تتبع سلوك البحث المحلي المستحث بالسكر في ذبابة الفاكهة
概要
يصف هذا البروتوكول مقايسة سلوكية لتسجيل سلوك البحث المستحث بالسكر باستخدام ذبابة الفاكهة الميلانوجاستر. يمكن استخدام الفحص لدراسة السلوكيات المتعلقة بالتغذية والبحث عن الطعام ، بالإضافة إلى الآليات العصبية الأساسية.
Abstract
يعد سلوك البحث عن الطعام ضروريا لبقاء الكائنات الحية لأنه يمكنها من تحديد الموارد الغذائية الأساسية والحصول عليها. في ذبابة الفاكهة ، يؤدي الجوع إلى سلوك بحث مميز بعد استهلاك كميات صغيرة من محلول السكر. يقدم هذا التقرير إعدادا تجريبيا بسيطا لدراسة سلوك البحث المستحث بالسكر بهدف الكشف عن الآليات الأساسية. تثير الكميات الدقيقة من محلول السكر المركز سلوك بحث مستمر في الذباب. تم تأسيس مشاركة تكامل المسار في هذا السلوك ، حيث يستخدم الذباب مساره للعودة إلى موقع السكر. تقدم أحدث النتائج دليلا على التعديل الزمني في بدء وشدة سلوك البحث بعد تناول السكر. لقد استخدمنا هذا الإعداد أيضا للتنشيط الاصطناعي للخلايا العصبية مستقبلات الذوق المحددة في البلعوم ، مما يثير سلوك البحث. تقدم مجموعة أدوات علم الوراثة العصبية ذبابة الفاكهة مجموعة متنوعة من الأدوات والتقنيات التي يمكن دمجها مع نموذج سلوك البحث المستحث بالسكر لدراسة الآليات العصبية والجينية الكامنة وراء البحث عن الطعام. يساهم فهم الأساس العصبي لسلوك البحث المدفوع بالجوع في الذباب في مجال علم الأعصاب ككل ، مما يوفر نظرة ثاقبة للآليات التنظيمية التي تحكم سلوكيات التغذية ليس فقط في الكائنات الحية الأخرى ولكن أيضا في البشر.
Introduction
سلوك البحث عن الغذاء والبحث عن الطعام هو استراتيجية أساسية للبقاء على قيد الحياة تظهرها الكائنات الحية عبر الأصناف. تم تحديد نوعين من سلوكيات البحث عن الطعام في الحشرات: البحث الناجم عن الجوع عن الطعام والبحث المحلي بعدالوجبة 1. عند الجوع ، تعتمد الحشرات على الإشارات الحسية لتحديد مصادر الغذاء. عند مواجهة واستهلاك رقعة طعام صغيرة ، يبدأون سلوك بحث محلي يتميز بمسارات معقدة ويدور حول موقع الطعام.
تمت دراسة سلوك البحث المستحث بالسكر ، وهو شكل معين من أشكال البحث المحلي ، لأول مرة منذ أكثر من 60 عاما ، من قبل عالم الأحياء الأمريكي فنسنت ديتييه في الذباب2. عندما يتضور جوعا ، يتم تقديم الذباب بكمية صغيرة من السكر بحيث لا يشبعهم ، ويبدأون بحثا محليا. يتميز سلوك البحث النموذجي بالمشي المتعرج للغاية مع انخفاض الحركة ومعدل الدوران المرتفع والعودة إلى موقع انخفاض السكر. وقد بحثت الدراسات اللاحقة في هذا السلوك في ذباب المنزل وذباب الفاكهة3،4. يتم تنظيم بدء البحث وكثافته ومدته من خلال الحالة الداخلية للحيوان (على سبيل المثال ، الحرمان والتحفيز) بالإضافة إلى العوامل الخارجية مثل توافر الموارد والجودة1،5،6.
زودت التطورات في تقنيات التتبع الباحثين بأدوات قيمة لالتقاط وتحليل السلوك داخل الساحات الخاضعة للرقابة. هنا ، نقدم نموذجا سلوكيا لتتبع الذباب الذي يمشي بحرية بعد تناول السكر. يتيح هذا الإعداد البسيط دراسة سلوك البحث المستحث بالسكر في ذبابة الفاكهة من خلال التقاط وتحليل حركة الذبابة استجابة لمحلول السكر المركز الموجود في الساحة. باستخدام تقنية التتبع المتقدمة وتقنيات تحليل البيانات ، تم بنجاح تحديد الأنماط الحركية والاستكشاف المكاني وديناميكيات الاستجابة لمحفزات السكر.
باستخدام هذا الفحص ، ثبت تجريبيا أن البحث المستحث بالسكر يتضمن استخدام تكامل المسار ويمكن فصله مكانيا وزمانيا عن تناول السكر 7,8. علاوة على ذلك ، فقد ثبت أن السلوك يمكن أن يحدث عن طريق تنشيط الخلايا العصبية طعم البلعوم9. تظهر النتائج الحديثة أن تحفيز السكر ليس آلية إطلاق فطرية ولكنه أيضا تعديلي ، ويتحكم في بدء السلوك مؤقتا8. باستخدام هذا النموذج ، درسنا أيضا هذا السلوك في نحل العسل (Apis mellifera)7,8.
الهدف النهائي من هذا البحث هو كشف الدوائر العصبية والمكونات الجينية الجديدة المشاركة في تنظيم سلوك البحث من خلال التلاعب الجيني المستهدف وتقنيات التصوير العصبي. أثبتت سلوكيات البحث عن الطعام أنها نماذج تجريبية فعالة للغاية لدراسة الملاحة والذاكرة المكانية في الحشرات. توفر هذه السلوكيات فرصة فريدة للتحقيق في الإدراك الحسي وعمليات صنع القرار والتنسيق الحركي الذي ينطوي عليه البحث عن مصادر غذائية مجزية في الذباب. بالإضافة إلى ذلك ، فإن نتائج هذه الدراسات لها آثار أوسع على فهم سلوكيات التغذية في الكائنات الحية الأخرى ، بما في ذلك البشر ، حيث يتم الحفاظ على العديد من الآليات الوراثية والعصبية الأساسية تطوريا. يرتبط عدم تنظيم سلوكيات التغذية باضطرابات عصبية واستقلابية مختلفة10. لذلك ، قد توفر الآليات العصبية والجينية الكامنة وراء سلوك البحث في الذباب طرقا جديدة لفهم هذه التحديات المعقدة المتعلقة بصحة الإنسان وربما معالجتها.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقدم الدراسة الحالية نموذجا مباشرا للتحقيق في سلوك البحث المستحث بالسكر في ذبابة الفاكهة ، والذي وصفه ديتيير2 لأول مرة. يسمح هذا السلوك الفطري للذباب بالانخراط في بحث محلي عن موارد غذائية إضافية بعد مواجهة مكافأة غذائية. الجانب الأكثر أهمية في البروتوكول التجريبي ينطوي على تحفيز الذباب بشكل مناسب. أولا ، يجب أن يكون الذباب في حالة جوع ، بعد أن حرم من الطعام بينما لا يزال لديه إمكانية الوصول إلى الماء ، لضمان تناول السكر. من أجل الحصول على حالة الجوع الموحدة عبر التجارب التجريبية ، تم استخدام المدة التي يعيش فيها 90٪ من السكان كفترة جوع. بشكل حاسم ، يتطلب تحريض استجابة البحث بعد التغذية توفير حافز غذائي ذي جودة كافية ولكنه ليس كافيا لإشباع الذباب بالكامل. لذلك ، قد يكون توحيد تركيز وكمية السكر ومدة الجوع مضيعة للوقت ولكنه ضروري لسلوك قوي وموثوق.
في هذه الدراسة ، تم استخدام محلول سكروز 500 mM ، 0.2 μL كحافز للذباب الجائع. يثير تناول السكر سلوك بحث محلي مميز يتميز بزيادة سلوك الدوران والعوائد المتكررة إلى موقع انخفاض السكر (الفيديو 1). على العكس من ذلك ، فإن الذباب الجائع الذي لا يتم تزويده بأي سكر يفشل في إظهار استجابة البحث. والجدير بالذكر أن جميع المعلمات المتعلقة بالسلوك بما في ذلك طول المسار ووقت البقاء والتعرج وعدد العوائد كانت أقل بكثير في الذباب غير المغذي. لقد أثبتنا سابقا أن ابتلاع الماء وحده لا يثير استجابة بحث9.
يوفر هذا الإعداد نهجا فعالا من حيث التكلفة ومنخفض الصيانة لدراسة هذا السلوك الفطري. بينما يتم استخدام ساحة الإضاءة الخلفية في هذه الدراسة ، يمكن أيضا استخدام الإضاءة العلوية طالما أن هناك تباينا كافيا بين الذبابة والخلفية. يعتمد برنامج التتبع المستخدم على اكتشاف حركة الذباب على خلفية ثابتة13. يمكن ضبط إعدادات الكاميرا والدقة بناء على مقياس السلوك المحدد قيد التحقيق. الأهم من ذلك ، أن هذه المنهجية تمكن من دراسة المكونات المختلفة لسلوك البحث عن الطعام ، بما في ذلك الاهتمام الحسي أثناء البحث عن الطعام ، والمشاركة الغذائية والتغذية ، والتحكم الحركي في البحث ، وعمليات صنع القرار المرتبطة بالاستغلال والاستكشاف ، من بين أمور أخرى. علاوة على ذلك ، يسهل هذا النموذج التحقيق في البحث المحلي ، وهو سلوك يتم ملاحظته بشكل شائع عبر الأصناف المتنوعة في سياقات بيئية مختلفة6. دراسة هذا السلوك في ذبابة الفاكهة ، يفتح سبلا للبحث العلمي الذي يهدف إلى فهم المسارات العصبية التي ينطوي عليها البحث عن الطعام. لقد درسنا البحث المحلي في نحل العسل وأظهرنا أن السلوك يشبه الذباب 7,8.
أظهرت الدراسات الحديثة أن سلوك البحث المحلي يمكن أن يحدث عن طريق التنشيط البصري الجيني لمختلف الخلايا العصبية الحسية للسكر في الذباب14،15،16. ومع ذلك ، لا يزال من غير الواضح إلى أي مدى تمثل عمليات البحث المحلية التي لوحظت في هذه الدراسات بدقة السلوك الطبيعي للذباب استجابة لتناول السكر الفعلي. يتم تنظيم سلوك التغذية بإحكام في الذباب ، وتشير هذه النتائج إلى أن تنشيط مستقبلات السكر البلعومية يبدأ سلوك البحث. حس طعم الرصغ مسؤول عن اكتشاف السكر وتحفيز منعكس تمديد خرطوم ، بينما تحدد الخلايا العصبية لطعم البلعوم ما إذا كان يجب أن تستمر التغذية17,18. بمجرد تناوله ، ينتقل محلول السكر عبر المريء إلى البروفنتريكولوس ويدخل المحصول ، مع مراقبة توسعه بواسطة عصب متكرر19. بالإضافة إلى ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن بعض الدراسات المذكورة أعلاه تضمنت تسخير أو حبس الذباب ، في حين أن هذه الطريقة تسمح للحيوانات بالمشي بحرية طوال التجربة. كان الذباب في تجاربنا متحمسا بما فيه الكفاية للبقاء والبحث داخل الساحة دون فرض غطاء.
إن فهم التفاعل المعقد بين المسارات العصبية والعوامل الوراثية والإشارات البيئية التي تحكم سلوك البحث في الذباب يمكن أن يلقي الضوء على المبادئ الأساسية لمعالجة المعلومات والتعلم وتكوين الذاكرة. علاوة على ذلك ، فإن عدم تنظيم سلوك البحث عن الطعام متورط في العديد من الاضطرابات البشرية ، بما في ذلك اضطرابات الأكل والسمنة. توفر المجموعة الواسعة من الأدوات الوراثية العصبية المتوفرة في ذبابة الفاكهة موردا قيما للتحقيق في سلوك البحث المستحث بالسكر وكشف الآليات العصبية والجينية الكامنة وراء البحث عن الطعام. بالاقتران مع التلاعب البصري والتصوير الوظيفي ، يقدم هذا النموذج نهجا قويا وواعدا20،21،22. ومع ذلك ، قد يكون تعديل الإعداد للتلاعب في الوقت الفعلي للنشاط العصبي باستخدام علم البصريات الوراثي أمرا صعبا. لمراقبة النشاط العصبي في الدماغ أثناء قيام الذبابة بسلوك البحث ، ستكون هناك حاجة إلى إعداد مختلف مثل الذبابة المربوطة على كرة مداس. يتم الحفاظ على العديد من جوانب سلوك البحث عن الطعام ، مثل تنظيم التغذية وعمليات صنع القرار ، بشكل كبير عبر الأنواع. لذلك ، يمكن أن توفر الأفكار المكتسبة من دراسة الآليات العصبية للبحث عن الطعام في الذباب رؤى قيمة حول عمليات مماثلة في الكائنات الحية الأخرى ، بما في ذلك البشر.
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر رافيكومار بوياباتي على المساعدة في إعداد الساحة. يتم تمويل هذا العمل من قبل منحة Wellcome Trust DBT Intermediate India Alliance (رقم المنحة IA / I / 15/2/502074) إلى P.K. M.S. تم تمويله من خلال زمالة من قبل المجلس الهندي للبحوث الطبية (ICMR). تم تمويل AB من قبل الصناديق المؤسسية NCBS-TIFR (رقم 12P4167) ووزارة الطاقة الذرية ، حكومة الهند (رقم 12-R & D-TFR-5.04-0800 و 12-R & D-TFR-5.04-0900).
Materials
| 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 |
参考文献
- Jander, R. Ecological aspects of spatial orientation. Annu Rev Ecol Evol Syst. 6 (1), 171-188 (1975).
- Dethier, V. G. Communication by insects: Physiology of dancing. Science. 125 (3243), 331-336 (1957).
- White, J., Tobin, T. R., Bell, W. J. Local search in the housefly Musca domestica after feeding on sucrose. J. Insect Physiol. 30 (6), 477-487 (1984).
- Bell, W. J., Cathy, T., Roggero, R. J., Kipp, L. R., Tobin, T. R. Sucrose stimulated searching behaviour of Drosophila melanogaster in a uniform habitat: modulation by period of deprivation. Animal Behav. 33, 436-448 (1985).
- Dethier, V. G. Microscopic Brains. Science. 143 (3611), 1138-1145 (1964).
- Bell, W. J. Searching behavior patterns in insects. Annu Rev Entomol. 35 (1), 447-467 (1990).
- Brockmann, A., et al. Sugar intake elicits intelligent searching behavior in flies and honey bees. Front Behav Neurosci. 12, 280 (2018).
- Shakeel, M., Brockmann, A. Temporal effects of sugar intake on fly local search and honey bee dance behaviour. J Comp Physiol A Neuroethol Sens Neural Behav Physiol. , (2023).
- Murata, S., Brockmann, A., Tanimura, T. Pharyngeal stimulation with sugar triggers local searching behavior in Drosophila. J Exp Biol. 220 (Pt 8), 3231-3237 (2017).
- Nishijo, H., Ono, T. Neural mechanisms of feeding behavior and its disorders new insights into metabolic syndrome. IntechOpen. , (2021).
- Carvalho, G. B., Kapahi, P., Anderson, D. J., Benzer, S. Allocrine modulation of feeding behavior by the sex peptide of Drosophila. Curr Biol. 16 (7), 692-696 (2006).
- Xu, K., Zheng, X., Sehgal, A. Regulation of feeding and metabolism by neuronal and peripheral clocks in Drosophila. Cell Metab. 8 (4), 289-300 (2008).
- Branson, K., Robie, A. A., Bender, J., Perona, P., Dickinson, M. H. High-throughput ethomics in large groups of Drosophila. Nat Methods. 6 (6), 451-457 (2009).
- Corfas, R. A., Sharma, T., Dickinson, M. H. Diverse food-sensing neurons trigger idiothetic local search in Drosophila. Curr Biol. 29 (10), 1660-1668.e4 (2019).
- Behbahani, A. H., Palmer, E. H., Corfas, R. A., Dickinson, M. H. Drosophila re-zero their path integrator at the center of a fictive food patch. Curr Biol. 31 (20), 4534-4546.e5 (2021).
- Titova, A. V., et al. Displacement experiments provide evidence for path integration in Drosophila. J Exp Biol. 226 (12), jeb245289 (2023).
- Stocker, R. F. The organization of the chemosensory system in Drosophila melanogaster: a review. Cell Tissue Res. 275 (1), 3-26 (1994).
- LeDue, E. E., Chen, Y. C., Jung, A. Y., Dahanukar, A., Gordon, M. D. Pharyngeal sense organs drive robust sugar consumption in Drosophila. Nat Commun. 6, 6667 (2015).
- Gelperin, A. Abdominal sensory neurons providing negative feedback to the feeding behavior of the blowfly. Zeitschrift für vergleichende Physiologie. 72 (1), 17-31 (1971).
- Simpson, J. H., Looger, L. L. Functional imaging and optogenetics in Drosophila. 遺伝学. 208 (4), 1291-1309 (2018).
- DeAngelis, B. D., Zavatone-Veth, J. A., Gonzalez-Suarez, A. D., Clark, D. A. Spatiotemporally precise optogenetic activation of sensory neurons in freely walking Drosophila. Elife. 9, e54183 (2020).
- Grover, D., Katsuki, T., Li, J., Dawkins, T. J., Greenspan, R. J. Imaging brain activity during complex social behaviors in Drosophila with Flyception2. Nat Commun. 11 (1), 623 (2020).
