תאי חוט Tetrode הקלטה במוח של חופשיות הליכה חרקים
Summary
אנחנו פיתחנו בעבר טכניקה להשתלת חוטי tetrode לתוך המתחם המרכזי של מוח של מקק המאפשר לנו לעקוב אחר פעילות ביחידות בודדות של מקקים קשורים. כאן אנו מציגים גרסה שונה של טכניקה המאפשרת לנו גם כדי להקליט את פעילות המוח במעבר חרקים באופן חופשי.
Abstract
עניין גובר בתפקיד של פעילות המוח בשליטה מוטורית חרקים מחייב אותנו להיות מסוגל לפקח על פעילות עצבית בזמן חרקים לבצע התנהגות טבעית. אנחנו פיתחנו בעבר טכניקה להשתלת חוטי tetrode לתוך המתחם של מוח של המקק שאיפשר לנו להקליט פעילות מתא העצב מרובה בו זמנית המרכזי תוך מקק קשור פנה או מהירות הליכה שונה. בעוד התקדמות גדולה, הכנות קשורות לספק גישה להתנהגויות מוגבלות ולעתים קרובות חוסר תהליכי משוב המתרחשים במעבר בעלי חיים באופן חופשי. כעת אנו מציגים גרסה שונה של טכניקה המאפשרת לנו להקליט מהקומפלקס של לנוע בחופשיות מקקים כשהם הולכים בזירה ולהתמודד עם מחסומים על ידי סיבוב, טיפוס או מנהור המרכזי. יחד עם וידאו במהירות גבוהה וחיתוך אשכול, עכשיו אנחנו יכולים להתייחס פעילות מוח לפרמטרים שונים של התנועה של חרקים מתנהגים בחופשיות.
Introduction
מאמר זה מתאר מערכת מוצלחת להקלטה מתא העצב במתחם המרכזי (CC) של המקק, discoidalis Blaberus, כחרק הולך בזירה ועוסק באובייקטים שגורמים לו להסתובב, מנהרה מתחת, או לטפס מעל מכשולים. יכול גם להיות מחוברים לחוטי ממריץ לעורר פעילות בneuropil שמסביב עם שינויים התנהגותיים וכתוצאה מכך.
בעשור האחרון תשומת לב רבה מופנה לתפקידים שמילאו אזורים שונים במוח בשליטה על התנהגות חרקים. חלק גדול ממיקוד זה כבר מופנה לneuropils מוח קו האמצע, כי הם יכונו מורכבים המרכזיים (CC). הושגתי התקדמות כתוצאה מזנים רחבים של טכניקות מיקוד שאלות על תפקידה של CC בהתנהגות. טכניקות אלה נעות בין מניפולציות neurogenetic, בעיקר בדרוזופילה, בשילוב עם behaviניתוח אוראלי 1-3, לטכניקות אלקטרו העוקב אחר פעילות עצבית בתוך CC והניסיון להתייחס לפעילות שפרמטרים רלוונטיים התנהגותית.
טכניקות אלקטרו כוללות הקלטה תאית מתא העצב בודד מזוהה 4-9 והקלטה תאית, לעתים קרובות עם בדיקות רבת ערוצי 10,11. שתי טכניקות אלה הן ללא תשלום. הקלטה תאית עם אלקטרודות חדות או תא כל תיקון מספקת נתונים מפורטים מאוד על נוירונים שזוהו, אך מוגבלת לתא אחד או שניים בכל פעם, דורשת תנועה מוגבלת או לא, ויכולה להישמר לתקופות זמן קצרות יחסית. ניתן להגדיר בקלות את הקלטות תאיים, אינו דורשות איפוק, ויכולות להישמר במשך שעות. עם tetrodes רב ערוצים וחיתוך אשכול, אוכלוסיות גדולות למדי של תאי עצב ניתן לנתח בו זמנית 9,12. בעוד patc תא כולושעות כבר השתמשו בהצלחה בחרקים קשורים 13, אנחנו מרגישים שיש גם צורך בטכניקות המאפשרות לנו להקליט פעילות עצבית במוח לפרקי זמן ארוכים במתנהגים חרקים באופן חופשי כפי שהם להתמודד עם חסמים לתנועה קדימה.
את הצורך ברישום כמהלכי חרקים וקופץ למעלה ולמטה דחף אותנו לכיוון שיטות הקלטה תאית. היו לנו הקלטת הצלחה טובה בהכנות מאופקות עם בדיקות סיליקון 16 ערוצים זמינים מסחרי 11, עם זאת גודלו הקטן של אפילו מקקים גדולים אומר שהבדיקות צריכים להיות מותקנת מחוץ לגוף. זה, בשילוב עם העדינות של שיני הבדיקה, הפך אותם לבלתי ראוי להכנת הליכה חופשית. בשני פרויקטים קודמים, השתמשנו צרורות של חוטים עדינים ויוצרים tetrode להשיג מאפייני הקלטה דומים, אבל בהסדר חזק יותר. חבילות tetrode אלה אפשרו לנו להקליט ממקקים קשוריםd מתייחס פעילות יחידת CC לשינויים במהירות הליכה 14 והפיכת התנהגות כתוצאה ממגע מחושים עם מוט 10.
שימושי כמו הכנות קשורות אלה היו וימשיכו להיות, הם עושים להציג כמה מגבלות. ראשית, ההתנהגויות שהחרקים יכולים לבצע מוגבלות למישור אחד. כלומר, אנחנו בקלות יכולים לעורר שינויים במהירות הליכה או מפנה, אבל פעולות טיפוס ונהור לא היו אפשריות, לפחות להסדר לקשור הטיפוסי. שנית, ההכנות קשורות שלנו הן "לולאה פתוחה". כלומר, הם אינם מאפשרים למשוב תנועה קשורים נורמלי למערכת. לכן, כפי שהמקק מופעל לקשור שלנו, העולם החזותי שלה לא שונתה בהתאם. אפשר לבנות מערכות לקשור לולאה סגורות להציג את משוב מסוג זה. עם זאת, הם מוגבלים על ידי המורכבות של תכנות והחומרה של הסביבה החזותית מדומה. Neverthelesים, הרגשנו שאנחנו יכולים לשפר את שיטות ההקלטה קשורות הקיימות שלנו על ידי הקלטה מבעלי החיים כפי שהוא הלך בחופשיות בזירה או מסלול ואובייקטים נתקלו כפי שהוא היה בסביבתו הטבעית.
למרות שמערכות אלחוטיות להקלטת פעילות מוח 15 תהיה אידיאלית, יש מערכות נוכחיות יש מגבלות במספר ערוצי הקלטה, הזמן של רכישת נתונים, אורך חיי סוללה ומשקל. אנו, אפוא, העדפנו לנסות ולהתאים את מערכת ההקלטה קשורה שלנו לשימוש במעבר הכנות באופן חופשי. כמו מערכות אלחוטיות טובות יותר תהיינה זמינות, בטכניקה זו ניתן להתאים בקלות למכשירים כאלה. המערכת מתוארת במאמר זה היא קל משקל, עובדת טוב מאוד ונראה שיש השפעה מזיקה קטנה בהתנהגות של המקק. עם מצלמה במהירות גבוהה זולה ותוכנת חיתוך אשכול, פעילות בתאי עצב במוח אדם יכולה להיות קשורה לתנועה. כאן אנו מתארים את preparע חוטי tetrode וההשתלה שלהם לתוך מוחו של החרק, כמו גם טכניקות הקלטה עבור פעילות חשמלית ותנועה, ואיך נתונים אלה יכול להיות הביא יחד לניתוח שלאחר מכן.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעוד שהמחקרים קודמים על אלקטרו CC או אזורים אחרים של מוח החרק סיפקו לנו תובנות השליטה המרכזית של התנהגות, רובם בוצעו בשתי הכנות מאופקות 9,11 או קשורים אלה 10,14. כתוצאה מכך, של החיה חוויה חושית ומצב פיסיולוגי יכול להיות שונה מאוד מאלו בסביבה טבעית. יתר על כן, המש…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים ניק Kathman לקבלת הצעות ולעזור בהכנות לכתב היד. טכניקה זו פותחה בשיתוף עם נתמכת על ידי AFOSR תחת מענק FA9550-10-1-0054 והקרן הלאומית למדע תחת גרנט לא IOS-1,120,305 לRER עבודה.
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 |
Referencias
- 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).
