欧洲鲈个体性特征:行为、认知及端脑基因表达

《Physiology & Behavior》:Signatures of individuality in European seabass: behaviour, cognition and telencephalic gene expression

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月03日 来源:Physiology & Behavior 2.7

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   摘要行为和认知的个体差异越来越被视为动物认知过程的核心组成部分,然而,其在鱼类中的神经生物学基础仍知之甚少。在此,我们采用一种结合抑制控制测试(圆柱体测试)中的行为评估和端脑基因表达分析的综合方法,调查了幼体欧洲海鲈(Dicentrarchus labrax)的行为和认知个体

  

摘要

行为和认知的个体差异越来越被视为动物认知过程的核心组成部分,然而,其在鱼类中的神经生物学基础仍知之甚少。在此,我们采用一种结合抑制控制测试(圆柱体测试)中的行为评估和端脑基因表达分析的综合方法,调查了幼体欧洲海鲈(Dicentrarchus labrax)的行为和认知个体性。尽管成功的抑制控制反应很少,但在所有实验阶段中,探索、坚持和应对方式的个体差异始终存在。个体间变异性保持稳定,并沿着从更具反应性到更具主动性的特征连续梯度组织,而不是符合离散类别。在神经生物学水平上,转录组分析揭示了两个相反的基因集:一个与神经元激活和突触可塑性相关,另一个与神经内分泌调节和应激反应相关,显示出与观察到的行为特征的部分和非线性对应关系。综上所述,这些发现支持了将个体性视为欧洲海鲈的新兴和多维特征的观点,并表明在解释认知任务表现时,应考虑行为中的个体间变异及其相关的神经生物学关联。

引言

确保可持续和道德的生产系统是现代水产养殖的核心目标,其中动物福利已成为一个主要关注点。在鱼类中,福利通常被定义为个体能够应对环境、维持生理完整性并表达适应性行为反应的状态 [7]。传统上,福利评估严重依赖行为指标,因为它们提供了关于动物内部状态的非侵入性和综合性信息 [43,69,70]。然而,物种之间和同一物种内的个体之间都存在巨大的变异性,这限制了仅基于种群平均值的解释方法的功效,并突显了在福利研究中考虑个体性的重要性 [8,41,73]。
行为、生理和应激反应性的一致个体间差异产生了被称为压力应对风格的稳定模式 [30,31]。在鱼类中,对环境挑战的反应涵盖了一个由刺激特征和个体特征共同塑造的主动 - 反应连续体 [56],这对适应和福利具有重要意义 [11]。欧洲海鲈(Dicentrarchus labrax)是地中海水产养殖中具有重要意义的物种,在行为和生理特征方面表现出显著的个体间变异,包括应激反应代谢、冒险行为和应对风格 [1,20,27,28,46,47,67]。该物种中还描述了与应激调节和神经可塑性相关的神经生物学和分子关联 [1,13,66]。综上所述,这些证据支持进一步调查欧洲海鲈的个体变异,特别是在水产养殖和动物福利的背景下。
除了应激反应性之外,理解个体性需要考虑动物如何认知处理并评估环境刺激。认知过程 - 包括感知、注意、记忆和执行功能 - 允许行为根据经验和情境灵活调整 [3,9,38,74]。在执行功能中,抑制控制(IC)指的是在自动或冲动反应干扰目标导向行为时抑制这些反应的能力 [3,16]。绕路范式被广泛用于评估非人类动物的 IC [34,36,40]。其中,圆柱体任务在鱼类中越来越被用作“许多鱼类”框架内的标准化和最小侵入性程序 [60],促进了跨物种可比协议的实施。
此前该任务在硬骨鱼类中的应用已揭示了表现上的巨大个体间变异。在孔雀鱼中,有报告称圆柱体任务表现存在性别相关差异 [37],而其他研究表明在圆柱体任务和其他抑制控制范式中个体差异的一致性 [50],以及抑制表现与个体因素(与个体发生和特定行为特征相关)之间的关联 [71]。据我们所知,圆柱体任务此前未在欧洲海鲈中评估过;因此,其应用将这种标准化和比较方法扩展到了对水产养殖具有重要意义的物种。然而,在这些任务中的表现不仅反映了抑制能力,还反映了由经验和情境塑造的认知可塑性和行为策略的个体差异 [34,35,77]。
在神经生物学水平上,认知评估和决策依赖于感觉、情感和情境信息的整合。在硬骨鱼类中,端脑在学习、记忆和应激调节中发挥核心作用,并被提议为行为个体性的关键基质 [13,81]。在海鲈中,功能类似于边缘和情境结构的端脑区域显示出与刺激评估和行为调整相关的激活模式 [13]。分析端脑中的基因表达为神经元激活和经验依赖性可塑性提供了功能窗口。诸如 v-fos FBJ 小鼠成骨肉瘤病毒癌基因同源物 Ab(c-fos)和早期生长反应蛋白 1(egr1)等即刻早期基因在突触活动后迅速表达,并参与底层的突触可塑性分子级联反应 [49,54]。在欧洲海鲈中,具有正强化的空间任务表现与端脑中 c-fos 和 egr-1 表达的增强相关,支持将其用作与学习过程中行为参与相关的神经元激活标记 [15]。需要注意的是,这些标记反映的是神经元激活状态,而不是认知能力本身的差异,因此它们的解释必须在记录它们的行为和实验框架内加以情境化。涉及突触重塑和神经适应的其他基因,包括神经元 PAS 结构域蛋白 4a(npas4)和脑源性神经营养因子(bdnf),整合了与认知和应激相关的信号 [2,39]。在海鲈中,这些基因的表达对认知和应激相关情境敏感 [13],而应对风格已与全脑范围的可塑性和神经发生标记物的差异相关 [1]。此外,与突触组织和转录调节相关的基因已与个体表型变异相关 [66],表明涉及特定神经回路,这些回路仍需在区域水平上表征。
尽管取得了这些进展,但很少有研究同时整合了应对风格的表征、认知挑战中的表现以及水产养殖相关物种大脑中的分子关联。本研究采用多学科方法,通过结合行为画像与抑制控制(IC)任务中的表现以及端脑基因表达分析,调查幼体欧洲海鲈的个体性。使用圆柱体任务 [60],我们评估了在持续认知需求下的个体认知表现,并检查其与神经元活动、突触可塑性和应激调节相关基因表达模式的关联。我们假设行为应对风格与不同的端脑基因表达谱相关,反映了在认知、应激反应和神经可塑性整合方面的个体差异。

章节摘要

实验设计

本研究在位于安德拉克斯港的海洋研究与水产养殖实验室(LIMIA-IRPAF)进行。总共 21 尾幼体欧洲海鲈从巴利阿里水产有限公司 (ABSA-Cooke, 西班牙马略卡岛) 运送到实验中心(2024 年 2 月 19日)。到达后,个体被安置在一个有过滤海水连续流动的水箱中,适应期为 14 天。在此期间,未观察到明显的压力迹象,且无死亡

实验阶段的行为状态和事件

第一阶段。平板训练
在第一阶段,行为状态的时间分布中观察到巨大的个体间变异性(图 2)。个体在活动水平、探索和舒适区停留时间方面差异显著,这反映在宽的 quartile 范围内(图 2A)。不动行为,通常与环境富集(EE)相关,在整体活动较低的个体中更为常见。虽然一些鱼显示出广泛的行为库,但另一些则以

讨论

在本研究中,我们使用了一种结合行为分析与抑制控制任务表现相关的端脑基因表达的综合方法,探索了幼体欧洲海鲈的行为和认知个体性。我们的结果显示,在所有分析维度上存在显著的个体间变异性,支持存在对相同环境挑战的替代应对策略。这种变异性在个体如何

关于手稿准备过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在准备本工作期间,作者使用 ChatGPT(模型 GPT-4, OpenAI)以提高清晰度和语言质量。作者根据需要审查和编辑了输出,并对发表文章的内容承担全部责任。

CRediT 作者贡献声明

A.O. Avalos: 写作 – 初稿,可视化,方法论,调查,正式分析,数据整理,概念化。 E. Hoyo-Alvarez: 写作 – 审查与编辑,方法论,正式分析。 N. Rodriguez-Lopez: 写作 – 审查与编辑,方法论。 R. Teodósio: 写作 – 审查与编辑,资源,方法论,调查,数据整理。 P. Arechavala-Lopez: 写作 – 审查与编辑,监督,资源,项目管理,资金获取,概念化。
A.O. Avalos|E. Hoyo-Alvarez|N. Rodriguez-Lopez|R. Teodósio|P. Arechavala-Lopez
地中海高级研究学院 (IMEDEA-CSIC), 西班牙埃斯波尔莱斯。
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