斑马鱼逃逸游泳建模：揭示神经肌肉最大功率输出与身体运动对水黏度的高效适应

研究人员探究斑马鱼胚胎在不同黏度流体中的逃逸游泳，发现其能适应黏度变化，该模型可用于研究相关因素。

　　### 斑马鱼逃逸游泳研究：探索运动奥秘与潜在应用
在神秘的水生世界里，鱼类为了生存繁衍，进化出了独特的运动方式。斑马鱼（Danio rerio）作为一种常用的模式生物，其逃逸游泳行为一直备受关注。在自然环境中，斑马鱼面临着复杂多变的水流条件，而流体黏度的变化对它们的逃逸游泳效率有着重要影响。以往的研究虽然对鱼类的运动进行了多方面探索，但仍存在诸多问题。例如，在研究斑马鱼胚胎的能量消耗模型时，缺乏一种可重复、可靠且易用的方法来诱导其逃逸反应，这使得该模型在不同游泳介质黏度下的研究进展缓慢。此外，现有的实验技术难以直接评估斑马鱼的神经肌肉性能，对其游泳生物力学的全面理解也有待加强。为了深入探究这些问题，来自法国波尔多大学等机构的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《iScience》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在实验方面，他们利用电场脉冲（EFP）引发斑马鱼胚胎的定型逃逸反应，这种新兴的 EFP 运动反应测试（EFPMRT）技术能够独立于感觉功能评估逃逸游泳的神经肌肉回路。在模拟方面，通过基于实验记录的游泳数据，整合 Navier-Stokes 流体方程，开发了一种实验驱动的方法在计算机上重现斑马鱼的逃逸反应。同时，利用 Procrustes 分析处理实验成像数据，以准确获取斑马鱼的身体运动信息。

斑马鱼 C 型启动逃逸反应的数值模拟

研究人员首先基于横向组织学切片成像数据库，重建了逼真的 5 天胚胎期（5 dpf）斑马鱼虚拟三维模型。通过对实验成像数据进行处理，将实际鱼的运动作为模板来弯曲和扭曲虚拟斑马鱼，进而为 Navier-Stokes 求解器提供输入。最终，成功在计算机上再现了斑马鱼逃逸反应的各个阶段，并计算出了相关的能量参数和位移。这一模拟结果与观察到的游泳运动学在轨迹拟合和速度剖面方面具有良好的一致性，证明了该模拟方法的有效性。

流体黏度对 C 型启动逃逸反应的影响

研究人员在不同流体黏度（0.83 mPa?s 至 15 mPa?s）下评估了 5 dpf 斑马鱼胚胎的游泳性能。随着黏度增加，斑马鱼的质心移动距离、尾巴运动频率和逃逸速度均显著下降，而最大中线曲率和平均弯曲幅度在黏度增加时并未显著改变。在能量参数方面，尽管总能量消耗随黏度增加而显著增加，但平均机械功率输出并未受到显著影响。同时，运输成本（CoT）与黏度呈线性相关，这表明在 EFP 诱导的逃逸游泳中，机械功率是主要的生物力学限制因素。

计算与实验增加黏度对 C 型启动逃逸反应效率的影响

研究人员对比了计算模拟和实验中增加黏度对斑马鱼逃逸反应的影响。在模拟中，基于在水中记录的运动增加黏度时，功率输出线性增加，速度也随之上升，但 CoT 显著高于基于实际记录运动的模拟。研究人员还假设补偿尾巴运动频率的差异可以消除这些差异，通过对不同模拟条件下的分析发现，虽然调整频率后部分参数与实际模拟相似，但游泳速度仍存在差异，这表明尾巴弯曲 / 拍打频率并不能完全解释实验和模拟中观察到的差异。

在结论与讨论部分，研究人员通过实验和模拟相结合的方式，验证了斑马鱼在快速启动逃逸反应中神经肌肉功率输出最大化的假设。斑马鱼在不同黏度的流体中都能保持相同的神经肌肉功率输出，并且能够通过调整身体运动来适应高黏度流体，在功率限制下实现优化的 CoT。此外，该研究开发的数值模型可用于识别影响神经肌肉系统产生或使用最大机械功率的遗传和毒理学因素，为研究相关运动障碍提供了新的方法和思路。这一研究成果不仅加深了人们对斑马鱼运动机制的理解，还为后续在神经肌肉疾病研究、药物研发等领域的应用奠定了基础。