Infektionsinducerade beteendeförändringar minskar anslutningen och potentialen för sjukdomsspridning i kontaktnät för vilda möss | vetenskapliga rapporter

Infektionsinducerade beteendeförändringar minskar anslutningen och potentialen för sjukdomsspridning i kontaktnät för vilda möss | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Djurens beteende
  • Beteende ekologi
  • Ekologisk epidemiologi
  • Infektionssjukdomar

Abstrakt

Infektion kan modifiera värdens och dess uppgifter i en grupp, vilket kan förändra sociala anslutningar. Eftersom många infektionssjukdomar överförs via social kontakt kan förändringar i sociala anslutningar påverka överföringsdynamiken. Tidigare tillvägagångssätt för att förstå sjukdomens överföringsdynamik i vilda populationer var begränsade i deras förmåga att avskilja olika faktorer som avgör resultatet av sjukdomsutbrott. Här frågar vi hur social anslutning påverkas av infektion och hur detta förhållande påverkar överföringsdynamiken för sjukdomar. Vi manipulerade experimentellt sjukdomstatus hos vilda husmöss med en immunutmaning och övervakade sociala interaktioner inom denna fri-levande befolkning före och efter manipulation med automatisk spårning. De immunutmanade djuren visade minskad anslutning till sina sociala grupper, vilket hände som en funktion av deras eget beteende, snarare än genom en konkret undvikande. Vi integrerade dessa sjukdomsinducerade förändringar av social anslutning mellan individer i modeller av sjukdomsutbrott över empiriskt härledda nätverk. Modellerna avslöjade att förändringar i värdbeteende ofta resulterade i att sjukdomen innehöll mycket få djur, i motsats till att den blev utbredd. Våra resultat belyser vikten av att beakta den roll som beteendeförändringar under infektion kan ha på den sociala dynamiken när man utvärderar potentialen för sjukdomsutbrott.

Introduktion

Infektion kan modifiera värdens beteende genom patogenberoende 1 eller värdberoende processer 2 . När djur blir sjuka kan deras beteendemässiga och fysiologiska svar göra det möjligt för andra djur att identifiera infekterade individer och följaktligen ändra sitt eget beteende gentemot dem 3, 4, 5, 6 . Tillsammans kan dessa faktorer förändra djurgruppernas dynamik när en sjukdom uppstår. Snabba förändringar i kontaktnätet kan därefter ändra hastigheten och storleken på sjukdomen som sprids.

Modeller av sjukdomsdynamik har traditionellt antagit homogenitet i sociala kontakter inom en befolkning 7 . En mer biologiskt relevant metod skulle emellertid vara en som omfattar de komplexa kontaktmönster som naturliga populationer upplever. Genom att redovisa kontakt heterogenitet har kontaktnätmodeller gett värdefull insikt i förhållandet mellan socioekologi och sjukdomsdynamik 8, 9, 10 . Medan mycket information har uppnåtts om heterogenitet i mänskliga kontaktmönster 8, 11, 12, 13, har beskrivning av kontaktmönster i fristående vilda djurpopulationer endast varit möjligt på några få undersökningssystem 14 . Ändå, eftersom en stor andel uppkommande infektionssjukdomar som hotar människor härrör från djurliv 15 och sjukdomar hos djur kan ha viktiga effekter på tillgången på livsmedel och bevarande av ansträngningar, är det mycket viktigt att studera sjukdomar som sprids i icke-mänskliga djur.

Teknologiska och analytiska framsteg underlättar nu vår förmåga att kartlägga sociala nätverk av djur i naturen 16 . Detta har gjort det möjligt att gå från rena modelleringsstudier till studier som använder kända nätverk av djur för att simulera sjukdomsutbrott 17, 18 och för att förklara mönster av infektionsstatus 19, 20, 21, 22, 23 . Dessa tillvägagångssätt är emellertid begränsade i deras förmåga att avskilja olika faktorer som avgör resultatet av sjukdomsutbrott.

Experimentella tillvägagångssätt, integrerade med observations- och modelleringsmetoder, behövs nu kritiskt för att förstå hur sjukdom, genom att förändra beteende, påverkar interaktioner mellan individer och därmed förändrar överföringsdynamiken. För att kvantifiera effekten av en infektion på dynamiken i sociala kontaktnätverk av vilda husmöss ( Mus musculus domesticus ), använde vi en vanlig modell av bakteriell infektion, bestående av injektioner av en bakterieprodukt (lipopolysackarid eller LPS) känd för att framkalla medfödd immun svar hos djur 24 . Denna immunaktivering är kopplad till ospecifika infektionssymptom, inklusive en generaliserad förändring i beteenden som kännetecknas av minskad aktivitet 2 . Möss i vår befolkning tillbringar en avsevärd tid i bon, i kontakt med andra möss (konspektiv). En minskning av aktiviteten kan öka eller minska överföringen genom att ändra boendemönster, inte bara av de drabbade djuren (t.ex. ökad tid tillbringad i boet leder till ökade kontakter och överföring), utan också genom sampecifikationer (t.ex. undvikande av bon som innehåller sjuka djur leder till minskade kontakter och överföring). Till exempel är det känt att gnagare kan använda olika uppsättningar ledtrådar för att undvika sjuka specifikationer 25, 26 . Här övervakade vi nestdelande kontaktnätverk av vilda möss före och efter immunutmaning och använde sedan de observerade förändringarna för att modellera överföring av sjukdomar inom kontaktnätet.

Resultat

Sociala grupper av vilda möss som bor i en ladugård

Över 90% av de fria levande vuxna mössen (257 individer) som bosatte sig i en ladugård implanterades med transpondertaggar, som lästes av antenner i 40 konstgjorda lådor som var tillgängliga för musbruk. Överlevnad och reproduktiv framgång hos husmöss är kopplad till tillgång till säkra bon 27, 28 . Trots omfattande sökinsatser hittar vi sällan kull utanför de konstgjorda boetlådorna. Även under vintern, när reproduktionsproduktionen är låg, använder mössen i befolkningen boetlådorna i stor utsträckning. På en enda dag på vintern upptäckte vi upp till 26 möss med samma boetlåda och möss som spenderade upp till 20 timmar i dessa lådor. Genom att tillhandahålla ett utrymme där flera möss kan vara i nära kontakt under längre tidsperioder, bildar bon ett potentiellt viktigt medium för överföring av patogener och sjukdomar.

Under experimentet besökte vi befolkningen varannan dag, några timmar före skymningen. Antenndata över natten som erhållits från de ostörda dagarna avslöjade att befolkningen bildade 11–12 icke sammankopplade sociala grupper (Fig. 1). Alla dessa grupper användes, men på ett vackert sätt på följande sätt: under varje besök riktade vi oss till 3 till 4 sociala grupper, med endast en mus per grupp som fick en injektion av antingen LPS eller kontroll (saltlösning) på en natt. Under flera veckor upprepade vi alla sociala grupper med olika djur varje gång, vilket resulterade i 35 kontroller (19 kvinnor och 16 män) och 37 LPS (17 kvinnor och 20 män) injicerade djur. Vi använde sedan data som samlats in av antennerna för att kvantifiera behandlingsskillnader i individuella och sociala beteenden över natten.

Möss illustreras som cirklar och interaktionerna mellan dem representeras som linjer. Olika sociala grupper har olika färger.

Bild i full storlek

Minskning av aktiviteten hos immunutmanade möss

Möss injicerade med LPS visade minskad rörelse jämfört med kontroller. Specifikt minskade de antalet ingångar och utgångar till boboxar under injektionsnatten relativt en föregående natt (χ 2 = 10.30, P = 0, 0013, df = 1; Fig. 2a; ingen signifikant effekt av kön, sex 2 = 0, 0069, P = 0, 93, df = 1; parameteruppskattning ± standardfel [SE] = −35, 6 ± 10, 66 för kvinnor och −36, 6 ± 10, 12 för män vid LPS-behandling, och 3, 71 ± 10, 28 för kvinnor och 2, 69 ± 10, 87 för män hos kontrollbehandling). Dessutom ledde LPS-injektion till en signifikant minskning av antalet använda lådboxar (fig. 2b) som skilde sig ut baserat på kön (χ 2 = 4, 62, P = 0, 032, df = 1, för interaktion mellan kön genom injektion). Eftersom kvinnor före injektion i genomsnitt besökte fler lådor än män (2, 3 ± 0, 18 för kvinnor jämfört med 1, 13 ± 0, 06 för män), var minskningen i nestlådor som användes på grund av LPS-injektion starkare hos kvinnor (-1 ± 0, 22) än hos män (−0, 1 ± 0, 21). Hos kontrollinjicerade djur observerades generellt ingen sådan reduktion (0, 21 ± 0, 21 för kvinnor och 0, 18 ± 0, 23 för män). Genomsnittlig tid tillbringad i boetboxar varje natt påverkades inte signifikant av behandlingen (χ 2 = 0, 14, P = 0, 71, df = 1; Fig. 2c) eller kön (χ 2 = 0, 0002, P = 0, 99, df = 1).

Data representerar betyder ± SE. ( a ) Antal gånger djur gick in och ut från boetlådor; ( b ) Antal besöksboxar; ( c ) Tid som djur tillbringas i boet lådor.

Bild i full storlek

Minskning av interaktioner med information

Genom att röra sig mindre kom möss därefter i kontakt med färre information. Vi konstruerade ett socialt kontaktnätverk baserat på överlappningen i tiden mellan två eller flera möss som delar en boetbox. Vi jämförde förändringen i sociala kontakter som inträffade under två nätter (före injektion och under injektion) hos injicerade djur till förändringar som inträffade hos icke-injicerade, för att redogöra för baslinjefluktuationer i sociala interaktioner. Möss hade en signifikant minskning i antalet nestkartongspartners (grad), efter att ha injicerats med LPS ( P = 0, 008), men inte när de injicerats med saltlösning ( P = 0, 19; tabell 1). Med antenninställningen som vi använde, kunde vi bestämma vilken mus som kom först in i ett bo. Denna kunskap tillät oss att skilja mellan fokalmöss som besöks och fokalmöss som besöker andra. Minskningen i grad drevs främst av de LPS-injicerade möss som besökte ett reducerat antal djur (medelvärde ∆ ut-grad = −3, 2), snarare än färre möss i nätverket som besökte de LPS-injicerade mössen (medelvärde ∆ i-grad = -1, 6; Tabell 1). Liknande mönster hittades för tid i kontakt och antal interaktioner med andra (tabell 1). Kontrollmöss visade inte signifikanta förändringar för någon av dessa variabler (tabell 1).

Full storlek bord

Förändringar i antalet arbetsmarknadens parter (grad) var inte enhetliga för alla djur. De drevs till stor del av 12 av 30 (40%) LPS-injicerade möss med ett betydande fall i grad (Fig. S1), där de flesta blev helt kopplade från sina sociala grupper under infektionsnatten (se t.ex. Fig. 3a). För de återstående 60% var det ingen signifikant förändring i grad mellan de två nätter. Distributionen av möss i någon av de två grupperna var oberoende av kön eller vikt.

( a ) Exempel på nätverk på två separata nätter (före och injektionsnatt) där en mus injicerades med LPS (större cirkel). Hanar är cirklar färgade i rött, kvinnor är rutor i blått. Linjens vikt indikerar styrkan hos föreningen, som är en funktion av tiden som tillbringas tillsammans i boet. ( b ) Förutsagd spridning av en sjukdom över de empiriskt erhållna sociala nätverken av möss antar antingen ingen förändring i beteende hos infekterade djur ("nollmodell", översta raden) eller förändringar i beteendet hos 10%, 20%, 30%, 40 % och 50% infekterade djur (nedre linjer). Linjerna för ”nollmodellen” och det empiriskt observerade värdet är solida; rader för de hypotetiska värdena på beteendeförändring är prickade. Simuleringsresultat baserat på den epidemiologiska modellen som beskrivs i texten för medelfraktionen av infekterade djur per tidssteg. ( c ) Lika med ( b ) med planerat medianvärde.

Bild i full storlek

Sociala gruppers robusthet

Medan de sociala kontakterna med det LPS-injicerade djuret minskades, förändrade inte ett LPS-injicerat djur i den sociala gruppen signifikant förhållandena mellan icke-injicerade djur (nätverksdensitet, stabilitet och genomsnittlig kortaste väglängd för nätverken exklusive fokalmöss visade ingen signifikant förändring efter injektion med LPS, P = 0, 8, 0, 92 respektive 0, 82; detaljer för denna analys i metoder).

Påverkan av beteendeförändringar på sjukdomsöverföringsdynamiken

Vi använde en simuleringsmodell för att undersöka effekten av beteendeförändringar på överföring av sjukdomar med hjälp av de empiriskt härledda nätverk av icke-injicerade samhällen av möss i ladan. Vår metod inkluderade 1) en "nollmodell" som inte har några beteendeförändringar och där sjukdomen kunde spridas genom alla observerade nätverkskontakter (beskrivs nedan) och 2) en "beteendemodell" identisk med nollet, men där de empiriskt observerade beteendeförändringarna efter infektion införlivades. "Nollmodellen" började med ett slumpmässigt infekterat djur. I den första omgången kunde detta djur överföra sjukdomen till djur till vilka det var direkt kopplat med en sannolikhet som är proportionell mot mängden tid som tillbringades tillsammans (kantvikt, se fig. 3a). I efterföljande omgångar kunde de nyinfekterade djuren sprida sjukdomen till sina kontakter på liknande sätt. Efter en infektionsrunda var de infekterade djuren inte längre smittsamma eller mottagliga för infektion (i mottagliga-infekterade-återhämtade - SIR - termer, dessa djur skulle anses vara R). Modellen kördes tills alla djur var i antingen tillstånd S eller R. I ”beteendemodellen” tilllade vi en regel där varje gång ett djur infekterades hade den en fast chans att isoleras från nätverket, vilket empiriskt observerades med våra LPS-injicerade möss. Bortsett från den observerade risken för 40% att isoleras från gruppen testade vi resultatet om sannolikheten för isolering var 10%, 20%, 30% och 50%. För alla modeller beräknade vi fraktionen av djur infekterade per omgång, såväl som den kumulativa fraktionen av djur som var infekterade när som helst, i ett försök att förstå hur beteendeförändringar förändrar spridningen av en hypotetisk smittsam sjukdom.

Vår modell förutspår att överföringshastigheten drastiskt reduceras när infekterade djur ändrar sitt beteende och att fraktionen av infekterade djur aldrig når samma nivåer som i "nollmodellen" (Fig. 3b). Till och med en 10% isoleringssannolikhet hade redan en märkbar effekt på överföring (medelfraktion av infekterade djur efter 8 omgångar var 0, 82 för "nollmodell" och 0, 72 för 10% isolering). För den observerade 40% isoleringen var effekten betydande (0, 45 medelfraktion av infekterade djur). I likhet med minskningen i det genomsnittliga antalet arbetsmarknadens parter (grad) minskades inte infektionshastigheten universellt, utan istället ledde den högre sannolikheten för isolering främst till en stor andel nätverk där endast en eller två möss smittades. Så snart sjukdomen sprids till mer än så var infektion i hela gruppen mycket trolig, oavsett isolerings sannolikhet. Detta kan representeras av medianfraktionen av infekterade djur för de olika isoleringsmodellerna (Fig. 3c). För en isoleringssannolikhet på 30% fick majoriteten av grupperna en fullständig spridning av sjukdomen där alla möss var infekterade (medianandelen infekterade djur efter 8 omgångar var 0, 94 för ”nollmodell” och 0, 72 för 30% isolering). För en isoleringssannolikhet av 40% innehöll emellertid sjukdomen spridning till några få djur i majoriteten av grupperna (0, 28 medianandel av infekterade djur).

Diskussion

Tidigare forskning om sjukdomsspridning i vilda populationer har ofta antagit att sociala kontakter förblir oförändrade när en sjukdom invaderar befolkningen. Genom en ny kombination av experimentella manipulationer av frittlevande husmöss som tillhör en långvarig befolkningsstudie, fjärrspårning, socialt nätverksanalys och sjukdomsmodellering, visar vi här att detta inte är fallet. Vi fann att det beteende som svarar på en inflammatorisk utmaning kan leda till mycket lokala förändringar av social anslutning som har stor inverkan på överföring av sjukdomar inom sociala grupper.

Våra data tyder på att immunutmanade möss kopplades bort från sina sociala grupper som ett resultat av sitt eget beteende, snarare än genom undvikande av konspektiv. Vi fann att immunutmanade djur minskade sin rörelse, kvantifierat med antalet gånger de gick in och lämnade boetlådor, vilket påverkade antalet olika boboxar som använts under natten. Trots att de kunde upptäcka sjuka och immunutmanade specifikationer 26, 29, minskade inte mössen i denna studie antalet besök till de immunutmanade mössen. Flera bevislinjer indikerar att urinvägar hjälper till att upptäcka sjuka konspecifikationer hos möss 29 . I själva verket har vi visat att möss härrörande från denna vilda population uppvisar förändringar i nivåer av urinvägar när de injiceras med LPS och att kvinnor har möjlighet att skilja mellan en LPS och en saltlösning som injiceras hane, och föredrar att spendera tid nära den senare 26 . Det är möjligt att urinvägarna som möjliggör denna diskriminering saknas eller minskas i boet, och sålunda kan det, när sjuka djur förblir i boet, vara svårare att upptäcka dem genom användning av dessa typer av ledtrådar. Undvikande av sjuka specifikationer har hittats i många taxor (till exempel hummer 3, grodor 30, fiskar 31, 32, fåglar 33 ) men det är inte en regel. Till exempel undviks inte bandade mongooser med kliniska (inklusive beteendemässiga) tecken på tuberkulos av konspecifika uppgifter 34 . Husfinkar visade en preferens för utfodring nära konspektiv som infekterats med synliga tecken på överförbar konjunktivit 4 . En annan möjlighet för bristen på undvikande i den aktuella studien är alltså att även om möss kunde upptäcka sjuka information, anpassade de inte sitt beteende mot dem. Detta demonstrerades nyligen av Zala och kollegor 35, varvid kvinnliga möss inte undviker parning med män infekterade med Salmonella enterica trots att de kunde skilja mellan och få val mellan infekterade och icke-infekterade män.

Medan vi i genomsnitt observerade en minskning i antalet interaktioner (grad) av LPS-injicerade djur med konspecifikationer, konstaterade vi att dessa förändringar drevs starkt av 40% av alla LPS-injicerade möss, som helt kopplades bort från deras sociala grupper. Det faktum att dessa förändringar inte var enhetliga kunde indikera att den inflammatoriska utmaningen interagerade med andra faktorer (t.ex. social status) för att bestämma i vilken utsträckning beteenden 36 .

Det är intressant att notera att förändringar i social anslutning drivs av och huvudsakligen lokaliserades runt den infekterade individen, medan nätverket för resten av gruppen förblev till stor del inte påverkat, vilket indikerar en viss grad av grupp robusthet mot störningar. Även om denna robusthet är relevant, eftersom det underlättar modelleringen av sjukdomen spridd över nätverk (med tanke på att det inte finns något behov att förutsäga vad det nya nätverket kommer att bli efter infektion), kanske detta inte alltid är fallet. I kvinnliga guppies ( Poecillia reticulata ) konstaterades det att en grupps sociala nätverksstruktur påverkades annorlunda av tillsats av en sjuk fisk jämfört med tillsats av en oinfekterad fisk 32 . En stor skillnad mellan vår experimentella strategi och den hos Croft och kollegor 32 är att medan de bildade experimentella populationer i konstgjorda pooler, bildades våra sociala grupper naturligt och testades i deras naturliga miljö. Deras artificiella populationer tilläts endast 24 timmar att acklimatiseras, vilket kanske inte har varit tillräckligt för att bilda samma typ av starka förhållanden som vi observerade i vår muspopulation. Dessutom var våra kontaktnätverk baserade på samlokalisering i en viktig resurs: ett bo. Även om bruken av boet är omfattande och tillgången till ett bo är viktig för reproduktion och överlevnad hos husmöss 27, 28, kan ett socialt nätverk baserat på interaktioner utanför boet vara mer sårbart för strukturella förändringar.

Viktigast av allt visar våra modeller att redovisning av beteendeförändringar hos de sjuka djuren väsentligt minskar den beräknade hastigheten och omfattningen av sjukdomen som sprids inom sociala grupper. Modelleringsstudier av mänskliga sjukdomar börjar ta hänsyn till denna faktor med viktiga resultat 37, 38, 39 . Det observerade mönstret av sjukdomsspridning är troligtvis specifikt för den sociala gruppens täta nätverksstruktur - för andra nätverkstyper, såsom glest sammankopplade grupper, förutser vi olika, ännu starkare effekter av isolering av djur på den totala andelen infekterade individer .

Medan vi har fokuserat på sjukdomsspridning kan våra resultat tillämpas bredare i andra sammanhang, till exempel överföring av information. På samma sätt som införandet av en sjukdom kan störa interaktioner och förändra spridningshastigheten, kan införandet av ett nytt kommunikationsmedel (t.ex. sociala medier) ändra antagarnas interaktionsmönster (t.ex. ref. 40) och ändra hastigheten av spridning av innovation.

Sammanfattningsvis visar vår studie att på grund av beteendeförändringar av infekterade djur är kontaktmönster som är relevanta för överföring av sjukdomar inte motståndskraftiga mot infektion. Med tanke på att vår modell förutspår att denna förändring i beteende väsentligt förändrar banan för sjukdomsspridning, bör denna beteendekomplexitet inte ignoreras. Medan en LPS-injektion endast leder till kortvariga förändringar i beteende och fysiologi, orsakar många sjukdomar försvagande symtom som kan pågå i flera dagar. Modeller för överföring av sjukdomar som redovisar beteendeförändringar kommer att vara särskilt relevanta för infektionssjukdomar som ebola eller influensa, där dessa symtom sammanfaller med smittsamhet.

metoder

Etisk anmärkning

Djuranvändning och experimentell design godkändes av veterinärkontoret Zürich, Schweiz (Kantonales Veterinäramt Zürich, nr 88/2014). Alla experiment genomfördes i enlighet med veterinärkontorets Zürich-riktlinjer och omfattas av schweizisk djurskyddslagstiftning (TschG).

Studiepopulation och lada beskrivning

Sedan 2002 har König och kollegor följt en vild husmus ( Mus musculus domesticus ) som bor i en ladugård i Illnau, Schweiz (beskrivs i detalj i ref. 28). Lador utgör naturliga livsmiljöer för denna art, som vanligtvis finns i närheten av människor. Möss kan röra sig fritt in och ut ur ladugården, vilket utgör ett öppet system som möjliggör utvandring och invandring av individer. Halm, mat och vatten tillhandahålls varje vecka ad libitum .

Möss får ett subkutant implantat av en radiofrekvensidentifiering (RFID) -tagg (Trovan ID-100, Euro ID Identifikationssysteme GmbH & Co, Tyskland) med en unik identitet när de når 18 g vikt. Inuti ladan finns 40 konstgjorda lådor. Varje låda är åtkomlig för mössen via en cylindrisk tunnel, som är försedd med två runda antenner som läser RFID-taggar och möjliggör bestämning av riktningsrörelse (dvs. att komma in eller lämna boet). Information om identiteten på djur som kommer in eller lämnar, boet-boxens nummer och en tidsstämpel samlas på en bärbar dator som ligger i ladan. All information överförs sedan trådlöst till en databas belägen vid universitetet i Zürich. Med hjälp av detta system (beskrivs mer detaljerat i ref. 41) kan vi dra slutsatsen om flera olika typer av information, inklusive antalet boetlådor som besöks av ett djur, hur mycket tid varje djur tillbringade i varje bobox och vilka djur överlappar varandra i sina besök på boetlådor.

Med hjälp av antenndata som samlats in över natten (från solnedgång till soluppgång, när möss är mest aktiva och inte störs av vår närvaro) kunde vi bygga nätverk som beskriver de sociala kontakterna hos mössen. Vi använde överlappning i tid som spenderades i boet för att bygga våra sociala nätverk. För att visualisera nätverken och identifiera separata sociala grupper före och under experimentet använde vi Netdraw 42 . De sociala nätverk som byggdes avslöjade att ladan var sammansatt av cirka 11 sociala grupper under studieperioden.

experimentell procedur

Den experimentella manipuleringen bestod av att injicera möss med LPS. Vårt syfte var att framkalla slapphet, ett vanligt symptom på infektion. LPS-inducerad slapphet är kortvarig hos vuxna möss (under 48 timmar, t.ex. ref. 43). Den administrerade LPS-dosen var 1, 2 μg g −1 kroppsvikt (~ 30 μg djur −1 ) baserat på laboratoriestudier som använde möss härrörande från denna population 26 . Eftersom LPS (LPS från E. coli, Serotyp 0111: B4, Sigma-Aldrich # L4391) upplöstes i saltlösning (natriumkloridlösning 0, 9%, Sigma-Aldrich # S8776), fick kontrollinjicerade djur enbart saltlösning, i en volym på liknande sätt justerad till kroppsvikt.

På morgonen innan vi besökte ladan fastställde vi potentiella fokusdjur som skulle injiceras för varje kön utifrån två kriterier: vi använde endast djur som ingick i den sociala gruppen (baserat på de sociala nätverksdata som samlades in natten innan injektionen) och djur som inte interagerade med djur från en annan social grupp under den natten. Fokaldjurets kön och injektionsbehandling tilldelades varje försöksdag och grupp före experimentets start. Under experimentet besökte vi ladan varannan dag, så att frekvensen av vår närvaro inte skilde sig från normalt (ladan besöks rutinmässigt flera gånger per vecka för att tillhandahålla mat och vatten och kontrollera om det finns nya kullar). För att minska tiden mellan fångst och injektion de dagarna vi gick till ladan använde vi en förskjuten design, enligt följande: på en given försöksdag gjorde vi injektioner av möss i 3 sociala grupper (en mus per grupp), störde en annan 4 grupper, och gjorde ingenting åt resten av grupperna (4 grupper i detta exempel); på följande experimentdag gjorde vi ingenting mot 3 sociala grupper (tidigare injicerade), vi injicerade möss i 4 grupper (de tidigare störda grupperna) och vi störde 4 grupper (tidigare inte manipulerade); rotationen fortsatte på följande försöksdag. Störningen bestod av att öppna toppen av de konstgjorda boetlådorna, som vi rutinmässigt gör för att inspektera nya kullar. Ordningen i vilken varje grupp besökades bestod alltid av först en störning, följt av injektion, följt av vila, utan besök i dagarna däremellan. En social grupp skulle bara få en av dessa insatser på en enda dag. Således utsattes grupper bara för samma ingripande var sjätte dag och detta är intervallet mellan två olika möss inom en grupp som fick en injektion.

Vi anlände till ladan 2, 5 timmar före solnedgången och djur injicerades ~ 1, 5 timmar före solnedgången varje dag. När vi anlände till ladan och installerade nödvändig utrustning störde vi först de sociala grupperna som tilldelades störningen den dagen och lokaliserade sedan fokusdjuren. Med hjälp av informationen som samlats in av antennerna föregående natt visste vi vilka bo de fokaldjur som använts oftare. Fångsten av alla fokaldjur var i genomsnitt 24 ± 1, 7 min. Fokala möss-ID, kön och vikt registrerades och injektioner bereddes enligt vikten. Efter att ha släppt de injicerade mössen nära fångstplatsen såg vi till att det fanns tillräckligt med mat och vatten och lämnade sedan omedelbart (~ 1 timme före solnedgången).

Experimentet ägde rum mellan januari och mars 2015. Vi valde denna tidsperiod eftersom vilda möss sällan reproducerar under vintern, vilket innebar att vi kunde minimera effekten av ungar och valpar som inte har utrustats med en RFID-transponder och därför inte fångas in antenndata.

I början av försöksperioden registrerades totalt 257 möss av antennsystemet. Under försöksperioden hittades totalt 19 djur utan transponder, vilket representerade cirka 7, 4% av den totala populationen. Om de var minst 18 g fick de en transponder när de hittades. Totalt injicerades 38 möss med LPS, varav 20 män. Totalt injicerades 39 möss med saltlösning, varav 20 män. Möss i befolkningen dör naturligtvis vid någon tidpunkt. Under experimentets gång hittades 20 möss döda, varav 2 var fokalmöss. En av fokalmössen hade injicerats med saltlösning (en hane) och den andra med LPS (en hona); båda avlägsnades från analysen.

Sammanfattning av statistiska metoder

Den empiriska analysen av de insamlade uppgifterna innehåller fem steg. Först analyserade vi om fokalmöss (injicerat med LPS eller saltlösning) visade förändringar i beteendet för boetbox. Därefter modellerade vi om injicerade möss visade i genomsnitt mindre anslutning till andra möss. Resultaten beträffande den genomsnittliga förändringen i beteende delades sedan upp för att bestämma hur många av de injicerade mössen som signifikant reducerade kontakten till information. För det fjärde analyserades effekten av att injicera en mus på nätverksstrukturen mellan andra medlemmar i samma grupp. Slutligen genomförde vi en simuleringsmodell för att förstå hur den reducerade anslutningen hos injicerade möss förändrar infektionsdynamiken.

Analys av fokal individuellt beteende

Statistiska tester utfördes med R 3.1.2 44 . För analysändamål jämförde vi antenndata som erhölls på störningskvällen (hädanefter "Före" tidpunkten) med data som erhölls på injektionsnatt (hädanefter "Injektion" tidpunkt), så att effekterna av vår närvaro redovisades på båda dagarna . Vi använde åtta timmars antenndata från solnedgången (~ 1-1, 5 timmar efter injektion) för var och en av dessa dagar, eftersom en laboratorieundersökning visade att LPS-injicerade möss har förändrat beteenden under åtminstone hela denna tidsperiod 26 . På grund av den minskade tid som användes (8 timmar jämfört med den ursprungliga tiden för solnedgång till soluppgång som användes för att definiera de sociala grupperna på 13–15 timmar), försvann tre kontrollinjicerade hanmöss från antenndatasättet och ingick inte i analysen. Redovisningen av dessa män och för de djur som hittades döda (beskrivs ovan) var den slutliga provstorleken 35 kontroll (16 män) och 37 LPS (20 män) injicerade djur (tabell S1).

För att bedöma förändringar av individuella beteenden på grund av injektionsbehandling, använde vi förändring i antalet gånger möss som kom in och lämnade boetlådor, förändring av det totala antalet nestlådor som besökts och förändring av den totala tiden som sparades i boetlådor. Förändring beräknades per individ genom att subtrahera värdet erhållet på injektionsnatt med det värde som erhölls på störningsnatt. Dessa beteenden analyserades med linjära modeller av blandade effekter (paket "lme4" 45 ) inklusive en huvudeffekt av injektion och kön, och interaktionen mellan de två och en slumpmässig effekt av grupp. När interaktionstermen inte var signifikant vid P <0, 05, tappades den från modellen och inga P- värden rapporteras för denna term i sådana fall. Vi använde sannolikhetsförhållandestester för att utvärdera betydelsen av de utelämnade fasta termerna. Visuell inspektion användes för bedömning av uppfyllandet av modellantaganden.

Analys av sociala samlokaliseringsnätverk för fokala och icke-fokala möss

Förberedelse av data

Samlokaliseringen av möss i boetlådorna under 8 timmar efter injektion registrerades, inklusive vilken mus som först var i boetlådan. Vi kodade kompletta, riktade och vägda nätverk från denna samlokaliseringsdata, där riktningen för slaget är från besöket till det besökta djuret och slipsvikten anger den tid djuren tillbringade tillsammans, som summerar totala besök i fall av flera möten mellan möss. Det bör noteras att nätverket inte är symmetriskt, det vill säga att tidsmusen A besökte mus B är vanligtvis inte lika med tiden B besökte A. Sammanställning över båda varaktigheter ger hela tiden två möss tillbringade tillsammans. För att utesluta mycket korta möten där möss lämnade en boendelåda direkt efter att de hade kommit in inkluderade vi bara möten som överskred en viss tid. Vi antog en 60 sekunders tröskel med minsta möte varaktighet i de senare presenterade analyserna. Ytterligare analyser visar emellertid att 10, 30, 60, 120 eller 240 sekunder av minimal mötevaraktighet leder till samma slutsatser i de statistiska analyserna, det är riktning och betydelse av resultaten från alla efterföljande statistiska analyser påverkades inte av valet av tröskelvärden, vilket indikerar robusta resultat. Detta resulterade i 29 kompletta nätverk, som representerade 29 nätter, av alla möss som var närvarande i ladan under experimentperioden. De kompletta nätverken från alla 29 nätter delades därefter upp i 11–12 samhällen som hade liten eller ingen anknytning till varandra. Dessa samhällen är replikationsenheterna i vårt experiment och kan därefter kategoriseras i grupper som (i) inte injicerades, (ii) hade exakt en mus som fick en LPS-behandling och (iii) hade exakt en mus som fick en saltinjektion .

Vi analyserade hur en gemenskap av möss förändrades mellan två på varandra följande nätter beroende på om det experimentellt manipulerades (en mus injicerad med antingen LPS eller kontrolllösning) eller inte. Gemenskaper definierades genom att summera hela nätverket under två på varandra följande experimentella nätter och hitta samhällena med a) frånkopplade komponenter i nätverket och b) en klusteralgoritm baserad på mellanvikt 46 för att skilja grupper som endast var löst anslutna med en enda mus (t.ex. Fig 1). Betweenness-kluster identifierar anslutningar som är avgörande för att överföra signaler mellan olika samhällen i ett nätverk och successivt tar bort dem tills nätverket delas upp i frånkopplade komponenter. Detta resulterade i ungefär 300 samhällen efter på varandra följande nätter där ingen mus fick injektioner av något slag på någon av natten, 35 samhällen under två nätter som fick kontrollinjektioner mellan den första och andra natten, och 37 samhällen under två nätter där en mus fick LPS-injektionen mellan den första och andra natten. Av dessa samhällen togs de som var för små (<10 möss) eller för instabila (<10 band på en av nätter) för en meningsfull analys bort från uppgifterna. I följande analys fanns 30 LPS-gemenskaper, 30 kontrollgrupper och 230 icke-injicerade samhällen.

Statistisk analys

Statistiska test utfördes med R 3.1.2 44, inklusive tilläggspaketet "igraph" 47 . Mått av intresse (grad, grad och grad) distribueras normalt inte och antaganden om observations oberoende är inte rimliga med nätverksdata. Således använde vi icke-parametriska metoder för att testa huruvida kontrollbehandlingen och LPS-behandlingen hade betydande effekter på de mått av intresse som beskrivs nedan.

Genomsnittlig förändring av grad för alla möss

För sjukdomar som överförs genom direkt social kontakt bör graden fungera som en viktig förutsägare för infektionsrisk i ett nätverk 48 . För att testa om den genomsnittliga graden av fokalkontroll och LPS-injicerade djur minskade signifikant erhölls en fördelning under nollhypotesen (att det inte fanns någon förändring) från data från alla möss från icke-injicerade samhällen. För att göra det, mätte vi den genomsnittliga förändringen i grad mellan två dagar utdragen från ett slumpmässigt prov på 30 möss från alla icke-injicerade grupper, vilket resulterade i en datapunkt för genomsnittlig förändring som kunde förväntas om injektion inte hade någon effekt. Detta upprepades 10000 gånger med ersättning och dessa 10000 värden i genomsnittlig förändring utgör fördelningen under nollhypotesen. Den genomsnittliga förändringen i grad av LPS-gruppen rankas inom denna fördelning för att erhålla en p- värde, t.ex. om den observerade graden av graden rankas det åttonde lägsta värdet inom 10000 dragningar tillskrivs en p- värde på 0, 008. Denna procedur upprepades med lämpliga åtgärder (grad och ut-grad) för den andra statistiken och med lämpligt antal möss för den icke-injicerade gruppen. Ytterligare analyser genomfördes i vilken befolkningen som bildade fördelningen under nollhypotesen inte togs från alla icke-injicerade samhällen utan från alla icke-injicerade möss från samhällen där en mus injicerades. Detta gjordes för att säkerställa att någon effekt verkligen berodde på injektionen och inte på grund av störningen i boet. Dessa analyser resulterar i samma slutsatser som de tidigare analyserna.

Ändring av graden av enskilda möss

De genomsnittliga förändringarna i grad, grad och utgrad representerar inte enhetligt de underliggande förändringarna i grad av de enskilda mössen. Snarare drivs förändringarna av att några av de LPS-injicerade mössna isolerades från deras grupper medan den sociala ställningen för andra injicerade möss förblev stabil. För att testa vilka av mössen som hade en signifikant minskning i grad, grad och utgradering, antog vi en liknande strategi till nollfördelningen som beskrivs ovan för grupper. En fördelning av förväntad gradändring för varje individuell mus under nollhypotesen erhölls från mössen i icke-injicerade grupper. Skillnaden i jämförelse med den tidigare metoden, där medelvärdet för förändringen av 30 slumpvis utvalda möss utgjorde en datapunkt för noll-fördelningen, är att den relativa förändringen för en enskild mus utgör en datapunkt. Anledningen är att tidigare förändringen i medelgraden för alla injicerade möss jämfördes med den genomsnittliga förändringen i grad som kunde förväntas när man tar samma mängd slumpmässiga, icke-injicerade möss, medan här en förändring av en individuell mus och dess svar på injektionen analyseras. För detta ändamål registrerades den relativa förändringen i grad av enskilda möss från någon av de 230 icke-injicerade grupperna som slumpmässigt samlades in med ersättning för att generera en distribution under nollhypotesen. Totalt proverades 4600 möss. Den relativa förändringen i grad av var och en av mössen från kontrollgruppen och LPS-gruppen jämfördes med denna nollfördelning och en p- värde tilldelad. Att vara i de lägsta 10% av nollfördelningen bedöms vara betydande vid α = 0, 1. En signifikansnivå på 0, 1 valdes eftersom den lägsta möjliga p- värdet ett djur kan erhålla är 0, 06, eftersom 6% av möss under nollfördelningen förlorar alla sina band. I linje med föregående avsnitt genomfördes ytterligare analys där befolkningen för att bilda fördelningen under nollhypotesen valdes att vara alla icke-injicerade möss från de samhällen där en mus injicerades med LPS, för att säkerställa att eventuell potential effekten berodde inte på störningar av mössen. Alla resultat bekräftar den tidigare analysen, dvs 40% av de injicerade mössna kopplas helt ur nätverket.

Effekt på sociala grupper

För att testa om injektionen av en mus resulterar i förändringar i strukturen för resten av gruppen (exklusive fokaldjuret) erhölls en fördelning under nollhypotesen genom att beräkna förändringen mellan två på varandra följande nätter i nätverksdensitet, nätverksstabilitet och genomsnittlig kortaste väglängd från de 230 icke-injicerade mössgrupperna. För denna analys erhölls således nollfördelningen inte genom sampling, men populationen av icke-injicerade nät utgör nollfördelningen (med N = 230). Nätverksdensitet anger andelen befintliga band från alla möjliga band inom ett definierat nätverk 49 . Nätverksstabilitet kan mätas med hjälp av Jaccard-indexet, som beräknar andelen band som är närvarande vid två på varandra följande tidpunkter av alla band som fanns vid någon av de två tidspunkterna 50 . Den kortaste väglängden mellan två noder är det lägsta möjliga antalet steg som det tar för att flytta från en nod i nätverket till en annan nod med nätverksband. Den genomsnittliga kortaste väglängden tar medelvärdet av den kortaste väglängden för alla noderpar i nätverket. För noder som inte har någon direkt eller indirekt anslutning, används den längsta observerade vägen +1 för beräkningar enligt konvention 49 . Förändringarna i dessa nätverksmätningar mellan natten före och efter LPS-injektion för de nätverk som är förknippade med fokusdjuren (exklusive branddjuren själva) jämfördes med nollfördelningen.

Sjukdomöverföringsmodell

För att modellera hur en andel infekterade möss som isolerades från deras sociala samhälle påverkar överföringen av en infektionssjukdom, införlivades det uppvisade beteendet i en epidemiologisk modell som liknar SIR-modellen. I vår modell är en grupp friska djur (S) förbundna med band som skiljer sig i styrka (vilket representerar tid som tillbringas tillsammans från uppgifterna här). Modellen är baserad på infektionsrundor och fungerar enligt följande:

  1. Ett slumpmässigt djur i nätverket är infekterat med den smittsamma sjukdomen (nu i tillstånd I).

  2. En ny omgång börjar och andelen infekterade djur registreras.

  3. Varje infekterat djur har en sannolikhet för p ( Iso ) att släppa alla sina band omedelbart (vilket i konsekvenserna liknar R).

  4. Varje återstående infekterat djur kan överföra sjukdomen till alla andra djur det är anslutet till. Sannolikheten för att djur i infekterar djur j, p ( i → j ) ges av

    där x ( i ↔ j ) är bandet mellan djur i och djur j , som summerar över båda riktningarna för slips, och t 50 är en konstant av samma enhet som slitstyrkan som skalar sannolikheten för överföring av sjukdomar. Efter ekvationen har transmissionssannolikhet en s-formad form med en 50% sannolikhet som uppträder vid t 50 . Till exempel, med t 50 = 300, finns det en 50% sannolikhet för djur i att överföra sjukdomen till djuret j om de tillbringade 300 sekunder tillsammans under experimentperioden, om de tillbringade 150 sekunder tillsammans är överförings sannolikheten 33%, och om de tillbringade 600 sekunder tillsammans, p ( i → j ) = 66%.

  5. När alla potentiella överföringar har utvärderats och genomförts i enlighet med detta, är alla djur som infekterades före början av den aktuella omgången inte längre smittsamma och flyttas till tillstånd R.

  6. Om inte alla djur är i tillstånd S eller R, startas en ny omgång (steg 2).

Den presenterade modellen testades med p ( Iso ) av 0%, 10%, 20%, 30%, 40% (empiriskt observerade) och 50%. Nätverken som används för simuleringarna är alla 230 nätverk av icke-injicerade möss, var och en börjar med 6 olika, slumpmässigt valda möss. Således är fig. 3a, b baserade på 1380 simuleringar för varje scenario. I varje simulering är t 50 = 600, medan resultaten är kvalitativt robusta mot andra värden på

.

Datatillgänglighet

Data och R-kod för simuleringsmodellen deponeras i Dryad-förvaret (doi: 10.5061 / dryad.nk1b8).

ytterligare information

Hur man citerar den här artikeln : Lopes, PC et al . Infektionsinducerade beteendeförändringar minskar anslutningen och potentialen för sjukdomar sprids i kontaktnät med vilda möss. Sci. Rep. 6, 31790; doi: 10.1038 / srep31790 (2016).

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.