מערכת Swimmeret של סרטן הנהרות: מדריך מעשי לDissection של חוט העצב ותאי הקלטות של התבנית מוטורית
Summary
Here we describe the dissection of the crayfish abdominal nerve cord. We also demonstrate an electrophysiological technique to record fictive locomotion from swimmeret motor neurons.
Abstract
כאן אנו מדגימים את הנתיחה של חוט עצב בטן הסרטנים. ההכנה כוללת את הגרעינים שעבר שני חזה (T4, T5) ושרשרת של גרעיני בטן (A1 לA6). שרשרת זו של הגרעינים כוללת את החלק של מערכת העצבים המרכזית (CNS) שמניעה את התנועה מתואמת של pleopods (swimmerets): מערכת swimmeret. זה ידוע במשך למעלה מחמישה עשורים שבסרטנים כל swimmeret הוא מונע על ידי הליבה שלה עצמאי דפוס יצירה שיוצרת פעילות לסירוגין קצבי 1-3. הנוירונים המוטוריים innervating השרירים של כל swimmeret מהווים שני אנטומית ותפקודי אוכלוסיות נפרדות 4. אחת מהן הוא אחראי לביטול (שבץ הכח, PS) של swimmeret. האחרים מניע את ההימשכות (מכה החוזרת, RS) של swimmeret. הנוירונים מוטוריים של מערכת swimmeret מסוגלים לייצר באופן ספונטני דפוס מוטורי פיקטיווי, שהוא זהה לדפוס שנרשם בvivo </em> 1.
מטרת דו"ח זה היא להציג את מערכת מודל מעניינת ונוחה ללימוד רשתות מניבת קצב ותיאום של שבבים עצמאיים לקורסי המעבדה המעשיים של התלמידים. הפרוטוקול סיפק כולל הוראות שלב-אחר-צעד לנתיחה של חוט עצב הבטן של הסרטנים, מצמיד של השרשרת בודדת של הגרעינים, גרעיני desheathing והקלטת הדפוס המוטורי הפיקטיבי swimmerets extracellularly ממערכת העצבים המבודדים.
בנוסף, אנו יכולים לפקח על הפעילות של תאי עצב swimmeret נרשמו intracellularly מהדנדריטים. כאן אנו גם מתארים בקצרה את הטכניקות הללו ולספק כמה דוגמאות. יתר על כן, המורפולוגיה של תאי עצב swimmeret ניתן להעריך באמצעות טכניקות צביעה שונות. כאן אנו מספקים דוגמאות של תאית (על ידי iontophoresis) נוירונים צבע מלא וbackfills של בריכות של הנוירונים מוטוריים swimmeret. במעבדה שלנואנו משתמשים בתכשיר זה ללמוד פונקציות בסיסיות של תנועה פיקטיבית, את ההשפעה של משוב תחושתי בפעילות של מערכת העצבים המרכזית, ותיאום בין שבבים ברמה תאית.
Introduction
Swimmerets של הסרטנים לשרת פונקציה בשליטה על יציבה והכה בקצב שבו החיות לשחות קדימה, לאוורר המחילות או הנקבות שלהם לאוורר את ביציהן 5, 6. Swimmerets של סרטני האות, leniusculus Pacifastacus, מתרחש בזוגות משניים לחמישית קטע בטן, עם איבר אחד בכל צד של 7 הבטן. מערכת העצבים המרכזית מייצרת בלהג שלו הקצבי המנוע אשר מניע את תנועת swimmeret בחיה שלמה, כמו גם בהכנת חוט עצב בודדת. כאשר אין משוב תחושתי או יורדים קלט נוכחי דפוס מנוע הקצבי מיוצר נקרא תנועה פיקטיבית 1, 2. במערכת swimmeret דפוס מנוע זה אינו שונה בכל פרמטר מהפעילות של swimmerets נמדד בבעלי החיים ללא פגע.
התנועה של כל swimmeret היא מונעת על ידי microcircuit שנמצא ובמוגבל לג אחדorresponding hemiganglion 1 -. 3 בכל microcircuit יש גרעין דפוס יצירה שמורכב מחמש interneurons spiking שאינו מזוהה. הם יכולים להיות מאופיינים מבחינה תפקודית כמונעים או של שבץ כוח (IPS) או מונעי של שבץ שבות (IRS) 8. שב"ס אלה וinterneurons IRS אינם מתנדים אנדוגני, ולא הפעילות לסירוגין היא מונע על ידי עיכוב הדדי 9. בגלל interneurons אלה מעכבת את הנוירונים המוטוריים swimmeret ישירות, תנועת PS-RS לסירוגין נוצרה 10. תנועה עם זאת, לא רק דורשת הדור של פעילות, אלא גם תיאום של השבבים העצמאיים השונים. במערכת swimmeret תיאום כזה היא הוקם על ידי microcircuit התיאום אשר מבטיח כי איברים פעילים בזמנים נכונים. microcircuit זה נבנה על ידי שלושה נוירונים שזוהו בכל מגזר 11-15.
פרוטוקול זה מספק עבור ההדואר הפעם הראשונה מדריך לנתיחה צעד-אחר-צעד לבודד את השרשרת של הגרעינים (T4 לA6, איור 1). אנו מראים כיצד להצמיד חוט עצב הבטן המבודד וdesheathe כל גנגליון. בהכנת מערכת עצבים מבודדת זה, תאי העצב אחראים לתנועת swimmeret מוכנים לשימוש בניסויי אלקטרו ומורפולוגי. בחלקו השני של פרוטוקול זה מדגים את התכונות העיקריות של הדפוס המוטורי swimmeret. זה כולל מדריך צעד-אחר-צעד לשיא extracellularly הפעילות של הנוירונים מוטוריים swimmeret. האקסונים של תאי עצב מוטורי RS להקרין באמצעות הסניף הקדמי של N1 עצב, בעוד האקסונים של תאי עצב מוטוריים PS להקרין באמצעות הסניף האחורי של אותו העצב (איור 1) 4. לכן הפעילות שלהם ניתן להקליט מענפים אלה עם אלקטרודות סיכת ההפרש.
<br/> איור 1: מערכת עצבים מבודדת מגנגליון חזה 4 (T4) לגנגליון בטן 6 (A6) ותרשים סכמטי שלו T4:. גנגליון חזה 4; T5: גנגליון חזה 5; A1, A2 … A6 הגנגליון בטן 1, הגנגליון בטן 2 … הגנגליון בטן 6; N1: עצב N1; N2: עצב N2; N3: עצב N3; PS: שבץ-כוח; RS: שבץ-שיבה. קיצורים כיוונית: = קדמי; P = אחורי.
הליך זה לנתיחה וטכניקת אלקטרו הפגינה נוחים לסטודנטים לתואר ראשון ועשוי להשלים קורסים מעשיים סטודנט בפיזיולוגיה. השרשרת בודדת של הגרעינים נעשתה שימוש במספר הניסויים כדי ללמוד לתפקד במערכת עצבים, תיאום, או אפנון של שבבי swimmeret 6, כמו גם שליטה עצבית של התנהגות מסתגלת בתנועה 16, 17. מערכת swimmeret הסרטנים וכך מספקת כמות עצומה הוראה או לא מענייניםגשם הזדמנויות שכל להתחיל עם דיסקציה של חוט עצב הגחון של סרטנים והקלטה תאית של הדפוס המוטורי הפיקטיבי.
Protocol
Representative Results
Discussion
האנטומיה של סרטנים וגרעיני הבטן שלהם כבר תיארו בעבר 5, 18, 19, 20, ומומלץ להכיר אותם לפני הנתיחה על מנת להימנע מחיתוך של עצבים חשובים.
זה קריטי כדי לשמור על ההכנה בטמפרטורות מתחת 23 ° C כדי למנוע השפלה של חוט העצב הבודד. זו יכ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים Jos Burgert על עזרה עם כמה מהדמויות. אנו מודים לאינגו Selbach (והקבוצה "Edelkrebsprojekt NRW") על מאמציו לספק את המעבדה עם חיות ניסוי. אנו מודים לאנה ג שניידר להגהת גרסאות הראשונות של כתב היד. מחקר זה נתמך על ידי SM אמי Noether DFG מענק 206 / 3-1 ומענק הפעלה של אוניברסיטת קלן לסגל נשי.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Type | Company | Catalog Number | Comments/ Description |
| 4-channel extracellular amplifier: MA 102 | Amplifier | Elektroniklabor, Zoologie, Universität zu Köln, Germany | for extracellular recording | |
| air-table | Technical Manufacturing Corporation (TMC) a unit of AMETEK Ultra Precision Technologies, Peabody, MA, USA |
63-534 | for intracellular recording | |
| Axon Digidata 1440A | Digitizer | Axon Instruments, Molecular Devices Design, Union City, CA | DD1440A | digitizes recorded signals |
| big bucket | filled with ice | |||
| Clampex & Clampfit | pClamp 10, recording and analysis software | Molecular Devices Design, Union City, CA | pClamps 10 Standard | for extracellular recording |
| cold lamp source | with flexible light guide (fiber optic bundle) | Euromex microscopes holland, Arnhem, BD | LE.5211 & LE.5235 | |
| computer and monitor | equipped with recording software | for extracellular recording | ||
| container and pipette for liquid waste | ||||
| crayfish saline | contains (in mM): 5.4 KCl, 2.6 MgCl2, 13.5 CaCl2, and 195 NaCl, buffered with 10mM Tris base and 4.7mM maleic acid; aerated for 3 hours. Adjust at pH of 7.4. | always keep at temperatures ~ 4° C | ||
| dextran, Texas Red (3000MW, lysine fixable) | fluorescent dye, lysine fixable | Life Technologies GmbH, Darmstadt, Germany | D3328 | for intracellular dyefill of neurons |
| differential pin electrodes | made from stainless steel ɸ 0.2 mm | for extracellular recording | ||
| dissection dish | (l x w x h) 15x7x5 cm; linned with black silicone | used in the gross disection | ||
| faraday cage | for extracellular recording | |||
| fixing pins | for pinning the specimen | |||
| forceps (biology, Dumont #5) | Forceps: Biology, tip 0.05 x 0.02 mm, length 11cm, INOX | Fine Science Tools (FST), Germany | 11252-20 | fine forceps: used to pick nerves |
| forceps (biology, Dumont #55) | Forceps: Biology, tip 0.05 x 0.02 mm, length 11cm, INOX | Fine Science Tools (FST), Germany | 11255-20 | extra fine forceps: used for desheathing |
| forceps (electronic, Dumont #5) | Forceps: Standard, tip 0.1 x 0.06 mm, length 11cm, INOX | Fine Science Tools (FST), Germany | 11251-20 | coarse forceps: used to grab specimen and pins |
| intracellular electrode | Borosilicate glass capillaries (outer/inner diameter: 1mm/0.5mm), with filament | Sutter Instruments, Novato, CA | BF100-50-10 | for intracellular recording and dyefill of neurons |
| Leica S8 Apo StereoZoom | Dissection Microscope Zoom 1x – 8x | Leica, Germany | 10446298 | for extracellular recording |
| microscope table | for extracellular recording | |||
| mirror | to illuminate preparation from below | for extracellular recording | ||
| modeling clay | for extracellular recording | |||
| Olympus SZ61 | Dissection Microscope Zoom 0.67x – 4.5x | Olympus, Germany | for the dissection | |
| petri dish | 94 x 16 mm; lined with clear silicone | Greiner bio-one, Germany | 633180 | used to pin the isolated chain of ganglia |
| ring scissors | ThoughCut, cutting edge: sharp/blunt, straight: 13cm | Fine Science Tools (FST), Germany | 14054-13 | for gross dissection (steps 2.1 – 2.11) |
| saline dispenser with a 16 gauge needle (outer ɸ 1.6mm) attached via a flexible tube. | Volume ~ 60ml, | used for exsanguination | ||
| spring scissors or alternative: Vannas spring scissors | cutting edge: 8 mm, tip diameter: 0.2mm, straight: 10cm or cutting edge 2.5 mm, tip diameter 0.075 mm, straight: 8cm | Fine Science Tools (FST), Germany | 15024-10 or 15000-08 | for desheathing |
| stainless steel wire ɸ 0.125 mm | to cut pins of 4-7 mm length | Goodfellow GmbH, Bad Nauheim, Germany | for pinning of the nerve cord | |
| student Vannas spring scissors or alternative: Moria Spring Scissors | cutting edge: 5mm, tip diameter: 0.35mm, straight: 9cm or cutting edge: 5mm, tip diameter 0,1 mm, straight: 8 cm | Fine Science Tools (FST), Germany | 91500-09 or 15396-00 | for gross and fine disection (steps 2.11 – 3.14) |
| sylgard | 184 Silicone Elastomer Base and Curing Agent; for black sylgard add activated carbon | Dow Corning, Midland, MI, USA | ||
| syringe filled with petroleum jelly and equipped with a 20 gauche needle with rounded tip | for extracellular recording |
References
- Hughes, G. M., Wiersma, C. A. G. The Co-Ordination of Swimmeret Movements in the Crayfish, Procambarus-Clarkii (Girard). J Exp Biol. 37 (4), 657-670 (1960).
- Mulloney, B., Smarandache, C. Fifty Years of CPGs: Two Neuroethological Papers that Shaped the Course of Neuroscience. Front Behav Neurosci. 4, 45 (2010).
- Murchison, D., Chrachri, A., Mulloney, B. A Separate Local Pattern-Generating Circuit Controls the Movements of Each Swimmeret in Crayfish. J Neurophys. 70 (6), 2620-2631 (1993).
- Mulloney, B., Hall, W. M. Functional organization of crayfish abdominal ganglia. III. Swimmeret motor neurons. J Comp Neurol. 419 (2), 233-243 (2000).
- Davis, W. J. Lobster Righting Responses and Their Neural Control. Proc R Soc Ser B-Bio. 170 (1021), 435-456 (1968).
- Mulloney, B., Smarandache-Wellmann, C. Neurobiology of the crustacean swimmeret system. Prog Neurobiol. 96 (2), 242-267 (2012).
- Huxley, T. H. . The crayfish: An introduction to the study of zoology. , (1980).
- Smarandache-Wellmann, C., Weller, C., Wright, T. M., Mulloney, B. Five types of nonspiking interneurons in local pattern-generating circuits of the crayfish swimmeret system. J Neurophys. 110 (2), 344-357 (2013).
- Skinner, F. K., Mulloney, B. Intersegmental coordination of limb movements during locomotion: mathematical models predict circuits that drive swimmeret beating. J Neurosci. 18 (10), 3831-3842 (1998).
- Mulloney, B. During fictive locomotion, graded synaptic currents drive bursts of impulses in swimmeret motor neurons. J Neurosci. 23 (13), 5953-5962 (2003).
- Smarandache-Wellmann, C., Grätsch, S. Mechanisms of coordination in distributed neural circuits: Encoding coordinating information. J Neurosci. 34 (16), 5627-5639 (2014).
- Mulloney, B., Hall, W. M. Local commissural interneurons integrate information from intersegmental coordinating interneurons. J Comp Neurol. 466 (3), 366-376 (2003).
- Mulloney, B., Harness, P. I., Hall, W. M. Bursts of information: Coordinating interneurons encode multiple parameters of a periodic motor pattern. J Neurophys. 95 (2), 850-861 (2006).
- Smarandache, C., Hall, W. M., Mulloney, B. Coordination of Rhythmic Motor Activity by Gradients of Synaptic Strength in a Neural Circuit That Couples Modular Neural Oscillators. J Neurosci. 29 (29), 9351-9360 (2009).
- Smarandache-Wellmann, C., Weller, C., Mulloney, B. Mechanisms of Coordination in Distributed Neural Circuits: Decoding and Integration of Coordinating Information. J Neurosci. 34 (3), 793-803 (2014).
- Chrachri, A., Neil, D., Mulloney, B. State-Dependent Responses of 2 Motor Systems in the Crayfish, Pacifastacus leniusculus. J Comp Physiol A. 175 (3), 371-380 (1994).
- Chrachri, A., Neil, D. M. Interaction and Synchronization between 2 Abdominal Motor Systems in Crayfish. J Neurophys. 69 (5), 1373-1383 (1993).
- Skinner, K. The Structure of the 4th Abdominal-Ganglion of the Crayfish, Procambarus-Clarki (Girard) II. Synaptic Neuropils. J Comp Neurol. 234 (2), 182-191 (1985).
- Skinner, K. The Structure of the 4th Abdominal-Ganglion of the Crayfish, Procambarus-Clarki (Girard) I. Tracts in the Ganglionic Core. J Comp Neurol. 234 (2), 168-181 (1985).
- Mulloney, B., Tschuluun, N., Hall, W. M. Architectonics of crayfish ganglia. Microsc Res Techniq. 60 (3), 253-265 (2003).
- Braun, G., Mulloney, B. Cholinergic modulation of the swimmeret motor system in crayfish. J Neurophys. 70 (6), 2391-2398 (1993).
- Davis, W. J. Motoneuron Morphology and Synaptic Contacts – Determination by Intracellular Dye Injection. Science. 168 (3937), 1358-1360 (1970).
- Altman, J. S., Tyrer, N. M., Strausfeld, N. J., Miller, T. A. Filling Selected Neurons with Cobalt through Cut Axons. Neuroanatomical Techniques. , 373-402 (1980).
