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脑声常谈:介绍几种斑马鱼视觉行为学实验的测试方法(1)

斑马鱼行为学实验介绍


斑马鱼是一种典型的白昼活动和具有较好视觉功能的鱼类,视网膜面积为(3.04 ± 0.29)mm2,厚度 为(167.5 ± 12.5)μm,视网膜细胞层可分为10层,神经节细胞总数量约为 40000~56000 个,感光细胞层(包括色素上皮层)与神经网膜厚度比值约为 1∶1.3.顶盖是鱼脑中高度发达的部分,视觉信 息通过视交叉投射至对侧顶盖,而很少投射至同侧顶盖.视觉信息输入在斑马鱼群聚、捕食、逃避等**神经活动中都占主导地位.已经报道过的视觉行为学实验有:惊恐反应(startle response)、 趋光反应 (phototaxis)、 眼动反应 (optokineticresponse)、视动反应(optomotor response)、逃避反应(escape response)和背光反应(dorsal light reflex)等.


惊恐反应(startle response)
斑马鱼的惊恐反射是一种可以由视觉、听觉与嗅觉诱导的明显的生理反应.惊恐反应可以用来简 单地检测斑马鱼的视觉功能是否正常.视觉正常的斑马鱼在经过一段时间的适应后,如其所在区域的 光线突然变暗或者变亮,它会有一个迅速地逃脱该区域的动作.Easter 等进一步研究表明,斑马鱼 的惊恐反应是在受精后 68 h(hour post-fertilization,hpf)产生的,虽然这时斑马鱼的眼睛还在形成当中,而且视网膜神经元的突触也正在建立.斑马鱼发育到 96 hpf 后,由于幼年斑马鱼具有自由运动的能力,对惊恐反应的检测将变得比较困难,因此对斑 马鱼突变体的检测一般不使用该行为学方法.


趋光反应(phototaxis)

斑马鱼的趋光反应是指斑马鱼在黑暗环境下会趋向于有光的环境,但这种行为学实验一般也不用 于突变体的检测.在一个一分为二的水缸中,无论 是刚开始时两边都处于光照环境然后将一边遮光, 还是刚开始两边都为黑暗环境然后将一边光照,斑马鱼都将趋向于有光照的一边.这种行为在幼年斑马鱼和成年斑马鱼中都可以表现出来.该行为学有时可以用来简单地检测斑马鱼的视觉功能,但是 这种反应不是十分地强烈,因为有实验显示在经过5min 的暴露之后,也只有 85%左右的斑马鱼迁移 到光照的一边.


眼动反应(optokinetic response, OKR)

眼动反应是检测斑马鱼视觉相关基因突变的经典行为学实验.受精后第3天(day post-fertilization,dpf)开始,幼鱼在光适应一段时间后就会对移动的 光栅进行注视,如果光栅是在一个围绕幼鱼的圆筒上移动时(图 1),幼鱼的眼睛就会一直追随光栅直 到其眼睛不能再转动,然后就会有一个急速的眼颤 动以回复到*初水平.之后又进行下一个追随反 应,如此循环.斑马鱼所在培养皿的正上方放 置一个数码摄像机对其眼动进行实时记录,然后用 专门的软件分析眼睛与体轴的夹角,从而可以筛选出视觉功能存在缺陷的个体.Streisinger 在**次 将斑马鱼作为模式动物的时候就已经注意到这种现 象,他们*早应用了斑马鱼的眼动反应和视动反应 来筛选视觉缺陷的个体.


当光栅是由圆筒上的黑白条纹产生时,调整条 纹的宽度可以调节刺激的空间频率,而调整圆筒的 转速可以调节刺激的时间频率.当使用数码投影时,可以对黑白条纹的光栅进行相应的傅立叶变 换,产生一组带有**信息(second-order)的光栅刺 激.Orger 等的实验证实,幼年斑马鱼不仅可以 对**刺激指令起反应,也可以对**刺激指令起正确的反应.然而有意思的是,人类对这种次级指 令的视觉认知是在视皮层中进行的,可是斑马鱼却没有视皮层.因此,作者提出对刺激指令信号的提 取可能在低等脊椎动物的神经回路中就已经形成的 观点.

报道中斑马鱼适合做 OKR 的年龄是在 73~80 hpf 时期,成鱼暂时还没有相关的 OKR 报道. 这是因为幼鱼可以通过体表呼吸,当幼鱼固定在甲 基纤维素中进行视动反应时并不会因为窒息而死, 但是成年斑马鱼在甲基纤维素固定的情况下鳃部不 能张合以致死亡.不过尊龙凯时人生就是博进行的实验表明,用特定的方法固定成鱼头部与身体,同样实验条件下也可以看到明显的OKR(实验数据未发表).




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