研究昆虫的自适应运动能力行为的神经基础

1。行走面黑行走的表面是由两个镀镍黄铜板材永久加入并排和绝缘一个2mm宽的狭长地带，双组分环氧胶（UHU加，UHU公司，德国）直接从一个纵轴下方动物。他们生产的总表面积的13.5×15.5cm（图1）。半面左，右腿分离，允许在每边单腿独立跗接触监测。 该板块是饱和NaCl溶液传达滑溜和电导率的5个部分的比例在95部分甘油与甘油/水混合润滑;粘度约为430cStokes（Shankar和库马尔，1994年）。 混合物被直接应用到表面，并用一块软组织，以确保整体厚度为0.1 -0.2毫米分散。 2。光刺激设置散步事件引起使用Scharstein（1989年）中描述的条纹图案投射到两个圆形，地面玻璃屏风“（直径130毫米，Marata屏幕，利诺斯光电，德国哥廷根），在距离约定位的两台投影机。 70毫米从眼睛，并在左，右前端板（图1）45 °的角度。波的条纹图案的长度保持不变，在λ= 21 °。 0.35，0.72，1.07和1.49Hz之间对比的运动刺激的频率可以是多种多样的。由于动物的反应只取决于对比频率ω/λ（ω=角速度，λ=模式波长）如果模式对比的是足够高（Fermi和Reichhardt，1963年），我们并没有在整个实验不同的λ 。动物的一面鲜艳的条纹的亮度大约为15cd/m2和对比度0.8。竹节虫的复眼（Carausius morosus）24小眼在背腹轴（Friza 1928）和rostro尾椎轴数多。竹节虫眼的发散角平均6.2 °（Jander和沃尔克的Henrichs，1970年）我们的模式波长约4倍的小眼的角度。实验设立在黑暗的法拉第笼，并执行在一个漆黑的房间在20-22 ° C。 正向行走是诱发两个屏幕上的一个渐进模式，在每个屏幕上向外移动，或一个单一的白色背景上的黑色束置于屏幕之间的条纹至于由两个屏幕上移动到同一个方向的条纹是诱发。我们没有发现移动的条纹速度和转弯角度之间的相关性。一旦条纹图案的亮度设置为诱导步行，它通常并不需要进一步调整，但它可以为不同的动物根据需要在投影机的卤素灯的电压调整。 3。准备实验动物雌性竹节虫（Carausius morosus）粘（牙科水泥，ProTempII，3M ESPE，泽费尔德，德国）腹侧到一个薄薄的轻木棒（3x5x100mm宽x高x长），这是在一个有多个连接器的铜管插入。动物是举行了约一分钟，直到胶水至少部分硬化。 从前面的木钉侧面凸出的头部和腿部，让他们自由流动。所有腿的髋面积以及腹部的重要组成部分，要离开的胶水。 昆虫的头，胸，和每个股骨和胫骨远端标记以后的视频跟踪牙科水泥混合的荧光色素（Aichstetten克雷默Farbmühle，博士，德国）。 4。肌电图电极的放置肌肉的活动，如不同的腿部肌肉在这个例子中，量角器和拉钩髋肌肉，这是位于胸部和迁延难愈的原因（向前运动）和回缩（向后移动）的腿，记录肌电电极植入胸部。所有小组的录音差异放大。信号放大100倍，在前置放大器（电子车间，动物学研究所，科隆），带通滤波（100HZ – 2000HZ），进一步放大（10倍），并通过AD转换器导入spike2（Vers.5.05，土木工程署，剑桥，英国）。 电极是由包覆铜线（Elektrisola，Eckernhagen，德国;47μm外径）。对于一个电极，两根导线用胶水涂污，然后，两个粘丝相互扭绕在双绞线的两端，一端焊接到一个微型插头。在另一端的电线被切断，提供无插入到动物的绝缘干净的结束。 肌电电极是pluggeð成小的连接器铜管年底。 一个minuten引脚用于打孔小孔进入角质层电极的切端，然后分开，并插入到一块肌肉约1mm的距离对方，这在我们的经验，提供了一个很好的信噪比。应注意不太深的电极插入肌肉，以避免其损坏。图2显示了在动物的胸部电极的位置。图3显示了一个地方的电极导线的动物。 我们用一个小降histoacrylic胶（3M Vetbond，圣保罗，明尼苏达，美国）举行的地方的电线。 地线插入腹部。 5。跗联系记录跗接触始终是一起记录肌电图的痕迹。由于湿滑的表面上是分裂成两半，两个对侧跗接触最多可同时注册。为此，腿是作为一个“开关”之间的密切的电路板和放大器。可以适用于当前的板块分别通过两个插座在每块板的的基地。我们可以产生2 – 4mV的振幅与脉冲发生器（型号MS501，电子车间，动物学研究所，科隆），90 °相位延迟的方波信号。信号衰减60分贝（/ 1000）和适用于光滑表面的两半。在这个实验中，我们只用了两个信号之一。同时送入一个锁定放大器作为参考信号。 2锁相放大器（电子车间，动物学研究所，科隆），选择性地放大，唯一相同的频率和所提供的参考信号的相位信号。第二个渠道只检测的90 °相位延迟信号。参考频率以外的频率的噪声信号被拒绝，不影响测量结果。放大器的输出信号被送入AD转换器（微1401k二，土木工程署，剑桥，英国）和数字化使用Spike2。从触摸升空的睑板上和从光滑表面，从通过跗骨和胫骨板的铜线（见下文：5.3-5.8）电流流过。选择放大器具有高输入电阻（1MΩ），是非常小的信号电压，以避免影响行走的动物行为。通过跗骨和胫骨的电流通过2至4nA。在触摸式的信号线之间的入口进入润滑剂和表面接触的时间，小于1ms。在升空的联络信号转换是不太陡峭和更多的延迟​​。这是由于延迟的润滑剂撕裂睑板毛细管上升作用，由于腿部的运动，没有完整的升空在摆动期。 与巴尔萨坚持动物是粘的黄铜管插入显微让动物的高度调整，在7至12毫米以上的光滑表面，对应的高度，在免费的步行。 为了测量电流的流动监测腿的昆虫跗时在地面上，一根导线（47μm直径）切成约15cm长片。 用酒精燃烧了一个铜的绝缘被删除。 形成一个循环的电线的一端和动物下跌超过睑板循环绑在胫骨远端提供良好的动物和导线之间的联系。 电线固定在动物的胸部，然后用双组分胶（ProTempII，见上文）的下降，并通过鳄鱼夹连接到差分放大器。 为了提高在其两端，电极膏下降的导线的导电性应用（马凯特Hellige，德国弗赖堡）接触的领域。 然后在显示器上测试的信号强度。由于对锁定放大器的低通滤波器的性能（10ms的时间常数）和睑板逐步lift-off/touch-down，信号不是一个精确的方波信号。因此，人们已设置合适的阈值接近的过渡点，以确定确切时间和跗联系手动检查确定每个事件的数字化软件。跗联系的基础上，我们定义了一个给定的腿跗上的立场的时候，它在空中摆动期的地面的时候。 相机的触发信号同步记录与肌电图跟踪和跗联络信号，并允许通过精确的帧帧相关的行为和记录的痕迹。 6。眼镜腿的动作录制为数字分析竹节虫加强在湿滑路面的频率可以达到3 – 4Hz的（Graham和邮轮，1981年）。 记录行走序列之前，一面镜子放置在45 °角背后的动物有一个额外的触摸式可视化监测。外部触发相机和照片到PC美联储通过FireWire接口。 我们从上面记录行走在100FPS高速视频摄像机（马林的F – 033C，盟军视觉技术，Stadtroda，德国）进行分析腿部动作的数字序列，与肌电活动和跗接触和关联。 在行走序列记录，动物亮起蓝色LED阵列（30 – 50V DC，亮度24cd，科隆大学，电子车间，动物学研究所），这是调整强度，照亮了荧光标记。据文献（Schlegtendal 1934年），竹节虫不具备色彩视觉，我们并没有观察到的转向响应紫外线光照的不利影响。在摄像机镜头前的一个黄色滤波器抑制激活光的短波长，并给出了一个更高的对比度录像。 分析的视频文件，可以使用运动跟踪软件（WINanalyze，Vers.1.9，Mikromak服务，柏林，德国）。 7。记录步行序列作为对照，先一个一个完整的动物行走序列被记录下来。 条纹图案的速度设置，模式和录像，约在同一时间开始。 如果动物没有自发地开始运动，它可以刺激腹部刷（Bässler和Wegener，1983），或由空气吹的触角。在这种情况下，左侧腹部触及的动物往往左转，反之亦然。条纹图案是不停地移动，直到动物停止行走或直到后3分钟连续录音。 为了测试多远一条腿的肌肉活动是依赖于来自邻国的腿感觉输入，动物引起的，autotomize它的腿。自残网站关闭，在几秒钟内自然。 autotomized前后腿的动物的一个例子是如图3所示。 例如，对于只有一个中间腿的动物实验中，我们按捏一双镊子（Schmidt和Grund的，2003年）与股骨近端诱导的亲和metathoracic腿自残或切断的腿，髋水平从完整的动物记录。恢复时间30分钟之后，一个至少是给动物。 然后，像以前一样，我们会记录新的行走序列。在减少的准备，我们经常需要使用涂料的笔触，以诱导步行。 8。代表性的成果： 图1实验装置;答：以上的光滑表面拴一个竹节虫，腿跟踪的荧光色素标记和肌电图的记录和跗接触式测量有线照片。乙：在光滑表面上行走时的接线图双腿跗接触录音。 图2。竹节虫小腿中部的胸部量角器和拉钩肌肉的肌电电极安置岗位。 ML：小腿中间，FL：前腿 图3：坚持与肌电图线昆虫亲和牵开肌肉在小腿中间，前后腿已被删除，以研究运动 ​​学和中间的腿肌肉活动的影响邻近的腿的存在，在减少的准备。 图4。示例跟踪参考信号在里面中间的腿跗接触牵肌电活动在转动。在跟踪开始（第一个蓝色方块）拉钩是活跃在立场，而腿接触地面（“闭路”），这表明，腿向前步骤;经过短暂的开关（第二个蓝色框），拉钩是活跃在摆动，在空气中（“开路”，第三个蓝色方块），而腿向后指示的步骤发生。 图5。屏幕截图录音从量角器（上部曲线）和拉钩（中等跟踪）肌肉和同时记录跗接触迹（下部曲线）。注意交替活动对应的步长周期的两块肌肉的活动中肌电图的痕迹，这是量角器活动之前和期间摆动时，跗联系跟踪信号损失的地面接触，并拉钩活动后，在睑板的触摸式的立场是，当腿。插入显示匹配相应的视频文件，这个记录是用来验证动物的行为。