Extracellulare Wire Tetrode registrazione in Brain di Liberamente Walking Insetti
Summary
Abbiamo già sviluppato una tecnica per impiantare i fili tetrode nel complesso centrale del cervello scarafaggi che ci permette di monitorare l'attività in singole unità di scarafaggi frenati. Qui vi presentiamo una versione modificata di quella tecnica che ci permette di registrare anche l'attività cerebrale nel muoversi liberamente insetti.
Abstract
Crescente interesse per il ruolo di attività cerebrale nel controllo degli insetti motore richiede che saremo in grado di monitorare l'attività neurale, mentre gli insetti eseguono comportamento naturale. Abbiamo già sviluppato una tecnica per impiantare i fili tetrode nel complesso centrale del cervello scarafaggi che ci hanno permesso di registrare l'attività da più neuroni contemporaneamente, mentre uno scarafaggio tethered acceso o la velocità alterata piedi. Mentre un grande passo avanti, preparati frenati fornire l'accesso a comportamenti limitati e spesso non hanno processi di feedback che si verificano nel muoversi liberamente animali. Presentiamo ora una versione modificata di quella tecnica che ci permette di registrare dal complesso centrale di muoversi liberamente scarafaggi mentre camminano in un'arena e affrontare le barriere ruotando, arrampicata o tunneling. Accoppiato con video ad alta velocità e taglio cluster, ora possiamo riguardare l'attività cerebrale di vari parametri del movimento degli insetti banche si comportano.
Introduction
Questo articolo descrive un sistema di successo per la registrazione dai neuroni all'interno del complesso centrale (CC), della scarafaggio, discoidalis Blaberus, come l'insetto entra in un'arena e si occupa di oggetti che causano a girarsi, tunnel sotto o scavalcare ostacoli. I fili possono essere collegati ad uno stimolatore per evocare attività nel neuropil circostante con cambiamenti comportamentali conseguenti.
Negli ultimi dieci anni grande attenzione è stata rivolta ai ruoli svolti dalle varie regioni del cervello a controllare il comportamento degli insetti. Gran parte di questa attenzione è stata rivolta verso la linea mediana neuropils cerebrali che sono indicate collettivamente come il complesso centrale (CC). Progressi sono stati compiuti a seguito di ampia varietà di tecniche rivolte domande sul ruolo del CC nel comportamento. Tali tecniche vanno da manipolazioni neurogenetici, principalmente in Drosophila, accoppiato con behavianalisi orale 1-3, a tecniche elettrofisiologiche che monitorano l'attività neurale all'interno del CC e il tentativo di mettere in relazione tale attività ai parametri comportamentale rilevanti.
Tecniche elettrofisiologiche includono la registrazione intracellulare da singoli neuroni identificati 4-9 e registrazione extracellulare, spesso con sonde multicanale 10,11. Queste due tecniche sono gratuiti. Registrazione intracellulare con elettrodi taglienti o cerotto cellula intera fornisce dati molto dettagliati sui neuroni identificati, ma si limita a una o due celle contemporaneamente, richiede limitato o nessun movimento, e può essere mantenuta per periodi relativamente brevi di tempo. Registrazioni extracellulari possono essere facilmente impostati, non richiedono moderazione, e può essere mantenuta per ore. Con tetrodi multicanale e taglio cluster, abbastanza grandi popolazioni di neuroni possono essere analizzati simultaneamente 9,12. Mentre tutta PATC cellulareh è stato utilizzato con successo negli insetti tethered 13, riteniamo che ci sia anche la necessità di tecniche che ci permettono di registrare l'attività neurale del cervello per lunghi periodi di tempo in banche comportarsi insetti hanno a che fare con le barriere al movimento in avanti.
La necessità di registrare come l'insetto si muove e rimbalza su e giù ci ha spinto verso metodi di registrazione extracellulari. Abbiamo avuto successo in buona registrazione preparazioni trattenuto con commercialmente disponibili sonde 16 canali silicio 11, tuttavia le piccole dimensioni anche di grandi scarafaggi significa che le sonde devono essere montati dal corpo. Questo, insieme con la delicatezza dei denti sonda, fatta inadeguate per una preparazione gratuita piedi. In due precedenti progetti, abbiamo utilizzato fasci di fili sottili che formano un tetrodo per compiere proprietà di registrazione simili, ma in una disposizione più robusto. Questi bundle tetrode ci ha permesso di registrare da scarafaggi frenati und riguardano l'attività dell'unità CC ai cambiamenti nella velocità di marcia 14 e girando comportamento risultante dal contatto antenne con una canna 10.
Utile come queste preparazioni tethered sono stati e continueranno ad essere, fanno presentare alcune limitazioni. In primo luogo, i comportamenti che l'insetto può eseguire soltanto un piano. Cioè, potremmo facilmente evocare cambiamenti nella velocità di camminata o di svolta, ma le azioni di arrampicata e tunnel non fosse possibile, almeno con la disposizione tipica cavezza. In secondo luogo, la nostra preparazione frenati sono "a ciclo aperto". Cioè, non consentono il normale movimento correlata feedback al sistema. Così, come lo scarafaggio acceso nostra tether, il suo mondo visivo non è stata modificata di conseguenza. E 'possibile costruire sistemi ad anello cavezza chiusi per introdurre questo tipo di feedback. Tuttavia, essi sono limitate dalla complessità della programmazione e hardware dell'ambiente visivo simulato. Nevertheless, abbiamo sentito che potevamo migliorare i nostri metodi di registrazione frenati esistenti registrando dall'animale mentre camminava liberamente in un'arena o pista e oggetti che si incontrano come sarebbe nel suo ambiente naturale.
Sebbene sistemi wireless per registrare l'attività cerebrale 15 sarebbe ideale, sistemi attuali hanno limitazioni nel numero di canali di registrazione, il tempo di acquisizione dei dati, la durata della batteria e peso. Abbiamo, quindi, deciso di provare a migliorare il nostro sistema di registrazione tethered per l'uso in muoversi liberamente preparati. Poichè i migliori sistemi wireless saranno disponibili, questa tecnica può essere facilmente adattato a tali dispositivi. Il sistema che viene descritto in questo articolo è leggero, funziona molto bene e sembra avere un effetto deleterio sul comportamento del scarafaggio. Con una telecamera ad alta velocità poco costoso e software di taglio cluster, l'attività di singoli neuroni del cervello può essere legato al movimento. Qui si descrive la prepazione dei fili tetrode e il loro impianto nel cervello dell'insetto nonché tecniche di registrazione per attività elettrica e di movimento e come tali dati possono essere riuniti per successive analisi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mentre precedenti studi elettrofisiologici sulla CC o di altre regioni del cervello dell'insetto ci hanno fornito intuizioni nella centrale di controllo del comportamento, la maggior parte di loro sono stati eseguiti sia in preparazioni trattenuti 9,11 o quelli frenati 10,14. Come risultato, dell'animale esperienza sensoriale e lo stato fisiologico potrebbe essere molto diverse da quelle in un ambiente naturale. Inoltre, i compiti comportamentali che l'animale può eseguire soltanto un …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Nick Kathman per suggerimenti e aiuto a preparare per il manoscritto. Questa tecnica è stata sviluppata in collaborazione con il lavoro sostenuto dal AFOSR in concessione FA9550-10-1-0054 e la National Science Foundation sotto Grant No. IOS-1120305 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 |
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