Este protocolo describe un ensayo conductual para registrar el comportamiento de búsqueda provocado por el azúcar utilizando Drosophila melanogaster. El ensayo se puede utilizar para estudiar los comportamientos relacionados con la alimentación y la búsqueda de alimento, así como los mecanismos neuronales subyacentes.
El comportamiento de búsqueda de alimento es esencial para la supervivencia de los organismos, ya que les permite localizar y adquirir recursos alimenticios esenciales. En Drosophila, el hambre desencadena un comportamiento de búsqueda distinto después del consumo de pequeñas cantidades de una solución azucarada. Este informe presenta una configuración experimental simple para estudiar el comportamiento de búsqueda provocado por azúcar con el objetivo de descubrir los mecanismos subyacentes. Cantidades minúsculas de solución concentrada de azúcar provocan un comportamiento de búsqueda sostenido en las moscas. Se ha establecido la participación de la integración de la ruta en este comportamiento, ya que las moscas utilizan su trayectoria para regresar a la ubicación del azúcar. Los hallazgos más recientes proporcionan evidencia de modulación temporal en el inicio y la intensidad del comportamiento de búsqueda después de la ingesta de azúcar. También hemos utilizado esta configuración para la activación artificial de neuronas receptoras de gusto específicas en la faringe, lo que provoca el comportamiento de búsqueda. El kit de herramientas neurogenéticas de Drosophila ofrece una amplia gama de herramientas y técnicas que se pueden combinar con el paradigma del comportamiento de búsqueda provocado por el azúcar para estudiar los mecanismos neuronales y genéticos que subyacen a la búsqueda de alimento. La comprensión de la base neural del comportamiento de búsqueda impulsado por el hambre en las moscas contribuye al campo de la neurobiología en su conjunto, ofreciendo información sobre los mecanismos reguladores que gobiernan los comportamientos de alimentación no solo en otros organismos sino también en los humanos.
El comportamiento de búsqueda de alimentos y búsqueda de alimento es una estrategia de supervivencia fundamental exhibida por los organismos en todos los taxones. Se han identificado dos tipos de conductas de búsqueda de alimento en los insectos: la búsqueda de alimento inducida por el hambre y la búsqueda local después de lascomidas. Cuando tienen hambre, los insectos confían en las señales sensoriales para localizar las fuentes de alimento. Al encontrar y consumir un pequeño parche de comida, inician un comportamiento de búsqueda local caracterizado por caminos enrevesados y vueltas alrededor de la ubicación de la comida.
El comportamiento de búsqueda provocado por azúcar, una forma particular de búsqueda local, fue estudiado por primera vez hace más de 60 años por el biólogo estadounidense Vincent Dethier en Blowflies2. Cuando se les priva de hambre, a las moscas se les presenta una pequeña cantidad de azúcar para que no las sacie, comienzan una búsqueda local. El comportamiento típico de búsqueda se caracteriza por una caminata muy tortuosa con baja locomotora y alta velocidad de giro y hacer retornos al lugar de la gota de azúcar. Estudios posteriores habían investigado este comportamiento en moscas domésticas y moscas de la fruta 3,4. La iniciación, intensidad y duración de la búsqueda está regulada por el estado interno del animal (por ejemplo, privación y motivación), así como por factores externos como la disponibilidad y calidad de los recursos 1,5,6.
Los avances en las tecnologías de rastreo han proporcionado a los investigadores herramientas valiosas para capturar y analizar el comportamiento dentro de ámbitos controlados. Aquí, presentamos un paradigma de comportamiento para rastrear moscas que caminan libremente después de la ingestión de azúcar. Esta sencilla configuración permite el estudio del comportamiento de búsqueda provocado por el azúcar en Drosophila mediante la captura y el análisis del movimiento de la mosca en respuesta a la solución concentrada de azúcar proporcionada en una arena. Empleando tecnología avanzada de seguimiento y técnicas de análisis de datos, se han cuantificado con éxito los patrones locomotores, la exploración espacial y la dinámica de respuesta a los estímulos azucareros.
Utilizando este ensayo, se ha demostrado experimentalmente que la búsqueda provocada por el azúcar implica el uso de la integración de caminos y puede separarse espacio-temporalmente de la ingesta de azúcar 7,8. Además, se ha demostrado que el comportamiento puede ser desencadenado por la activación de las neuronas gustativas faríngeas9. Resultados recientes muestran que el estímulo del azúcar no es un mecanismo de liberación innato sino también modulador, y controla el inicio de la conducta temporalmente8. Utilizando este paradigma, también hemos estudiado este comportamiento en abejas melíferas (Apis mellifera)7,8.
El objetivo final de esta investigación es desentrañar los circuitos neuronales y los nuevos componentes genéticos implicados en la regulación del comportamiento de búsqueda a través de manipulaciones genéticas dirigidas y técnicas de neuroimagen. Los comportamientos de búsqueda de alimentos han demostrado ser paradigmas experimentales altamente efectivos para estudiar la navegación y la memoria espacial en insectos. Estos comportamientos brindan una oportunidad única para investigar la percepción sensorial, los procesos de toma de decisiones y la coordinación motora involucrados en la búsqueda de fuentes de alimento gratificantes en las moscas. Además, los hallazgos de estos estudios tienen implicaciones más amplias para comprender los comportamientos alimentarios en otros organismos, incluidos los humanos, ya que muchos mecanismos genéticos y neuronales fundamentales se conservan evolutivamente. La desregulación de las conductas alimentarias se asocia con diversos trastornos neurológicos y metabólicos10. Por lo tanto, los mecanismos neuronales y genéticos que subyacen al comportamiento de búsqueda en las moscas pueden ofrecer nuevas vías para comprender y potencialmente abordar estos complejos desafíos de salud humana.
El estudio actual presenta un paradigma sencillo para investigar el comportamiento de búsqueda provocado por el azúcar en Drosophila, descrito por primera vez por Dethier2. Este comportamiento innato permite a las moscas participar en una búsqueda local de recursos alimenticios adicionales después del encuentro con una recompensa alimentaria. El aspecto más crucial del protocolo experimental consiste en motivar adecuadamente a las moscas. En primer lugar, las moscas deben estar en un estado de hambre, habiendo sido privadas de alimentos mientras aún tienen acceso al agua, para asegurar la ingestión de azúcar. Con el fin de tener el estado de hambre uniforme en todos los ensayos experimentales, se utilizó el período de inanición en el que sobrevive el 90% de la población. De manera crucial, la inducción de una respuesta de búsqueda después de la alimentación requiere la provisión de un estímulo alimenticio que sea de suficiente calidad, pero no lo suficiente como para saciar completamente a las moscas. Por lo tanto, estandarizar la concentración y la cantidad de azúcar, y la duración de la inanición puede llevar mucho tiempo, pero es imperativo para un comportamiento robusto y confiable.
En este estudio, se empleó una solución de sacarosa de 500 mM y 0,2 μL como estímulo para las moscas hambrientas. La ingesta de azúcar evoca un comportamiento de búsqueda local característico caracterizado por un mayor comportamiento de giro y frecuentes retornos al lugar de la gota de azúcar (Video 1). Por el contrario, las moscas hambrientas a las que no se les proporciona azúcar no muestran una respuesta de búsqueda. En particular, todos los parámetros relacionados con el comportamiento, incluida la longitud de la trayectoria, el tiempo de permanencia, el meandro y el número de retornos, fueron significativamente más bajos en las moscas no alimentadas. Hemos demostrado previamente que la ingestión de agua por sí sola no provoca una respuesta de búsqueda9.
Esta configuración ofrece un enfoque rentable y de bajo mantenimiento para estudiar este comportamiento innato. Si bien en este estudio se utiliza una arena retroiluminada, también se puede emplear iluminación superior siempre que haya suficiente contraste entre la mosca y el fondo. El software de seguimiento utilizado se basa en la detección del movimiento de la mosca contra un fondo estático13. La configuración de la cámara y la resolución se pueden ajustar en función de la escala específica de comportamiento que se esté investigando. Es importante destacar que esta metodología permite el estudio de varios componentes de la conducta de búsqueda de alimento, incluida la atención sensorial durante la búsqueda de alimento, el compromiso con la comida y la alimentación, el control locomotor de la búsqueda y los procesos de toma de decisiones asociados con la explotación y la exploración, entre otros. Además, este paradigma facilita la investigación de la búsqueda local, un comportamiento que se observa comúnmente en diversos taxones en diversos contextos ecológicos6. El estudio de este comportamiento en Drosophila, abre vías para la investigación científica dirigida a comprender las vías neuronales involucradas en la búsqueda de alimento. Hemos estudiado la búsqueda local en abejas melíferas y hemos demostrado que el comportamiento se asemeja al de las moscas 7,8.
Estudios recientes han demostrado que el comportamiento de búsqueda local puede ser desencadenado por la activación optogenética de varias neuronas sensoriales de azúcar en moscas 14,15,16. Sin embargo, sigue sin estar claro hasta qué punto las búsquedas locales observadas en estos estudios representan con precisión el comportamiento natural de las moscas en respuesta a la ingesta real de azúcar. El comportamiento alimentario está estrechamente regulado en las moscas, y estos hallazgos indican que la activación de los receptores de azúcar faríngeos inicia el comportamiento de búsqueda. La sensibilidad gustativa tarsiana es responsable de detectar el azúcar e inducir el reflejo de extensión de la probóscide, mientras que las neuronas gustativas faríngeas determinan si se debe proceder a la alimentación17,18. Una vez ingerida, la solución azucarada viaja a través del esófago hasta el proventrículo y entra en el buche, con su expansión controlada por un nervio recurrente19. Además, vale la pena señalar que algunos de los estudios antes mencionados involucraron el arnés o confinamiento de moscas, mientras que este método permite que los animales caminen libremente durante todo el experimento. Las moscas de nuestros experimentos estaban lo suficientemente motivadas como para quedarse y buscar dentro de la arena sin la imposición de una tapa.
Comprender la intrincada interacción entre las vías neuronales, los factores genéticos y las señales ambientales que gobiernan el comportamiento de búsqueda en las moscas puede arrojar luz sobre los principios fundamentales del procesamiento de la información, el aprendizaje y la formación de la memoria. Además, la desregulación del comportamiento de búsqueda de alimento se ha implicado en varios trastornos humanos, incluidos los trastornos alimentarios y la obesidad. La amplia gama de herramientas neurogenéticas disponibles en Drosophila proporciona un recurso valioso para investigar el comportamiento de búsqueda provocado por el azúcar y desentrañar los mecanismos neuronales y genéticos que subyacen a la búsqueda de alimento. En combinación con la manipulación optogenética y la imagen funcional, este paradigma presenta un enfoque poderoso y prometedor 20,21,22. Sin embargo, modificar la configuración para la manipulación en tiempo real de la actividad neuronal con optogenética puede ser un desafío. Para monitorear la actividad neuronal en el cerebro mientras una mosca realiza el comportamiento de búsqueda, se necesitará una configuración diferente, como la mosca atada en una pelota de rodadura. Muchos aspectos del comportamiento de búsqueda de alimento, como la regulación de la alimentación y los procesos de toma de decisiones, están muy conservados en todas las especies. Por lo tanto, los conocimientos obtenidos al estudiar los mecanismos neuronales de la búsqueda de alimento en las moscas pueden proporcionar información valiosa sobre procesos similares en otros organismos, incluidos los humanos.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Ravikumar Boyapati por ayudar con la instalación de la arena. Este trabajo está financiado por la subvención de la Alianza Intermedia de la India DBT (número de subvención IA/I/15/2/502074) a P.K. M.S. fue financiado por una beca del Consejo Indio de Investigación Médica (ICMR). A.B. fue financiado por los fondos institucionales NCBS-TIFR (Nº 12P4167) y el Departamento de Energía Atómica del Gobierno de la India (Nº 12-R& D-TFR-5.04-0800 y 12-R& D-TFR-5.04-0900).
2 mL Eppendorf tube | Sigma Aldrich | BR780546 | Used to introduce the fly to the sugar drop |
Agar | SRL | 9002-18-0 | |
Azure lens | https://www.rmaelectronics.com/azure-photonics-azure-1214mm/ | ||
Camera | Logicool, Japan | ||
Corn flour | locally available | ||
Ctrax software | https://ctrax.sourceforge.net/ | ||
D-glucose | SRL | 50-99-7 | |
Flea3 | Sony | https://www.flir.com/products/flea3-usb3/?vertical=machine+vision&segment=iis | |
glass tube | Borosil | Used to house the flies individually | |
Kimwipe | Kimberly-Clark | 34155 | Used to provide access to water for flies during food starvation |
LED light panel | custom-made in the workshop | ||
Light Meter | TENMARS | TM-203 | |
Methyl 4-hydroxybenzoate | Fisher Scientific | 99-76-3 | |
Orthophosphotic acid | SRL | 7664-38-2 | |
Petri dish (90 mm) | Tarsons | 460090 | |
Propionic acid | SRL | 79-09-4 | |
Sucrose | Qualigens | Q28105 | |
Sugar | locally available | ||
VirtualDub | https://www.virtualdub.org/ | ||
White polyvinyl chloride pipe (67 mm inner diameter × 100 mm height) | custom-made in the workshop | ||
Yeast powder | SRL | REF-34266 |