Физиологические и анатомические методы продемонстрировали обратиться функцию и структуру для совместных проприоцепторов и мышечное напряжение рецепторов в ракообразных пешеходных конечностей.
Основная цель этих процедур состоит в демонстрации в учебных и исследовательских целях, как записывать активность живых первичных сенсорных нейронов, ответственных за проприоцепции как они обнаружения совместную позицию и движение, и напряжение мышц. Электрическая активность от ракообразных проприоцепторов и натяжных рецепторов регистрируется основной нейрофизиологической аппаратуры, и датчик использован для одновременного измерения силы, который создается за счет стимулирования моторный нерв. Кроме того, мы показали, как окрасить нейроны для быстрой оценки их анатомического расположения или для постоянной фиксации. Окрашивание выявляет анатомические организацию, которая является представителем хордотональные органов в большинстве ракообразных. Сравнивая напряженность нервные ответы на проприоцептивными ответов является эффективным инструментом обучения в определении того, как эти сенсорные нейроны определяются функционально и как анатомия коррелирует с функцией. Три окрашивания методыпредставлены позволяет исследователям и преподавателям выбрать метод, который идеально подходит для своей лаборатории.
Проприоцепция это ощущение положения конечностей и движения, что позволяет согласованное поведение двигателя. Проприоцепторы состоят из позиции (статической) и движения (кинестетические) рецепторов. У насекомых и ракообразных, хордотональные органы являются структуры, которые обеспечивают эту информацию в ЦНС 1. Не все хордотональные органы охватывают совместное но они все еще могут контролировать совместные движения из-за их привязанности на аподем (сухожилия структур), которые охватывают совместное и двигаться в сотрудничестве с скелетных мышцах и суставах артикуляции. Ножки краба есть шесть суставов, каждый из которых имеет один или два хордотональные органы 2. Обычно хордотональные орган имеет 60-100 или более сенсорных нейронов, встроенные в упругой нити, нейроны, которые сигнализируют статический совместную позицию, направление и скорость движения 3-6. Входной сигнал от хордотональные органов на каждом суставе и ноги затем централизованно обрабатываются позволяя координированные движения от животного.
<p class="jove_content"> Силы, мышцы ног производят во изометрических и изотонических сокращений обнаруживаются рецепторов растяжения, связанных с мышечными волокнами и с вложениями apodemes7-9. В ракообразных протоколов ходьба ног, которые следуют мы представляем методологию для записей из первичных сенсорных нейронов, которые контролируют проприоцепции и нейронов, которые отвечают на сил, возникающих при мышечных волокон. Методика активизации движений ног и количественного поколение сила также представлены, а также анатомические методы, которые могут быть использованы, чтобы характеризовать расположение этих структур периферической нервной системы.Процедуры продемонстрированы ниже включить структурную и функциональную анализ нейронов, которые возбуждают обоих типов рецепторов относительно их расположения на хордотональные упругой нити и аподемой. Чтобы проиллюстрировать это, мы используем проподит-dactylopodite (PD) хордотональные орган, орган, который охватывает дистального наиболее сегмент краба ноги 3.Хотя подробные электрофизиологические исследования начались в 1930 году и до сих пор проводятся сегодня, некоторые аспекты стали известно о сегментных соединений проприоцепторов в различных суставах и их роли в координированного управления muscles10-16. Установление структуры-функции отношения между проприоцептивными органов, мышц и нервной системы в дальнейшем поможет определить эти роли. Например, маркировки somata и дистальных окончаний натяжных нейронов, вставленных в аподемой покажет их расположение относительно мышечных волокон 8,17-21.
Мы представляем три окрашивания методы для ракообразных ног, которые можно использовать в исследовательских и академических лабораторий. Метиленовый синий окрашивание предоставляет случае контрастность мышц и нервов и рекомендуется в качестве простого метода для студентов, чтобы узнать анатомию. Labs, которые имеют флуоресцентной микроскопии установок может достичь более избирательный окрашивание нейронов кратко подвергая нервс до витального красителя 4-ди-2-Asp. Третий вариант CoCl 2 засыпки, которая окрашивает и фиксирует нейронов, и не требует визуализации флуоресценции. Хотя это труд и время интенсивного, этот процесс окрашивания дает высокую контрастность и специфичность для нервов, которые заполнены. Вместе эти методы могут быть использованы для сравнения различных хордотональные органы, не только в конечности или между конечностей, но также и среди других ракообразных и видов насекомых 20-22. Голубые крабы (С. Sapidus), используемые в физиологических записей и для анатомической окрашивания легко доступны все вокруг Южного и Юго-Восточной границы Соединенных Штатов. Этот вид служит представителя хордотональные и натяжных механизмов нервных найти в большинстве крабов. Лаборатории на западном побережье предпочитают использовать гораздо больший Dungeness краба (магистерскую Рак) для этих экспериментов.
Цель этой серии экспериментов является 1) учить и демонстрировать основные принципы внеклеточных записи с идентифицируемым проприоцептивной органа и натяжения нерва и 2) подчеркнуть важность анатомическом отображении по отношению к физиологической функции отдельных сенсорных систем. Этот экспериментальный подход и животные модели используются недорогие и относительно легко провести в нейрофизиологии обучения лабораториях.
Нейроны хордотональные органов бывают двух конкретных функциональных типов, те, которые реагирует на перемещения и те, отвечая на статических позиций. Единичных клеток записи с различными хордотональные органов, не важно, какой сустав рассмотрены, не показали, что это дело 3,5. Действительно, хордотональные органы, связанные с усиков суставах омаров выявить те же два сенсорных Типы и основные анатомии 27. В дополнение к там быть два типа нейронов (движение и Positiна), нейроны и тот же анатомические договоренность о своих эластичных нитей. Большой somata расположен проксимально на нити, как правило, относятся к динамическим движения чувствительных нейронов. Нейроны, которые сигнализируют статические позиции имеют небольшой somata и расположены дистально. Эти клетки монотонно активным. PD совместное содержит только одну хордотональные орган в то время как существует два хордотональные органы в запястьевого-propodus (СР) и Merus-запястья (MC) суставов.
Рассечение выставить проприоцептивные структур в синих крабов (С. Sapidus) для электрофизиологические записи требуется стратегию, которая позволит совместные движения пройдет в естественных позиций при записи с сенсорных нейронов. Нерв напряжение для открывания мышцы в минутах ноге очень тонкая нервная состоит из нескольких нейронов. Если не будут приняты меры, нервное напряжение, а также двигательного нерва, иннервирующих мышцы стимулироваться, могут быть повреждены во время этого рассечения. ДляОптимальные записи всасывающие электроды должны быть адаптированы к размеру нерва. Записи были легко доступны в студенческом лаборатории с использованием 30-40-кратном увеличении рассекает микроскопом и низким уровнем конца микроманипуляторами.
Будущие эксперименты, что бы быть интересными для преследовать с совместными хордотональные органов будет изучить структурные и физиологические профили во время регенерации ноги в различных видов на разных стадиях жизненного цикла, как следовать до первоначального исследования, которое используется Рак Magister 19,26 . Вопросы, которые еще предстоит решить: 1) делает распределение и организация регенерированных нейронов зависит от возраста животного при регенерации конечностей, 2) являются аксонов проекции на ЦНС (брюшной нервной) в регенерации конечностей функциональной или делает это потребует времени и совместное использование с целью установления функциональных связей, и 3), что происходит с отрубленными аксонов проксимальнее аутотомии плоскости, когда конечность AUTOTomized? 28
Ракообразные соответствовать условиям окружающей среды и окружающей их температуры, но непонятно, как они утверждают, координации в рамках нейронной цепи, как нейроны изменяют свою деятельность в ответ на изменения температуры. Медленный темп изменения могут позволить животному некоторое время для акклиматизации в то время как быстрое изменение может not29, 30. Физиологические изменения рН или осмолярности за счет обмена веществ, поведения 31 или воздействия на окружающую среду может представить с аналогичными проблемами в нейронных цепей, участвующих в проприоцепции. Эти ракообразных препараты идеально подходят для решения такого рода проблем, потому что их функция хорошо характеризуется на одном уровне клетки.
В этом протоколе мы продемонстрировали физиологическую важность напряжения нейронов в контроле силы, генерируемой открывани мышцы. Эти рецепторы растяжения можно проследить в их месте в аподемой с помощью процедуры окрашивания. Этинейроны, как у млекопитающих, обнаруживать силу на различных уровнях и набору дополнительных нейронов при увеличении силы. Частота в деятельность связана с частотой стимуляции двигательного нейрона до насыщения в приеме не будет достигнута. Использование быстрый протокол релиз с согнутой Дактилюс сустава, деятельность напряженность быстро исчезает, но затем возвращается на восстановлении напряжения в полностью выдвинутом сустава. Это классический экспериментальная процедура для иллюстрации силы, измеренной напряженности рецепторов. Различные нейромодуляторы могут быть применены к подготовке видеть, как это влияет на развитие силы и нейрональной реакции. Одним из важных аспектов, как нервные отклики обрабатываются и интегрированы в центральной нервной системе и их влияние на активность двигательных нейронов. Методы Мы показали, позволяют приступить к решению более подробную информацию о напряженности (сенсорная) нервно-двигательной функции нейрон цепи, т.е. сигнала в неповрежденной ноги на ганглии и обратнок мышце.
Процедуры окрашивания продемонстрировали являются ключом к пониманию физиологии сенсорных нейронов, которые возбуждают проприоцептивные органы. Анатомический расположение нейронов на основе функции и размера сомы схожи в различных хордотональные органов внутри ножек краба. Не известно, если подобные нейронные механизмы находятся также в других ракообразных и насекомых. Сочетание физиологических записей с отдельных клеток и отображение местоположения позволяет функции прямой структура отношений. Долговременное сохранение анатомической договоренности с CoCl 2 окрашивания и фиксации позволяет повторно сделать меры и оценить структурную компоновку.
Проприоцепция и прием натяжение скелетных мышц являются сенсорные модальности, которые позволяют скоординированные поведения и ответов на внешней и внутренней среды для сочлененных животных в различных скелетных конфигурации мышцс. Мышцы рецепторов органов в брюшной полости раков еще один хорошо документированный подготовка (см. Crawdad проект; http://www.crawdad.cornell.edu/ ) в учебных целях проприоцепции только с двумя нейронами в брюшной геми-сегменте 23 . Возможность записи от отдельных нейронов в сенсорных нервных пучков предоставляет подробную информацию, что помощь в понимании основных принципов сенсорной рецепции. Эти относительно простые ракообразных препараты позволяют решать фундаментальные аспекты проприоцепции и мониторинга напряжения, с потенциалом, чтобы определить нейронных цепей, которые позволяют центральную интеграции проприоцептивными и других сенсорных входов 9-12, 32, 33.
The authors have nothing to disclose.
Авторы выражают благодарность за художественные вкладов Hyewon Купер.
Sylgard | Dow Corning | 182 silicone kit | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C5670 | |
HEPES acid | Sigma | 3375 | Free acid, crystalline |
HEPES base | Sigma | ||
D-Glucose | Sigma | G7021 | |
MgSO4•7H2O | Sigma | M2643 | |
Na2SO4•10H2O | Sigma | 246980 | |
Bouin’s solution fixative | Sigma | HT10-1-32 | Caution: Hazardous material (Special shipping cost required) |
CoCl2 | Sigma | Caution: Hazardous material. Please follow proper disposal according to local and federal regulations. | |
Methylene blue chloride | Matheson Co., Inc | Basic Blue 9, C.I. 52015 | |
4-Di-2-ASP | Molecular Probes | 4-(4-diethylaminostyryl)-N-methylpyridinium iodide | |
Bleach | Sigma-Aldrich | To chloride silver wire | |
NaOH | Sigma-Aldrich | 221465 | To adjust pH |
HCl | Sigma-Aldrich | H1758 | To adjust pH |
Materials | |||
Dissecting tools | World Precision Instruments | assortment | |
Intracellular electrode probe | |||
Faraday cage | |||
Insect Pins | Fine Science Tools, Inc | 26001-60 | |
Dissecting microscope (100X) | |||
Fiber optic lamp | |||
Small adjustable mirror | To direct light beam toward the preparation. | ||
Glass electrodes | Sigma-Aldrich | CLS7095B5X | Box of 200, suction electrodes |
Micromanipulator | World Precision Instruments | MD4-M3-R | Can fix for base or on a metal rod |
Raised preparation stand | |||
Silver wire (10/1,000 inch) | A-M Systems | 782500 | |
Computer | Any company | ||
AC/DC differential amplifier | A-M Systems | Model 3000 | |
PowerLab 26T | AD Instruments | 27T | |
Force transducer | AD Instruments | 0-50g | MLTF050/ST |
Head stage | AD Instruments | Comes with AC/DC amplifier | |
LabChart7 | AD Instruments | ||
Electrical leads | Any company | ||
Glass tools | Make yourself | For manipulating nerves | |
Cable and connectors | Any company | ||
Pipettes with bulbs | Fisher Scientific | 13-711-7 | Box of 500 |
Beakers | Any company | ||
Wax or modeling clay | Any company or local stores | ||
Stimulator | Grass Instruments | SD9 or S88 | |
Plastic tip for suction electrode | Local hardware store (Watt’s brand) | ¼ inch OD x 0.170 inch ID | Cut in small pieces. Pull out over a flame and cut back the tip to the correct size |