The Proboscis Extension Response (PER) conditioning protocol, developed for the honey bee (Apis mellifera), provides an ecologically-relevant and easily quantifiable means for studying several different mechanisms of learning in many insect species.
昆虫修改他们的反应与生存( 如食物,配偶,威胁)重要事件相关联的刺激体验刺激通过。还有,通过该昆虫学会凸协会和它们涉及这些事件的几个行为机制。重要的是要理解这个行为可塑性的,旨在帮助对昆虫有利于农业的程序是很重要的。这种理解,也可用于发现解决由昆虫作为传病媒介和害虫创建生物医学和农业问题。长鼻扩展响应(PER)的调理方案,开发了蜜蜂( 蜜蜂 )在50年前,研究他们是如何看待和了解花香气味,而信号的花蜜和花粉资源的殖民地需要生存。在每次操作提供了一个强大和易于运用框架学习几种不同的生态有关机甲行为可塑性的共享机制。它是为使用容易适应与其他几种昆虫物种和其他行为的反射。这些协议可以很容易地用在各种装置,用于通过电生理或生物成像监测神经活性在中枢神经系统一起使用,或者用于操纵靶向神经调节途径。它是一个强大的检测快速检测造成的环境压力,毒素或农药的行为亚致死效应。
我们将展示如何在每个协议是简单的实现使用两个程序。一种适合作为实验室练习为学生或对实验性治疗的效果的快速检测。另一个提供更彻底的控制变量,它是行为调节的研究很重要。我们显示如何若干措施的行为反应,从二进制是/否到像延迟和长鼻延伸的持续时间更连续变量可以用来测试hypothese第而且,我们讨论了一些陷阱,当他们使用的程序的第一次,研究人员经常遇到的问题。
许多昆虫了解生态相关的刺激,然后他们改变他们的行为反应的那些刺激,以适应其环境中的新的预测关系。几种不同的机制可以这背后行为可塑性( 例如 ,非关联,关联/巴甫洛夫和操作性/器乐1)。这些类型的可塑性的不同之处是如何刺激或行为都与重要事件,如食品的出现,伴侣,或危险有关。理解这些形式的可塑性是用于基础研究非常重要成神经系统如何变化来编码新的记忆2。这也是理解昆虫是疾病的重要媒介( 如 ,采采蝇和蚊子)和昆虫是农业上重要的适应性行为重要的是,无论是在作物生产(蜜蜂)或害虫。
学习行为可塑性任何阿尼姆人需要实验控制的电平超过了一些变量是不能达到的,在字段1。它要求能更加控制的条件下被使用,但它仍然是相关与在自然条件下的行为健壮调理协议的发展。蜜蜂( 蜜蜂 )是如何开发的协议,用于执行行为可塑性3,4对照分析一个很好的典范。长鼻扩展响应(PER)的蜜蜂是一种自然的行为反射在蜜蜂扩展其长鼻回应触角刺激糖溶液。在正常的觅食行为,每当蜜蜂发现蜜源的花出现。幸运的是,蜜蜂很容易表现在实验室这个简单而容易量化的行为。这使得有可能研究,在受控制的环境,影响这种生态相关的行为5的机制。每CAÑ 还可以调理协议中用于研究不同的处理条件,其目的是为了揭示背后的可塑性6的行为和神经机制的刺激下,知觉,学习与记忆。
由于由桑原7所述第一研究中,每调理已广泛用于揭示非结合,缔合和背后行为可塑性在蜜蜂8操作性的机制。这些机制中的那些相同的自由飞行蜜蜂9的研究显示。不同于自由飞翔蜜蜂的研究,每调理协议可以与电10,11或脑活细胞荧光成像12-14。此外,PER协议允许经由药物或分子遗传学的治疗实验操作的神经通路的测试有关网络的特定组件,例如neur的作用假说omodulators 15,16。市盈率协议也提供了评估的环境条件,以及对健康的毒素和蜜蜂17的觅食效率的亚致死效应的重要途径。
此过程说明了两个并行的气味传递方法。方法1是一个版本的气味和非条件刺激(蔗糖)交付,提供了一个价格低廉,技术简单的方法呈现的气味和蔗糖的奖励。这种方法是很好的基础训练,当自动化是不可能的。这是介绍这种技术到教室或教学实验室的极佳方式。在调理涉及更困难的任务和气味的感知,学习,或存储器的耦合生理评估实验,这是非常重要的,以精确地和精确地调节刺激的发作,持续时间递送定时。对于最可靠的刺激传递,使用自动化的气味交付的手段ND奖励交货的精确方法。方法2采用自动化的气味传递和更精确的蔗糖交付。它在技术上是更复杂的,并且需要更多的初始设置比方法1,但它显著增加用于调节刺激的定时和数量的一致性,应尽可能使用。
该协议提出了使用每次操作空调2可靠的方法。这是两个的几种方法已被成功地应用27,21。我们采用方法2,使用市盈率,因为它是一贯可靠的,甚至可以跨越不同的实验者所有的实验研究。
相同的基本过程已经适应了许多不同种类的研究,蜜蜂,包括使用不同的条件性刺激和不同的行为反射的。它也被链接到的差异的遗传基础的调查,在学习28,29,在大脑13,14,30嗅觉感知和记忆的生理相关因素,以及行为15,16,31的调节和分子遗传学基础。由于嗅觉学习蜜蜂生态相关的先进知识,这在100多年前开始与卡尔·冯·弗里希的首批研究<suP> 31,每结果可以很容易地连接到一个群体的生存需要。最近,已经适于农业研究,以农药和环境毒素17的亚致死行为效应。
基本程序是在于其可应用于研究其他物种的问题,以及强大。两个蛾类, 烟草天蛾和海灰翅夜蛾 ,已经使用的PER的研究来探讨气味的识别和各物种的嗅觉学习能力32,33的神经基础。每实验果蝇提供了许多见解参与chemosensation和学习34的分子信号级联反应。每近来被用来研究习惯的跳蚤(Rhodnius蝽 )35,一个重要的病媒。
在一般情况下,该过程是健壮的变化的方法;采用的Different方法可能会产生治疗组之间相同的相对差异。尽管相对简单的过程,有几个问题可以在时间防止蜜蜂学习的气味蔗糖的关联。下面的主题是可能改变的协议,一些在市盈率空调可能出现的一些常见问题。
数量上的考虑和试验类型的调理协议
学习任何协议都需要蜜蜂暴露了一些在采集阶段的试验。这个数目在很大程度上取决于任务的难度。蜜蜂能学会审单后,一个简单的任务,但他们至少需要三个试验诱发长期记忆的形成。正如所料,蜜蜂需要显著更多的试验,以充分了解一项艰巨的任务。通常,存在试验超出该蜂不再显著提高的最大数目IR的表现。该最大值取决于特定任务时,气味的类型和浓度,以及在蔗糖浓度。
当使用多于一种类型的试验用不同的气味,呈现出不同的试验类型中的伪随机序列,以保持蜜蜂从记忆的气味演示了一个简单序列,而不是学习的气味36之间的差异。在这些伪随机序列,必须有相等数量的试验中对每个气味类型的。此外,一种香型审判的可能性正在前面和后面相同的气味,或其他任何异味,必须等于所有的气味。二气味 – 甲乙 – 使用下面的顺序:ABBABAAB。在八项试验每个气味呈现四倍。串连相同的序列,以达到试验每个气味的期望数目。
无论是实验设计的,也有必须保持一些参数常数以优化学习。 CS和美国之间的重叠是有效的调节至关重要。该试验间隔( 图1,表1)需要是常数并且被优化,因为不规则或太短或太长试验间隔可以显著影响调理方案1的效果。
在行为测试试验中的重要性及设计注意事项
在一个实验中,当CS和美国一起呈现的“采集阶段”记录的反应,可能是有用的。不过,要注意的气味呈现条件不同于一种试验到另一个。在增强试验中,气味接着蔗糖,提出结合视觉刺激(装置移动用于输送蔗糖液滴)可以影响蜜蜂的响应。和蜜蜂只有3秒s到显示的响应(4秒气味刺激减去与蔗糖陈述所述一个秒的重叠, 图1)。如果实验涉及的蜜蜂学习区分2气味( 如钢筋和无钢筋),未增强的气味呈现交替试验时不会奖励呈现的视觉刺激和蜜蜂有整整四秒的时间。因此,应对这两个气味是不是采集过程完全可比。对于任何调理协议,不收购曲线1只依赖。为了更好地确定哪些蜜蜂了解到,推出了一系列的非增强型测试试验,在此期间,没有气味增强,从而确保所有刺激试验时间相同的条件下进行。
根据实验的具体目的,测试可以由经调节的气味或一系列的试验与空调外径的单个试验的试验或或空调,新气味的组合。在空调异味的单个测试试验提供的蜜蜂是否还记得空调异味的简单分析。然而,响应于所述第一测试试验可能反映了蜜蜂动机水平以及对调节后的气味的召回。的一系列测试的实验中,无论是串联的空调气味或一系列的条件和一个或多个新的气味的单一测试的消光的实验中,也可以被用来评估存储器。该系列灭绝试验可以评估的蜜蜂多么强烈还记得空调协会。该召回强更多扑灭条件反应所需的试验。一系列的条件和新的气味单一测试也可以评估的特异性的调节气味的蜜蜂的记忆。
此外,还必须进行调理,同时测试对照和处理组在相同的时间点。对比例空调要保持较长时期的蜜蜂后不久,荷兰国际集团蜜蜂的表现是因为接触到蔗糖美国的蜜蜂喂以饱食的问题。例如,长的时间间隔之后的降低性能可能是由于存储器腐烂,或者它可能是由于由未增强曝光感应与美国变化的激励状态和/或学习,使得结果模棱两可。因此,治疗组的性能应始终判断相对于对照组的空调,并在同一时间点进行测试。
臭气浓度和完整性
有几种方法,其中所述气味(CS)的浓度和完整性可能会受到影响。最普遍的问题与气味递送的气味墨盒耗尽从过度使用( 图2)。更换墨盒10-12用途(每2或3项试验为5蜜蜂组),以避免这一缺陷。同样重要的是使用新鲜的墨盒测试试验,因为用过的碳粉盒可耗尽的差异,因此目前不平等的刺激气味。另一个常见的问题是气味盒污染由于使用盒,一个以上的气味不完全清洁它。脏或被污染的空气流动也无意引入额外的嗅觉刺激(活性炭过滤器可以防止后台污染)。 PER调理与生理反应的气味测量耦合时,这是特别有问题的。漏气味墨盒出现问题,因为蜜蜂暴露于气味试验开始前,从而降低了刺激气味的显着性。在空气供给对气味输送宽松可导致很少或没有气味输送当阀打开时,人为地降低了蜜蜂响应于预定的气味。
蔗糖溶液和非条件刺激(奖励)
在A安装,浓缩,并作为美国的蔗糖溶液的完整性是对实验的成功是至关重要的。调节是作为美国37的量和蔗糖水溶液浓度的函数。在方法2中使用的微米注射器允许非常精确(下降到0.2微升)控制美国的交付,我们建议您使用它们的描述这两种方法。用牙签(方法1)是足够的情况下,其中昂贵的注射器不能用,比如,在训练大群学生,在外地工作,或以较低的预算。认真执行方法1是罚款,只要定时保持着定期更换牙签,避免蔗糖的积累(和交付的浓度)。但是,使用牙签它更难以准确地控制和估计量和美国的幅度传递,其用于调节的研究1重要。蔗糖的所需浓度提供足够的奖励,以保持主动地学习了空调协会可以根据操作任务的难度和蜜蜂的内部状态或一年时间的蜜蜂。更困难的任务需要蜜蜂的成功学习任务更高的蔗糖溶液。即使在5℃的蔗糖溶液模具可累积,这将危及该解决方案的完整性,在实验过程中影响了蜜蜂的健康和感知的奖励。这是最好的替代解决方案,每隔几天。
精密,定时,以及CS和美国交付的一致性
关于正确实施每道工序,或与此有关的任何调理过程中,最关键的问题涉及精度,时间和CS的一致性和美国交付( 图1)。调查谁是新的程序往往是不精确的约交付一个或两个刺激。三军情报局的未能以允许重叠的CS和US导致空调性能不佳。 PLC的自动的可听信号,用于实验者气味输送发病后交付蔗糖3秒。调查人员应持有的蔗糖/水滴接近蜜蜂的信号后,迅速交货。这些程序帮助夹带一致的ISI。通过调节舞台上放置一个秒表,以及允许在审讯方便的时间作为安置之前和分娩的刺激后,监测蜜蜂一次在舞台上。这样的ITI的可以是相对一致的并且整个过程可以在受控的速度下运行。 ITI的过短,例如小于1分钟,或太长会导致空调性能差1。
对蜜蜂业绩的季节性,环境和语境效果
蜜蜂的表现可以用它的周围被显著影响之前和调节过程中。通常情况下,来与四季变化的温度和食物供应的波动会改变蜜蜂的学习动机。当鲜花盛开,蜜蜂的学习动机在实验室条件的关联降低38。当殖民地强调 – 从极端温度,食物短缺,或疾病有关的压力 – 蜜蜂'将显示在他们的学习表现下降。蜜蜂不停地在飞行的房间可以好好学习了一段时间,但有太多的疾病的压力和老化随着时间的推移他们的学习表现。调节过程中的环境还可以降低蜜蜂的表现。任何多余的气味,运动和其他刺激可以从实验的刺激分散的蜂。为了避免这个问题,保持了相当一致,简化的视觉环境。
基因型和经验影响每场演出
<P舱=“jove_content”>蜜蜂工人可以在性能明显不同于任何调理过程由于任务专业化,基因型,或其他环境因素20。因此,标准化,尽可能地,用在一个实验中,以动物的类型,以减少个体间差异是很重要的。在领导的开放式交配女王,这意味着她交配与许多不同的无人驾驶飞机的殖民地,工人将不同的父本基因型。遗传背景可导致感官反应39戏剧性的差异和学习表现29。使用菌落率领皇后工具性从单一的无人机28人工授精精子减少这种个体间差异。以上所述的协议,包括用于从巢入口收集蜜蜂工人的方法。然而,这些蜜蜂彼此在考虑年龄或行为的任务不同。他们可能是年轻(inexperienCED)以上(比较有经验)觅食。他们可能是年轻的蜜蜂使他们的第一个方向飞行。或者,他们可能是守卫的蜜蜂。为了减少变异,标志着具有快干磁漆或标识标签蜜蜂要么因为他们脱颖而出,成为成年人(控制年龄)和/或他们开始觅食(以控制经验)。然后,几天后,收集标记的蜜蜂进行调理。在从事护理工作者的行为可以从蜂巢中的帧进行收集。护理人员可当他们将他们的头到育雏细胞喂养和照顾幼虫内被验明正身。
用处女皇后或无人机每调理
除了 工人蜜蜂,处女蜜蜂蜂王和雄蜂可以很容易调节的市盈率过程的研究旨在发展蜜蜂在不同的学习表现28的遗传线路。处女蜂王应尽快日之后收集安永从化蛹出现,并直接放入约束的线束没有麻醉。从殖民地内育雏梳收集年轻,不成熟的无人机一般都不会主动地学习。之后,他们已经开始交配飞行,无人机很容易了解每任务28。因为他们从配合航班返回,并维持隔夜在一个小笼子中用于饲养女王的殖民地,他们应该被收集。不要试图调节的前一天,以利用它们;他们没有在一夜之间吊带存活良好。一对夫妇的前调理小时的无人机可以从笼子里被收集并放入约束的线束没有麻醉。
结论
此PER程序,在方法的方式,相当于一个起点设计PER实验。最PER协议将要求概述以某种方式来改变的程序来实现的实验和accommodat的具体目标E倍数治疗组。这是很容易实现。然而,正确的实施需要对细节的关注和实践。一旦掌握了它可以是一个功能强大的程序添加为研究工具用于不同的昆虫种类数的基础和应用研究项目。
The authors have nothing to disclose.
(; BH史密斯CO-PIĴTrumble PI)和亚利桑那州立大学的这项研究得到了美国国立卫生研究院从NCRR(R01 RR014166到BHS),美国国立卫生研究院NIDCD(R01 DC011422 BHS的合作,PI),美国农业部门的资金支持。资金的工作坊,以训练学生( 图4的数据)是由智利科学基金会提供的。
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S9378-1KG | |
Odorant compounds (for example): | For additional examples of odorants, see any of the papers on olfactory processing from the Smith lab | ||
1-hexanol | Sigma-Aldrich | 471402-100ML | |
2-octanone | Sigma-Aldrich | W280208-800G-K | |
heptanol | Sigma-Aldrich | 51778-5ML | |
gerianol | Sigma-Aldrich | 163333-25G | |
nonanal | Sigma-Aldrich | 131210-100ML | |
Hexane | Sigma-Aldrich | 296090-1L | |
Heavy Mineral Oil | Sigma-Aldrich | 330760-1L | Make sure it’s odorless |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 459836-1L | |
Scintillation vials | Sigma-Aldrich | Z190535-1PAK | Use a small drill bit to bore a small hole in the cap of the vials |
Bee harness | Custom-made from 0.9 cm diameter plastic soda straws or hard plastic/metal tubing | ||
Duct tape | |||
Kimwipes | Sigma-Aldrich | Z188956-1PAK | |
Wash bottles | Sigma-Aldrich | Z560847-3EA | For the 70% ethanol |
Small fan in mountable housing | |||
Dryer tubing | |||
FOR METHOD 1 ONLY | |||
Name | Company | Catalog Number | Comments |
20 ml disposable plastic syringes | Cole-Parmer | WU-07945-18 | |
15 mm filter paper circles | Sigma-Aldrich | Z274844-1PAK | |
Pushpins | |||
Toothpicks | |||
FOR METHOD 2 ONLY | |||
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Gilmont Micrometer syringe, 0.2 mL | Cole-Parmer | EW-07840-00 | |
Gilmont micrometer syringe tip | Cole-Parmer | EW-07841-00 | |
26G 3/8” Leur hub hypodermic needles | Fisher Scientific | 14-826-10 | |
1cc tuberculin syringes (plastic/glass) | Sigma-Aldrich | Z181641-1EA OR Z192090-200EA | glass tuberculin syringes are available, but plastic syringes are much less expensive and will work well for a limited number of uses |
Small rubber/silicone restrictors | Cole-Parmer | EW-95702-02 | Made from 4.8 mm outer diameter silicone tubing or the rubber tips of the 1 cc syringe plungers |
Parafilm | Sigma-Aldrich | P7793-1EA | |
75 X 100 mm filter paper | Sigma-Aldrich | Z695106-500EA | |
Direct Logic 05 Programmable Logic Controller | Koyo Electronics Industries Co, Ltd | http://www.koyoele.co.jp/ OR english/support/dlc.html#plc | |
1 mm, 4mm & 6 mm inner diameter PVC or silicone tubing | Cole-Parmer | Various | Cole-Parmer has a wide selection of suitable tubing |
Polypropylene connectors & leur fittings | Cole-Parmer | Various | Cole-Parmer has a wide selection of connectors and fittings for many tube sizes |
65-mm Correlated Flowmeter | Cole-Parmer | EW-03216-08 | Aluminum with Glass float; For Liquids and Gases, With Valve |
OR | |||
Tetra Whisper 300 (Tetratek DW96-2) Aquarium Air Pump | Aquacave | AE-TETRA-300 | www.aquacave.com |
LIF series Solenoid Valves for .042 " ID Tubing, Configuration "E" | The Lee Company | LFAA1200118H | Neoprene, 430 SS, 302 SS, 280mWatts http://www.theleeco.com/LEEWEB2.NSF |
PC-Board 12VDC 70dB Piezo Buzzer | RadioShack | 273-074 | www.radioshack.com |