Böcekler Adaptif Lokomotor Davranış Sinir Dayanak incelenmesi
Summary
Kaygan bir yüzey üzerinde yürüme, bir gergin böcek elektrikli kaydedildi tarsal kontak sinyali zamanlı motor aktivite, kaydetmek için bir yöntem açıklanmaktadır. Bu yüzey ile bacakları arasındaki mekanik etkileşimi az etkisi altında adaptif davranış nöral temelini çalışmak için kullanılır.
Abstract
Davranış yürüme nöral temeli incelendiğinde, genellikle, bu bacak hareketleri, yüzey ile ortak temas yoluyla diğer bacaklar ile pasif kuvvetleri ve etkileşimleri sonucunda ortaya çıkan neuronally üretilen adım çıkış ayırmak için zor olduğunu sorunu ile karşı karşıyadır. Biz, sinir sistemi motor çıkış, step hareketlerinin kinematik analiz tarafından üretilen belirli bir hareketin parçası, anlamak istiyorsanız, bu nedenle, motor aktivite elektrofizyolojik kayıtlar ile tamamlanması gerekmektedir. Davranıyor hayvan nöronal veya kas aktivitesi kayıt genellikle hayvan mümkün olduğu kadar çok özgürlük derecesi ile hareket kabiliyetini sınırlamak elektrofizyolojik ekipman ile sınırlıdır. Bu implante edilebilir elektrotlar kullanarak ve daha sonra uzun bir halata bağlı olarak hayvan taşımak ya da önlenebilir (yani Clarac ve ark, 1987; Duch & Pflüger, 1995; Böhm ve ark, 1997; Gruhn & Rathmayer, 2002) ya da ileterek telemetrik cihazlar (Fischer ve ark, 1996; Tsuchida ve ark 2004, Hama ve ark, 2007;. Wang ve ark, 2008 Kutsch ve ark, 1993) kullanarak veri. Her ikisi de büyük eklembacaklılar başarıyla kullanılan bu zarif yöntemleri, sık sık veya uzun halata kolayca dolaşmış almak küçük yürüyen böcekler uygulamak için zor veya telemetrik cihazın ağırlığı ve pil tarafından engellenir. Buna ek olarak, tüm bu durumlarda, hareketin tamamen sinirsel temelini ve yüzey yoluyla yürüyüş bacaklar arasındaki mekanik bağlantı tarafından uygulanan etkileri ayırt etmek mümkün değildir. Bu sorun için bir çözüm yerine yürümek ücretsiz ve etkin bir şekilde yere temas mekaniği kaldırır, kaygan bir yüzey üzerinde, örneğin, yerel olarak askıya alınır gergin bir hayvan deneyleri yapmaktır. Bu, geriye yürüme (Graham ve Epstein, 1985) ya da (Gruhn ve ark, 2009a. Tryba ve Ritzman, 2000a, b) çevirerek, kaçış yanıtlar (Camhi ve Levy, 1988 Camhi ve Nolen, 1981) okumak için kullanılır olmuştur hız değişiklikleri (Gruhn ve ark, 2009b) ve deneyci kolayca kinematik analizleri (Gruhn ve ark, 2006) ile intra-ve ekstraselüler fizyolojisi birleştirmek sağlar.
Biz, aşağı dokunma, sağlam ve azaltılmış hazırlıklarında yalındır ve kavisli yürüyüş gibi farklı davranış paradigmalar altında kaldırın göre davranıyor sopa böcek bacak kaslarını zamanlama araştırmak için, kaygan bir yüzey kurulum kullanın.
Protocol
Discussion
Biz sağlayan bir kurulum tarif davranış ve izinlerin büyük ölçüde zemin üzerinde yürüme diğer uzuvların mekanik deplasman neden pasif etkilerinden neuronally yürüme aktivitesinde uncoupling dönüm optik indüklenen nesil. Potansiyel bilgi akışı ile ilgili sinir sistemi aracılığıyla diğer yandan zemin reaksiyon kuvvetleri veya tarsal temas, bacaklarının arasına hala mevcuttur ve deneyci bu bilgilerin etkisi azaltılmış hazırlık dersleri veriyor. Kaygan yüzey kurulum önemli avantajları hayvanların yürümek için çok yüksek bir eğilim ve yürüme veya bir treadwheel atlama aykırı, hayvan, doğal yürüyüş tüm yönlere salıncak ve duruş aşaması hareketleri gerçekleştirebilirsiniz. Buna ek olarak, tüm bacaklar için serbestlik derecesi, hayvan, sağlam ya da yarı-sağlam bir hazırlık olup olmadığını yürüme eğrisi gerçekleştirmek için izin verir. Bacaklar sadece pasif bir hayvan veya substrat altındaki hareketi ileriye doğru hareket tarafından taşındı olamaz, çünkü o bacak motor çıkışı (Graham ve Wendler, 1981 Cruse, 1976), her hareketi yansıtır. Bir bacak hareketi kinematik analizi ile motor aktivite elektrofizyolojik kayıtları birleştirmek için kurulum, dönüm veya ileri vs geriye yürüme olarak uyarlanabilir davranışları nöronal temelini araştırmak için son derece uygundur.
Biz yürüme ortaya çıkarmak için kullanılan sopa böcek optomotor yanıt. Hayvanların dönen şerit deseni yanıtları eğrisi kaygan yüzey üzerinde gergin ise yürüyüş yapmak için hazır olduklarını gösteriyor. En şaşırtıcı durum ise, bizim için tek tek bacak hazırlıkları bacakları sağlam hayvan gibi niteliksel aynı hareketli desen göstermektedir. Biz böylece büyük ölçüde komşu bacak duyusal girdi koordine eğrisi yürüme kontrol işlevi inanmak için neden var. Optomotor desen kaldırılan bacaklarda motor nöronların aktivitesi de etkilenmiş olup olmadığını ileri deneylerde test etmek için önemli olacaktır. Kurulum kolay hayvanın önünde tek bir şerit yerleştirerek veya antenler hafifçe çekerek düz ileri ve geri yürüme gibi diğer görevleri çalışma izin vermek için modifiye edilebilir.
Yere temas hassas ölçüm, kas aktivitesi ve bacak pozisyonu ilişkilendirmek için bize izin verir. Bu elektrik kontak sinyali yüksek zaman çözünürlüğü 1ms daha iyi ve salıncak duruşu faz geçiş zamanlaması yeni bir bakış götürür bizi. Çözünürlüğü, iletken yağ kesme gecikme nedeniyle geçiş salıncak duruşu ve kaygan yüzey protraksiyonuna sırasında tam bir asansör için ihtiyaç olmaması için kötüdür. Bununla birlikte, biz mekanizmaları anlamak istiyorsanız duruşu geçiş için kesin bir salıncak hakkında bilgi özellikle yararlı bir ilk adım olduğunu, farklı davranış bağlamlarda kontrol kas zamanlama ve bacak kaslarını koordineli faaliyetleri (ayrıca bkz: Büschges ve ark, 2008; Büschges & Gruhn 2008).
Örnek olarak, biz orta bacak retraktörü ve iletki coxae kas ve bacak kullanılan davranışsal bağlamda biz aynı anda izlenmekte iken tam salıncak duruşu faz geçişi ile faaliyet korelasyon. Bu amaçla, yürüme kaynaklı ve kas aktivitesi sürekli olarak kaydedildi. Verilen bacak dönüş yönüne bağlı olarak, bir iç ya da dış bacak olabilir. Adım orta bacak, iç bacak gibi fonksiyonel anlamda bir davranan, (Şekil 4 'e bakınız retraktörü ve iletki kaslar, fonksiyonel duruşu kasları olarak her iki çalışma bacak aralıklı olarak ileri doğru adımlara ek olarak, geri adım üretir çünkü gözlenebilir. .)
Hem kasları electromyograms (EMGs) düzeltti ve touch-down zaman ve ilk kas ani gecikme hesaplanan normalize edildi. İlginçtir ki, hem de kasların gecikmeleri saygı ile kaldırın ve dokunmatik ilgili salıncak veya duruş kas (Şekil 4) ve kas kendisi değil, kas fonksiyonu üzerinde bağlı ve sadece küçük değişiklikler gösterir aktivite başlama zamanlaması. Devlet duruşu salıncak değiştirmek için en açıklamalar tarsal kontak tetik duruşu başlamasından bu duyu sinyalleri varsayalım. Touch-down ve sopa böcek kas aktivasyonu arasındaki kısa gecikmeleri ve bunların bağlı duyusal bilgiyi nasıl getirilir ilginç bir soru şimdi değiştirilmiş kurulum ile ele alınabilir.
Özetle, biz, güvenilir bir şekilde sabit sopa böcekler düz ve eğri yürüme ortaya çıkarmak için sağlayan kaygan bir yüzey kurulum göstermektedir. Kinematik, kas aktivitesi ve tarsal dokunmatik aşağı zamanlama ve asansör izlenmeli ve iki farklı davranış c ilişkili olabiliraynı zamanda ontexts. Bu bize sağlam hayvan ve altında yatan mekanizmaları yanı sıra bir tek bacak için detaylı kas aktivite ve davranış bağlamında arasındaki bağlantıyı incelemek için mükemmel bir araç verir.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz Dubbert Michael Oliver Hoffmann, Hans Scharstein, Oca Sydow ve mükemmel teknik yardım için Anne Wosnitza teşekkür ederiz. DFG hibe Bu 857 / 8,10 Bu çalışmada, AB tarafından desteklenen
Materials
| Material Name | Type | Company | Catalogue Number | Comment |
|---|---|---|---|---|
| 2-component epoxy glue | UHU plus, UHU GmbH, Germany | |||
| glass screens (diameter 130mm) | Marata screens, Linos Photonics, Göttingen, Germany | |||
| dental cement | ProTemp II, 3M ESPE, Seefeld, Germany | 3M Id : 70-2011-0358-0 Catalog Number : 46430 | Available through 3M (http://www.3m.com/)or dental suppliers | |
| fluorescent pigments | Dr. Kremer Farbmühle, Aichstetten, Germany | Cat.#s: i.e 56200 Fluorescent Pigment Golden Yellow 56350 Fluorescent Pigment Flame Red |
http://kremer-pigmente.de/en or http://www.kremerpigments.com/ | |
| histoacrylic glue | 3M Vetbond, St.Paul, MN, USA | supplier: WPI | ||
| coated copper wire | Elektrisola Eckernhagen | http://www.elektrisola.com/ | ||
| electrode cream | Marquette Hellige, Freiburg, Germany | Product is now discontinued, we suggest for example: www.grasstechnologies.com | ||
| pulse generator | Model MS501, electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany | |||
| lock-in-amplifier | electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany | |||
| AD converter | Micro 1401k II, CED, Cambridge, UK | |||
| preamplifier | electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany | |||
| high speed video camera | Marlin F-033C, Allied Vision Technologies, Stadtroda, Germany | |||
| UV LED arrays | 30-50V DC, electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany | λ390-395nm Luminance 24cd |
||
| Digitalizing software Spike2 | Vers.5.05, CED, Cambridge, UK | |||
| motion tracking software | (WINanalyze, Vers.1.9, Mikromak service, Berlin, Germany |
References
- Bässler, U., Wegener, U. Motor output of the denervated thoracic ventral nerve cord in the stick insect Carausius morosus. J. Exp. Biol. 105, 127-147 (1983).
- Böhm, H., Messai, E., Heinzel, H. -. G. Activity of command fibres in free-ranging crayfish, Orconectes limosus Raf. Naturwissenschaften. 84, 408-410 (1997).
- Büschges, A., Gruhn, M. Mechanosensory feedback in walking: from joint control to locomotor pattern. Adv.Insect Physiology. 34, 194-234 (2008).
- Büschges, A., Akay, T., JP, G. a. b. r. i. e. l., Schmidt, J. Organizing network action for locomotion: insights from studying insect walking. Brain Res Rev. 57, 162-171 (2008).
- Camhi, J. M., Levy, A. Organization of a complex movement: fixed and variable components of the cockroach escape behavior. J Comp Physiol A. 163, 317-328 (1988).
- Camhi, J. M., Nolen, T. G. Properties of the escape system of cockroaches during walking. J Comp Physiol A. 142, 339-346 (1981).
- Clarac, F., Libersat, F., Pflüger, H. J., Rathmayer, W. Motor pattern analysis in the shore crab (Carcinus maenas) walking freely in water and on land. J Exp Biol. 133, 395-414 (1987).
- Duch, C., Pflüger, H. J. Motor patterns for horizontal and upside down walking and vertical climbing in the locust. J Exp Biol. 198, 1963-1976 (1995).
- Fermi, G., Reichhardt, W. Optomotorische Reaktionen der Fliege Musca domestica. Abhängigkeit der Reaktion von der Wellenlänge, der Geschwindigkeit, dem Kontrast und der mittleren Leuchtdichte bewegter periodischer Muster. Kybernetik. 2, 15-28 (1963).
- Fischer, H., Kautz, H., Kutsch, W. A radiotelemetric 2-channel unit for transmission of muscle potentials during free flight of the desert locust, Schistocerca gregaria. J Neurosci Methods. 64, 39-45 (1996).
- Friza, F. Zur Frage der Färbung und Zeichnung des facettierten Insektenauges. Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 8, 289-336 (1928).
- Götz, K. G. Principles of optomotor reactions in insects. Bibl. Ophthalmol. 82, 251-2559 (1972).
- Gruhn, M., Rathmayer, W. An implantable electrode design for both chronic in vivo nerve recording and axon stimulation in freely behaving crayfish. J Neurosci Methods. 118, 33-40 (2002).
- Gruhn, M., Hoffmann, O., Dübbert, M., Scharstein, H., Büschges, A. Tethered stick insect walking: a modified slippery surface setup with optomotor stimulation and electrical monitoring of tarsal contact. J Neurosci Methods. 158, 195-206 (2006).
- Gruhn, M., Zehl, L., Büschges, A. Straight walking and turning on a slippery surface. J Exp Biol. 212, 194-209 .
- Gruhn, M., Uckermann, G. v. o. n., Westmark, S., Wosnitza, A., Büschges, A., Borgmann, A. Control of stepping velocity in the stick insect Carausius morosus. J Neurophysiol. 102, 1180-1192 .
- Hama, N., Tsuchida, Y., Takahata, M. Behavioral context-dependent modulation of descending statocyst pathways during free walking, as revealed by optical telemetry in crayfish. J Exp Biol. 210, 2199-2211 (2007).
- Hassenstein, B. Über die Wahrnehmung der Bewegung von Figuren und unregelmäβigen Helligkeitsmustern (nach verhaltensphysiologischen Untersuchungen an dem Rüsselkäfer Chlorophanus viridis. Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 40, 556-592 (1958).
- Jander, J. P. . Untersuchungen zum Mechanismus und zur zentralnervösen Steuerung des Kurvenlaufs bei Stabheuschrecken (Carausius morosus) [dissertation]. , (1982).
- Jander, R., Volk-Henrichs, I. Das strauch-spezifische Perzeptorsystem der Stabheuschrecke (Carausius morosus). Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 70, 425-447 (1970).
- Kirschfeld, K., Zettler, F., Weiler, R. The resolution of lens and compound eyes. Neural Principles in Vision. , 354-370 (1976).
- Kutsch, W., Schwarz, G., Fischer, H., Kautz, H. Wireless transmission of muscle potentials during free flight of a locust. J Exp Biol. 185, 367-373 (1993).
- Scharstein, H. A universal projector for optomotor stimulation. , (1985).
- Schlegtendal, A. Beitrag zum Farbensinn der Arthropoden. Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 20, 573-581 .
- Schmidt, J., Grund, M. Rhythmic activity in a motor axon induced by axotomy. Neuroreport. 14, 1267-1271 (2003).
- Shankar, P. N., Kumar, M. Experimental Determination of the Kinematic Viscosity of Glycerol-Water Mixtures. Proc. Mathematical and Physical Sci. 444, 573-581 (1994).
- Tryba, A. K., Ritzmann, R. E. Multi-Joint coordination during walking and foothold searching in the Blaberus cockroach I. Kinematics and electromyograms. J Neurophysiol. 83, 3323-3336 .
- Tryba, A. K., Ritzmann, R. E. Multi-Joint coordination during walking and foothold searching in the Blaberus cockroach. II. Extensor motor neuron pattern. J Neurophysiol. 83, 3337-3350 .
- Tsuchida, Y., Hama, N., Takahata, M. An optical telemetry system for underwater recording of electromyogram and neuronal activity from non-tethered crayfish. J Neurosci Methods. 137, 103-109 (2004).
- Wang, H., Ando, N., Kanzaki, R. Active control of free flight maneuvers in a hawkmoth, Agrius convolvuli. J Exp Biol. 211, 423-432 (2008).
