛选,是相当可靠的。
而且,这里使用的抑制逃避实验的结果,斑马鱼对黑暗的倾向性和斑马鱼的长时记忆效果都与Blank等的实验结果【”1姊目一致,由于改变电击的时问长度、间隔和频率,加大了学习强度和时间,我们的长时记忆实验的结果更加稳定,误差更小。
结果显示,突变体fgt在训练后的测试中,停留在白色区域的时间明显的大于野生型停留在白色区域的时间,并且在重复实验中,F1代突变体.詹t的长时记忆一直表现出明显异常。
而对其30条F2代个体进行同样实验,有近一半的F2代个体(13/30)在长时记忆上有缺陷,是符合遗传规律的。
IEGs是指在强烈的突触,或者神经递质,或者生长因子的刺激下而引起快速短暂的最早表达的一组基因,而不需要denOVO蛋白的合成或者其他的反应基因的预先激活。
lEGs不仅参与细胞的正常生长、分化过程,而且也参与细胞内信息传递过程和细胞的能量代谢过程,在学习记忆中起着极为重要的作用。
lEGs的表达与突触重塑活性之间有着紧密的联系,IEGs通过合成一系列的蛋白,包括调节转录因子,结构蛋白,信号转导蛋白,生长因子,蛋白酶等,作用于基因,改变神经元的活动和功能引起突触重塑,而是突触重塑的过程是学习记忆的基础。
lEGs转录是由模式化的诱导长时程突触可塑性的突触活性引起的。
神经递质结合到突触后受体,或者在突触后电位整合后激发动作电位,引起细胞外Ca2+内流或者内部储存的Ca2+的释放,引起一个级联的信号传导,包括突触后第二信使和蛋白激酶的激活。
部分激酶调节细胞核内基因表达,包括蛋白激酶A,促分裂原活化蛋白激酶,钙和钙调蛋白依赖的激酶Ⅳ。
活化的激酶作用于细胞核内特异构成的RTFs,例如cAMP效应元件结合蛋白(CREB)和血清应答因子(SRF)。
斑马鱼人工繁殖、受精和胚胎发育一、实验目的了解斑马鱼的生活和繁殖习性,掌握斑马鱼人工繁殖技术,了解斑马鱼受精、胚胎发育过程和形态模式形成的特点。
二、斑马鱼的生活和繁殖习性斑马鱼(Danio rerio)为热带鱼类,可在一年内多次产卵。
在合适的养殖条件下,4月龄的斑马鱼即性成熟;性成熟后每1-2周可以产卵一次,一条雌鱼一次可以产出数百颗卵子。
斑马鱼产卵受温度和光照长度的调节。
最适产卵水温为28.5℃,产卵的光调节周期为光照14小时,黑暗10小时。
为防止自然产卵,性成熟的雌、雄斑马鱼必须分开养殖。
斑马鱼具有下列特点:1、繁殖周期短,不受季节限制,容易获得所需要的精子、卵子和胚胎材料。
2、小型鱼类,可在实验室高密度养殖,饲养成本低。
3、是脊椎动物,具有和人类相似的器官和组织。
4、体外受精、体外发育,胚胎培养条件简单。
5、胚胎透明,可以在活体上直接观察器官的发育。
6、发育周期短,在28.5℃温度下培养,受精后24小时即可以形成个体的基本结构。
因此,斑马鱼现在选择作为发育生物学研究的模式动物。
三、实验器材和材料斑马鱼养殖系统,大塑料盆(直径约58cm)两个,塑料筛框(直径约36cm)一个,中号塑料盆(直径约36cm)1个,加热棒,加气泵,12cm培养皿若干,9cm培养皿若干,数个胶头滴管。
曝气水10L。
性成熟雌、雄性斑马鱼。
四、实验内容和程序实验前一天的准备:1、在实验前一天的早上向2个大塑料盆中放大半盆干净的自来水,放入气泵和加热棒,将加热棒温度调整至28℃(每个加热棒都有差异,需要放入温度计,根据温度计指示的实际温度调节和校准温度计),以供斑马鱼催产繁殖时使用。
2、曝气水将干净的自来水烧开后冷却,将气泵放入其中进行曝气,以为培养胚胎之用。
3、斑马鱼的选取和催产雌雄鱼的鉴别:性成熟的雄鱼体型修长,腹部较小,而雌鱼腹部较大。
选鱼的时间在实验前一天的晚上,在选取斑马鱼之前需要喂食红虫,喂食后1小时才开始选鱼。
斑马鱼人工繁殖、受精和胚胎发育一、实验目的了解斑马鱼的生活和繁殖习性,掌握斑马鱼人工繁殖技术,了解斑马鱼受精、胚胎发育过程和形态模式形成的特点。
二、斑马鱼的生活和繁殖习性斑马鱼(Danio rerio)为热带鱼类,可在一年内多次产卵。
在合适的养殖条件下,4月龄的斑马鱼即性成熟;性成熟后每1-2周可以产卵一次,一条雌鱼一次可以产出数百颗卵子。
斑马鱼产卵受温度和光照长度的调节。
最适产卵水温为28.5℃,产卵的光调节周期为光照14小时,黑暗10小时。
为防止自然产卵,性成熟的雌、雄斑马鱼必须分开养殖。
斑马鱼具有下列特点:1、繁殖周期短,不受季节限制,容易获得所需要的精子、卵子和胚胎材料。
2、小型鱼类,可在实验室高密度养殖,饲养成本低。
3、是脊椎动物,具有和人类相似的器官和组织。
4、体外受精、体外发育,胚胎培养条件简单。
5、胚胎透明,可以在活体上直接观察器官的发育。
6、发育周期短,在28.5℃温度下培养,受精后24小时即可以形成个体的基本结构。
因此,斑马鱼现在选择作为发育生物学研究的模式动物。
三、实验器材和材料斑马鱼养殖系统,大塑料盆(直径约58cm)两个,塑料筛框(直径约36cm)一个,中号塑料盆(直径约36cm)1个,加热棒,加气泵,12cm培养皿若干,9cm培养皿若干,数个胶头滴管。
曝气水10L。
性成熟雌、雄性斑马鱼。
四、实验内容和程序实验前一天的准备:1、在实验前一天的早上向2个大塑料盆中放大半盆干净的自来水,放入气泵和加热棒,将加热棒温度调整至28℃(每个加热棒都有差异,需要放入温度计,根据温度计指示的实际温度调节和校准温度计),以供斑马鱼催产繁殖时使用。
2、曝气水将干净的自来水烧开后冷却,将气泵放入其中进行曝气,以为培养胚胎之用。
3、斑马鱼的选取和催产雌雄鱼的鉴别:性成熟的雄鱼体型修长,腹部较小,而雌鱼腹部较大。
选鱼的时间在实验前一天的晚上,在选取斑马鱼之前需要喂食红虫,喂食后1小时才开始选鱼。
转基因动物(transgenic animal)是指基因组中整合有外源基因的一类动物,整入动物基因的外源基因被称为转基因(transgene)。
嵌合体动物(chimera mosaic animal)是只有部分组织细胞的基因组中整合有外源基因的动物,称为嵌合体动物(chimera mosaic animal)。
这类动物只有当外源基因整合入的“部分组织细胞”恰为生殖细胞时,才能将其携带的外源基因遗传给子代,一般用胚胎干细胞法或逆转录病毒载体法制备的第一代转基因动物均为嵌合体动物,而显微注射法得到的第一代转基因动物中,也有20%为嵌合体动物。
转基因动物是指动物所有细胞均整合有外源基因,则具有将外源基因遗传给子代的能力,通常被称为转基因动物。
转基因动物技术是常规分子生物学技术的延伸和拓展,它不仅为人们研究生命科学提供了一个更有效的工具,而且随着转基因动物技术的发展,转基因产品将会广泛渗透到医疗、卫生、农产品和食品中。
转基因技术是生物学领域最新重大进展之一,已能渗透到生物学、医学、畜牧学等学科的广泛领域。
转基因动物已成为探讨基因调控机理、致癌基因作用和免疫系统反应的有力工具。
同时人类遗传病的转基因动物模型的建立,为遗传病的基因治疗打下坚实的理论和实验基础。
转基因技术涉及外源基因的组建、载体、受体、基因导入技术、供转基因胚胎发育的体外培养系统和宿主动物等方面的内容。
鱼类是脊椎动物中最丰富多样性的类群,估计达30000 种。
这种多样性反映在诸如形态、行为、生殖、发育、世代时间和对环境的耐受等各种特征的广泛差异,从而使各种转基因鱼模型的常规制作既是挑战,又是机遇。
有的鱼类的卵是透明的,能直接对发育进行监察,有的情况下对活体内报告基因的表达进行判断。
有些鱼的种类还可能进行其他的遗传操作来诱导单倍体、三倍体和纯合子产雌品系。
尽管鱼的种类很多,但作研究用的却要少的多。
因为野生种群的持续减少,为帮助满足高质量蛋白质需要,水产养殖较常用鱼是鲶鱼、虹鳟鱼、罗非鱼、大西洋鲑和鲤鱼。
斑马鱼视动眼动反应
实验目的:
观察视觉行为学的表现
掌握评判视觉功能的行为学手段
实验原理:
行为学虽是一门古老的学科,但至今仍是神经生理研究中不可或缺(indispensable)的一个活跃领域。
经典行为学实验一般不依赖或很少需要精密的测量仪器,而是靠我们去观察和思考。
眼动(optokinetic response, OKR)和视动(optomotor response, OMR)反应均是视觉刺激诱发的运动行为。
脊椎动物从低等的鱼、蛙到高等的灵长类和人都有此行为反应。
此现象无需学习训练就易诱导、较稳定、易观察,所以作为一种客观指标广泛运用于视觉功能的检测和评价。
脊椎动物为了获得对运动图像刺激在视网膜上稳定清晰的成像,通过视觉通路和相应的运动神经参与做出生理性行为的适应调整从而能够对视觉刺激做出良好反应,这些表现涉及视动、眼动或视动性头震颤(Optokinetic head nystagmus, OKHN)。
如果行为学的表现不正常,可以推测它们的固有神经连接出现异常。
斑马鱼具有脊椎动物类似的视觉通路,经典的视觉行为学有眼动反应和视动反应。
眼动(光动)反应:斑马鱼在光适应一段时间后会对移动的光栅进行注视,试图确保移动视觉图像能稳定地高分辨地呈现在视网膜上。
如果光栅是在一个围绕幼鱼的圆筒上移动时(图1),斑马鱼的眼睛就会一直追随光栅直到其眼睛不能再转动,然后有一个急速的眼颤动(ocular nystagmus)以回复到最初水平。
之后又进行下一个追随反应,如此循环。
周围视觉环境周期性运动时引起的有规律的眼或头追踪运动(慢相运动)即为眼动反应或视动性头震颤。
五天龄(5dpf) 的幼鱼视觉系统就已非常成熟(viewed in Bilotta, 2001),适合行为学检测。
该行为学指标常用于筛选与视功能相关的不同遗传背景或操作的幼鱼。
视动反应:视动反应是指斑马鱼对移动的目标有一种追逐的行为。
当将成年斑马鱼放在一个圆形光栅的内部时,斑马鱼对光栅的追随行为会表现为一种圆周性运动(图2)。
图1 眼动反应装置图2 成鱼视动反应装置
转速显示照明开关电机开关正反转开关转速旋钮通风开关
实验设备:
试剂:
30 mm Petri dish,6% methylcellulose(Sigma),Embryo media,Rearing water (见附表),海绵,橡皮泥,动脉夹,大头针,7-9dpf幼鱼,成鱼,计时器,烧杯
仪器:
OKR apparatus (图3), 体式镜,视频摄录设备,微波炉,搅拌加热台
实验步骤
Part 1: 成鱼OKR
• 1. 自制海绵块(如图4);
• 2. 将海棉块放在玻璃杯的底部,倒入少部分的水,挤出海绵中的气泡;
• 3. 插入第一根针,位置大概在海绵的中间;
• 4. 麻醉成鱼,用动脉夹夹住尾巴;
• 5. 将鱼背部朝上放在海绵上,一侧的胸鳍放在大头针的前面;
• 6. 插入第二根针,位置在对侧胸鳍的后面,类似于第一根针;
•7. 在鱼缸的壁上靠近鱼尾的位置蘸上一块橡皮泥,将动脉夹按在橡皮泥•上;
•8. 在生殖孔的两侧分别插入第3、4根大头针;
•9. 在第1、2与第3、4之间分别插入第5、6根大头针;
•10. 腮部两侧分别插上第7、8根大头针;
•11. 为了防止鱼体上浮,第9、10根针在背鳍前部附近斜插跨过鱼的身体;
•12. 倒入养鱼水,水深6cm左右;
•13. 让斑马鱼苏醒10min;
•14. 打开光源,光强度适应1min;
•15. 打开电动机,光栅刺激适应1min;
•16. 记录眼动反应。
注意事项:
a. 大头针的目的只是为了固定住斑马鱼,因此只要能达到这个目的,大头针
没有必要太紧以影响到鱼的正常呼吸和生理功能;
b. 用以小片纱布裹住鱼的尾巴,然后再用动脉夹夹住可以减少尾巴断裂的可
能性;
c. 腮部旁边的两个大头针不能阻挡它对光栅的视野。
Part 2: 幼鱼OKR
A. 甲基纤维素
幼鱼的固定是用甲基纤维素来进行的,一般常用的是6%的,配制如下:
1. 将140ml ddH2O放进微波炉中高档加热3min;
2. 在玻璃烧杯中加入60ml的ddH2O,并放入冰箱中冰冻;
3. 将沸腾的热水转移到热台上并搅拌;
4. 称取12g methylcellulose,缓慢的倒进沸水当中,当甲基纤维素在表面逐渐
成块的时候可以用玻璃棒在水面轻微搅动以促进其溶解;
5. 继续搅拌3 min直到methylcellulose充分分散开来, 加入3~5滴NaOH
(1mol/L)并继续搅拌3~5min;
6. 将上述容易转移进一个塑料的烧杯中,然后加入60 ml 的冰块迅速冷却;
7. 当溶液因快速冷却而变得透明的时候将其放进冰箱,静置2h后可用。
注意:
a. 为了防止剧烈的冷却对玻璃烧杯的损伤,可以将热的溶液转移进塑料烧杯
中进行;
b. 当冰块加入之后溶液变得透明,还应继续在冰箱中保持2h以上,否则不会
形成粘稠样液体。
B. 幼鱼准备
1. 前一天下午五点将一雌二雄配对在繁殖缸中,第二天早上抽板并在1h后收
集鱼卵;
2. 鱼卵用embryo medium在28.5 ℃孵育,光照/黑暗周期为14:10h;
3. 鱼卵按正常饲养方法进行,本实验选取的是5dpf的幼鱼。
C. 实验步骤
1. 在55-mm petri dish中加入20ml 6%的methycellulose,防止有气泡产生;
2. 放进几条幼鱼在培养皿中,将它们摆成一排;
3. 将装置放在体式镜下面并打开光源;
4. 在鱼的尾巴部位添加一个小气泡,这个小气泡有助于反射周围的光栅运动;
5. 转动光栅并记录他们的眼动反应。
Part3: 成鱼OMR
成鱼的OMR也可以在此装置中进行,不同的是在fish chamber中心放置一个圆柱以阻止斑马鱼在运动过程中从中心穿过。
1.捞一条成鱼在fish chamber中并加入6cm高的养鱼水;
2. 将一个直径2cm的圆柱立在fish chamber的中央;
3. 光强度与光刺激适应各1min;
4. 打开摄像机并记录相关的行为。
思考题:
1、如果斑马鱼幼鱼不用甲基纤维素而用养鱼水会怎样?那为何用甲基纤维素较理想?
2、在OKR中,除了眼睛的运动还会有什么部位会有运动,为什么?
3、猜想视神经损伤后对于眼动或是视动反应具有什么影响?
注意事项:
1.妥善保管数码相机,以防摔落;
2.当心玻璃器皿,尤其是仪器上匹配的玻璃装置;
3.切记防止水泼入仪器;
4.操作体视镜获取视频时动作轻柔;
5.实验后,归还斑马鱼于指定容器.
参考文献:
邹苏琪,殷梧,胡兵.斑马鱼行为学实验在神经科学中的应用.生物化学与生物物理进展,2009,36(1): 5~12
附表:
1L Embryo medium:
10.0 ml Hank's Stock #1
1.0 ml Hank's Stock #2
10.0 ml Hank's Stock #4
959.0 ml dd H2O
10.0 ml Hank's Stock #5
10.0 ml fresh Hank's Stock #6
Use about 10 drops 1 M NaOH to Ph 7.2
Stock #1
8.0 g NaCl 0.4 g KCl, in 100 ml dd H2O
Stock #2
0.358 g Na2HPO4 Anhydrous 0.60 g KH2PO4, in 100 ml dd H2O
Stock #4
0.72 g CaCl2, in 50 ml H2O
Stock #5
1.23 g MgSO4-7H2O, in 50ml dd H2O
Stock #6(fresh)
0.35 g NaHCO3, in 10 ml dd H2O
Rearing water
In general, adults can be maintained in tap water,If there is any question about water quality,use deionized or distilled water with a small amount of salts and minerals.
Our system: 0.2-0.3g/L NaCl
参考:THE ZEBRAFISH BOOK,by Monte Westerfield, Institute of Neuroscience, University of Oregon
[邹苏琪、黄玉斌、胡兵编写]。