Внеклеточная провода Тетрод Запись в Мозга Свободно Прогулки Насекомые
Summary
Мы ранее разработали методику имплантации Тетрод провода в центральной комплекса мозга таракана, что позволяет нам контролировать деятельность в отдельных единиц привязных тараканов. Здесь мы представляем модифицированную версию этой техникой, что позволяет нам также записывать активность мозга в свободно движущихся насекомых.
Abstract
Растущий интерес к роли мозговой активности в борьбе с насекомыми двигателя требует, чтобы мы в состоянии контролировать нервную деятельность в то время как насекомые выполняют естественное поведение. Мы ранее разработали методику имплантации Тетрод провода в центральной комплекса мозга таракана, которые позволили нам записать деятельность из нескольких нейронов одновременно в то время как на привязи таракан оказалось или измененное скорости передвижения. В то время как крупный шаг вперед, привязанные препараты обеспечивают доступ к ограниченным поведения и часто не имеют процессы обратной связи, которые происходят в свободно движущихся животных. Приведем теперь модифицированную версию этой техникой, что позволяет нам производить запись с центрального комплекса свободно перемещаться тараканов, как они ходят на арене и иметь дело с барьерами, поворачивая, альпинизм или туннелирования. В сочетании с высокой скоростью видео и кластера резки, мы можем теперь относятся мозговую деятельность различных параметров движения свободно ведут себя насекомых.
Introduction
В этой статье описывается успешной системы для записи из нейронов в пределах центрального комплекса (ГК) таракана, Blaberus discoidalis, как насекомое прогулки в манеже и сделок с объектами, которые вызывают это развернуться, туннель под землей, или перелезть через препятствия. Провода могут быть также подключен к стимулятора, чтобы вызвать активность в окружающей нейропиля с последующими поведенческих изменений.
За последнее десятилетие значительное внимание было направлено на роли, которую играют различные регионы мозга в управлении поведением насекомых. Большая часть этого фокуса была направлена в сторону срединной линии neuropils мозга, которые совместно именуемые центрального комплекса (ГК). Прогресс был достигнут в результате широкого многообразия методов, ориентированных на вопросы о роли ЦК в поведении. Эти методы варьируются от нейрогенного манипуляций, в первую очередь у дрозофилы, в сочетании с поведениюоральный анализ 1-3, чтобы электрофизиологических методов, которые контролируют нервную деятельность в ЦК и попытке связать эту деятельность, чтобы поведенчески соответствующих параметров.
Электрофизиологические методы включают внутриклеточный запись из отдельных выявленных нейронов 4-9 и внеклеточной записи, часто с несколькими зондами 10,11 канала. Эти две технологии дополняют друг друга. Внутриклеточного записи с острыми электродов или целых клеток патч обеспечивает очень подробные данные о выявленных нейронов, но ограничивается одной или двух клеток сразу, требуется ограниченное или не движение, а может поддерживаться в течение относительно короткого периода времени. Внеклеточные записи можно легко настроить, не требуют сдержанности, и может поддерживаться в течение нескольких часов. С несколькими тетродов канала и кластера резки, довольно большие популяции нейронов могут быть проанализированы одновременно 9,12. В то время как целая клетка PATCч успешно используется в привязных насекомых 13, мы чувствуем, что есть также потребность в способах, которые позволяют нам записать нейронную активность мозга в течение длительных периодов времени в свободно себя насекомых, как они имеют дело с барьеров для движения вперед.
Необходимость записывать как насекомых ходов и подпрыгивает вверх и вниз подтолкнул нас к внеклеточных методов записи. У нас было хорошее качество записи успеха в сдержанных препаратов с коммерчески доступных 16 каналов кремниевых зондов 11, однако небольшой размер даже больших тараканов означает, что зонды должны быть установлены от тела. Это, в сочетании с деликатностью зонда пальцев, делает их непригодными для свободного подготовки минутах. В двух предыдущих проектов, мы использовали пучки тонких проволок, образующих тетрод для выполнения аналогичные свойства записи, но в более надежные договоренности. Эти тетродов пучки позволили нам запись с привязных таракановг относятся блок деятельность CC изменений в скорость ходьбы 14 и поворачивая поведение в результате усиков контакте с жезлом 10.
Как полезно, поскольку эти привязные препараты были и по-прежнему будет, они действительно представляют некоторые ограничения. Во-первых, поведение, что насекомое может выполнять ограничены в одной плоскости. То есть, мы легко могли бы вызвать изменения в скорости ходьбы или поворота, но восхождение и туннельные действия не были возможны, по крайней мере, с типичным расположением троса. Во-вторых, наши привязные препараты "без обратной связи". То есть, они не позволяют для нормального движения, связанные с обратной связью к системе. Таким образом, как таракан включена нашей троса, его визуальный мир не изменяется соответствующим образом. Можно построить замкнутые системы петля троса ввести этот вид обратной связи. Тем не менее, они ограничены сложности программирования и аппаратного обеспечения моделируемого визуальной среды. Neverthelesс, мы чувствовали, что мы могли бы улучшить наши существующие привязных методов записи, записывая от животного, как это шли свободно на арене или дорожки и встречающихся объектов как это было бы в своей естественной среде.
Хотя беспроводные системы для регистрации активности головного мозга 15 было бы идеально, современные системы имеют ограничения в количестве каналов записи, время сбора данных, жизни и массы батареи. Мы, таким образом, решили попробовать адаптировать наше привязной системы записи для использования в свободно перемещаться препараты. Как лучше беспроводные системы становятся доступными, эта методика может быть легко адаптированы к таким устройствам. Система, описанная в этой статье, легкий вес, работает очень хорошо и, похоже, мало вредное воздействие на поведение таракана. С недорогой высокоскоростной камерой и резки программного обеспечения кластера, активность в отдельных нейронов головного мозга может быть связано с движением. Здесь мы опишем подгоной работы Тетрод проводов и их имплантации в мозг насекомого, а также методы записи для электрической активности и движения, и как эти данные могут быть объединены для последующего анализа.
Protocol
Representative Results
Discussion
В то время как предыдущие электрофизиологические исследования на ЦК или других регионах насекомых мозга предоставили нам идеи в центральную регуляции поведения, большинство из них были выполнены либо в сдержанных препаратов 9,11 или привязных них 10,14. В результате животног?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Ник Kathman для предложений и помочь в подготовке к рукописи. Этот метод был разработан в связи с работой, при поддержке AFOSR по гранту FA9550-10-1-0054 и Национальный научный фонд по гранту № IOS-1120305 на RER.
Materials
| Nichrome wire | Sandvik Heating Technology | Kanthal RO-800 | Use for tetrode |
| Biomedical polyethylene tubing | A-M Systems | 800700 | Use for tetrode tubing |
| Lynx-8 | Neuralynx | Use for multi-unit recording | |
| Cheetah 32 | Neuralynx | Use for multi-unit recording | |
| High speed camera | Basler | A602f | Use fir video recording for walking experiments |
| High speed camera | Casio | EX-FC150 | Use for video recording for climbing experiments |
| WINanalyze | Winanalyze | version 1.4 3D | Use for video tracking |
| Matlab | MathWorks | MATLAB R2012b | Use for TTL pulse generation and off-line data analysis |
References
- Strauss, R. The central complex and the genetic dissection of locomotor behaviour. Curr. Opin. Neurobiol. 12, 633-638 (2002).
- Pick, S., Strauss, R. Goal-driven behavioral adaptations in gap-climbing Drosophila. Curr. Biol. 15, 1473-1478 (2005).
- Triphan, T., Poeck, B., Neuser, K., Strauss, R. Visual targeting of motor actions in climbing Drosophila. Curr. Biol. 20, 663-668 (2010).
- Heinze, S., Gotthardt, S., Homberg, U. Transformation of polarized light information in the central complex of the locust. J. Neuorosci. 29, 11783-11793 (2009).
- Heinze, S., Homberg, U. Maplike representation of celestial E-vector orientations in the brain of an insect. Science. 315, 995-997 (2007).
- Heinze, S., Homberg, U. Neuroarchitecture of the central complex of the desert locust: Intrinsic and columnar neurons. J. Comp. Neurol. 511, 454-478 (2008).
- Heinze, S., Homberg, U. Linking the input to the output: new sets of neurons complement the polarization vision network in the locust central complex. J. Neurosci. 29, 4911-4921 (2009).
- Heinze, S., Reppert, S. M. Sun compass integration of skylight cues in migratory monarch butterflies. Neuron. 69, 345-358 (2011).
- Brill, M. F., et al. Parallel processing via a dual olfactory pathway in the honeybee. J Neurosci. 33, 2443-2456 (2013).
- Guo, P., Ritzmann, R. E. Neural activity in the central complex of the cockroach brain is linked to turning behaviors. J. Exp. Biol. 216, 992-1002 (2013).
- Ritzmann, R. E., Ridgel, A. L., Pollack, A. J. Multi-unit recording of antennal mechanosensitive units in the central complex of the cockroach, Blaberus discoidalis. J. Comp. Physiol. A. 194, 341-360 (2008).
- Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature Neurosci. 7.5, 446-445 (2004).
- Huston, S. J., Jayaraman, V. Studying sensorimotor integration in insects. Curr. Opin. Neurobiol. 21, 527-534 (2011).
- Bender, J. A., Pollack, A. J., Ritzmann, R. E. Neural activity in the central complex of the insect brain is linked to locomotor changes. Curr. Biol. 20, 921-926 (2010).
- Harrison, R. R., et al. Wireless Neural/EMG telemetry systems for small freely moving animals. IEEE. 5, 103-111 (2011).
- Straw, A. D., Dickinson, M. H. Motmot, an open-source toolkit for realtime video acquisition and analysis. Source Code Biol. Med. 4, 5 (2009).
- Tyrer, N. M., Shaw, M. K., Altman, J. S., Strausfeld, N. J., Miller, T. A. . Neuroanatomical Techniques. Insect Nervous System. , (1980).
- Daly, K., Wright, G., Smith, B. Molecular features of odorants systematically influence slow temporal responses across clusters of coordinated antennal lobe units in the moth, Manduca sexta. J. Neurophsyiol. 92, 236-254 (2004).
- Branson, K., Robie, A., Bender, J., Perona, P., Dickinson, M. High-throughput ethomics in large groups of Drosophila. Nat Methods. 6, 451-457 (2009).
