Summary

Neurofarmakologiska Manipulering av återhållsamma och friflygande honungsbin,<em> Apis mellifera</em

Published: November 26, 2016
doi:

Summary

Detta manuskript beskriver flera protokoll för administrering av farmakologiska medel till honungsbin, inklusive enkla icke-invasiva metoder för fritt flygande bin, samt mer invasiva varianter som gör exakt lokaliserad behandling av återhållen bin.

Abstract

Honungsbin visar häpnadsväckande inlärningsförmåga och avancerad socialt beteende och kommunikation. Dessutom är deras hjärna liten, lätt att visualisera och att studera. Därför har bin länge varit en gynnad modell bland neurobiologists och neuroethologists för att studera neurala grunden för social och naturliga beteende. Det är dock viktigt att de experimentella tekniker som används för att studera bin inte stör de beteenden som studeras. På grund av detta har det varit nödvändigt att utveckla en rad tekniker för farmakologisk manipulation av honungsbin. I denna uppsats visar vi metoder för behandling av återhållen eller fritt flygande honungsbin med ett brett spektrum av farmakologiska medel. Dessa inkluderar både icke-invasiva metoder såsom orala och utvärtes behandlingar, liksom mer invasiva metoder som möjliggör exakt drug delivery antingen systemisk eller lokal mode. Slutligen, vi diskutera fördelar och nackdelar med varje metod och beskrivagemensamma hinder och hur man bäst övervinna dem. Vi avslutar med en diskussion om vikten av att anpassa den experimentella metoden till de biologiska frågor snarare än tvärtom.

Introduction

Eftersom Karl von Frisch klar sin dans språk 1, har honungsbin förblivit en populär studie art för forskare i djurens beteende och neurobiologi. Under de senaste åren en myriad av nya discipliner har dykt upp i skärningspunkten mellan dessa två områden, och flera andra discipliner (t.ex., molekylärbiologi, genomik och datavetenskap) har uppstått vid sidan av dem. Detta har lett till en snabb utveckling av nya teorier och modeller för att förstå hur beteende är resultatet av aktivitet i nervsystemet. På grund av den unika livsstil, rika beteenderepertoar och enkel experimentell och farmakologisk manipulation, har bin kvar i spetsen för denna revolution.

Honungsbin används för att studera grundläggande neurobiologiska frågor som de underliggande inlärning och minne 2,3, beslutsfattande 4, lukt 5, eller visuell bearbetning sex. Under de senaste åren, HONey bee har även använts som en modell för att studera ämnen i allmänhet reserverade för medicinsk forskning, såsom effekterna av beroendeframkallande droger 7 11, sova 12, åldrande 13 eller de mekanismer som ligger till grund för anestesi 14.

Till skillnad från de klassiska genetiska modellorganismer (t.ex. D. melanogaster, C. elegans, M. musculus), det finns mycket få genetiska verktyg för att manipulera neurala funktioner i honungsbin, även om detta är närvarande förändras 15. I stället har honungsbiet studier främst förlitat sig på farmakologiska manipulationer. Detta har varit mycket framgångsrik; dock, är den mångfald av bee forskning så att en rad metoder för farmakologisk administration behövs. Forskning med honungsbin behandlar vitt skilda frågor, studeras av forskare från olika discipliner och bakgrunder, och använder en mängd olika experimentella metoder. många research frågor kräver bin till antingen fritt flygande, fritt interagera i sin koloni, eller båda. Detta kan göra det svårt att hålla reda på enskilda försöksdjur, och gör återhållsamhet eller kanyle omöjligt.

För att tillgodose de olika honungsbiet forskning behövs ett flertal drug delivery-metoder, vilket möjliggör robust och flexibel administration samtidigt som den farmakokinetiska och farmakodynamiska profilerna, invasivitet av metoden och dess tillförlitlighet, passa paradigm i fråga. På grund av dessa olika behov, har de flesta forskargrupper utvecklat sina egna unika läkemedelsadministreringsmetoder. Hittills har detta varit en styrka av biet forskarsamhället; Det har lett till utvecklingen av uppsättningar av metoder som gör det möjligt för administration av samma läkemedel i olika situationer. Vårt mål är inte att utveckla en enda standardiserad metod för farmakologiska manipulationer av bin, utan snarare att belysa metoder somhar visat sig vara särskilt framgångsrik, och hjälpa forskare antar dessa. Vi diskuterar de grundläggande principerna för hur de fungerar, samt deras fördelar och nackdelar.

Protocol

1. Drug Administration för utnyttjas bin oral behandling Förbereda 1,5 M sackaroslösning genom blandning av 257 g sackaros med 500 ml vatten (det är lättare att lösa upp denna mängd sackaros i kokande vatten). Lagra sackaroslösning vid 4 ° C fram till användning. OBS: Sucrose lösning ger en mycket gästfri miljö för vissa mikroorganismer, och därmed lätt blir förorenat och obehagliga för bin. Bulk sackaroslösning kan alikvoter och lagrades vid -20 ° C fram t…

Representative Results

Ett urval av representativa resultat för de metoder som beskrivits ovan visas, i första hand för att visa att metoderna tillåter farmakologiska medel för att nå hjärnan och påverka honungsbiet beteende. Specifika effekter på hjärnprocesser kan lätt erhållas efter bröstkorgen injektion. Eftersom farmakologiska medel injiceras genom bröstkorgen kan verka p?…

Discussion

De metoder som beskrivs ovan tillåter enkelt, effektivt och robust behandling av antingen fritt flygande eller bör tas i bruk honungsbin. Dessa metoder är kompatibla med många experimentella paradigm och biologiska frågor (tabell 1). Alla de fritt flygande metoder kan lätt appliceras på bör tas i bruk bin. Det omvända är mindre framgångsrik, men eftersom tillfälliga återhållsamhet och invasiva behandlingsmetoder ofta kan äventyra binas flygande förmåga.

Meto…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This project was funded by ARC grant DP0986021 and NHMRC grant 585442. ABB is supported by an ARC Future Fellowship (FT140100452). JAP is supported by an iMQRES scholarship awarded by Macquarie University and by a DAAD-Doktorandenstipendium awarded by the German Academic Exchange Service. JMD is supported by CNRS and University Paul Sabatier.

Materials

Sucrose Sigma-Aldrich S8501 Any supplier will do
Sodium Chloride Sigma-Aldrich S7653
Potassium Chloride Sigma-Aldrich P9333 
Magnesium Chloride hexahydrate Sigma-Aldrich M2670
Calcium Chloride dihydrate Sigma-Aldrich C8106
Dextrose monohydrate Sigma-Aldrich 49159
Phosphate Buffer Saline (PBS) Sigma-Aldrich P4417
Protection Wax Dentaurum 124-305-00
HEPES Sigma-Aldrich H3375
dimethylformamide Sigma-Aldrich D4551
95% Ethanol Sigma-Aldrich 493511
Glass capillary WPI 1B100F-3
23 G NanoFil needle WPI NF33BV-2
Very fine forsceps Dumont 0208-55-PO
Electrode puller SRI 2001
FemtoJet Microinjector Eppendorf 5247 000.01
Eicosane Sigma-Aldrich 219274
manual micromanipulator Brinkmann Instrumentenbau MM-33
electronic micromanipulator Luigs & Neumann Feinmechanik + Elektortechnik Junior unit XYZ
stereomicroscope Leica M80
soldering iron Weller WESD51
Dextran, Alexa Fluor 546, 10000 MW ThermoFisher Scientific D-22911
Dextran, Alexa Fluor 568, 10000 MW ThermoFisher Scientific D-22912
small Petri dish Sigma-Aldrich P5481
mineral oil Sigma-Aldrich M5904
50 mL Centrifuge tube ThermoFisher Scientific 339652
forceps Australian Entomological Supplies
Blade holder and breaker Australian Entomological Supplies E130
Feather double edged razor blade ThermoFisher Scientific 50-949-135
Nichrome wire Any supplier will do
Electrical wires Any supplier will do
Model paint Tamiya USA Depends on colour
Repeating dispenser Hamilton company PB-600-1
Glass syringe WPI NANOFIL
flourescence viewing system Nightsea SFR-GR
graticule ProSciTech S8014-24
microcapillary with holder Drummond 1-000-0010
Liquid silicone Any supplier will do
Thermocouple Digitech QM-1324
Micropipette Eppendorf

Referências

  1. Frisch, K. .. . v. o. n. . B. e. e. s. . Their Vision, Chemical Senses, and Language. , (1971).
  2. Giurfa, M. The amazing mini-brain: lessons from a honey bee. Bee World. 84 (1), 5-18 (2003).
  3. Giurfa, M. Behavioral and neural analysis of associative learning in the honeybee: a taste from the magic well. J. Comp. Physiol. 193 (8), 801-824 (2007).
  4. Perry, C. J., Barron, A. B. Honey bees selectively avoid difficult choices. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110 (47), 19155-19159 (2013).
  5. Giurfa, M., Sandoz, J. -. C. Invertebrate learning and memory: Fifty years of olfactory conditioning of the proboscis extension response in honeybees. Learn. Mem. 19 (2), 54-66 (2012).
  6. Srinivasan, M. V. Honey bees as a model for vision, perception, and cognition. Annu. Rev. Entomol. 55, 267-284 (2010).
  7. Søvik, E., Cornish, J. L., Barron, A. B. Cocaine tolerance in honey bees. PLoS One. 8 (5), e64920 (2013).
  8. Søvik, E., Barron, A. B. Invertebrate models in addiction research. Brain. Behav. Evol. 82 (3), 153-165 (2013).
  9. Søvik, E. . Reward processing and responses to drugs of abuse in the honey bee, Apis mellifera. , (2013).
  10. Søvik, E., Even, N., Radford, C. W., Barron, A. B. Cocaine affects foraging behaviour and biogenic amine modulated behavioural reflexes in honey bees. Peer J. 2, e662 (2014).
  11. Abramson, C. I., Stone, S. M., et al. The development of an ethanol model using social insects I: behavior studies of the honey bee (Apis mellifera L.). Alcohol. Clin. Exp. Res. 24, 1153-1166 (2000).
  12. Sauer, S., Kinkelin, M., Herrmann, E., Kaiser, W. The dynamics of sleep-like behaviour in honey bees. J. Comp. Physiol. A Neuroethol. Sensory, Neural, Behav. Physiol. 189 (8), 599-607 (2003).
  13. Münch, D., Kreibich, C. D., Amdam, G. V. Aging and its modulation in a long-lived worker caste of the honey bee. J. Exp. Biol. 216 (Pt 9), 1638-1649 (2013).
  14. Cheeseman, J. F., Winnebeck, E. C., et al. General anesthesia alters time perception by phase shifting the circadian clock. Proc. Natl. Acad. Sci. , (2012).
  15. Schulte, C., Theilenberg, E., Müller-Borg, M., Gempe, T., Beye, M. Highly efficient integration and expression of piggyBac-derived cassettes in the honeybee (Apis mellifera). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111 (24), 9003-9008 (2014).
  16. Felsenberg, J., Gehring, K. B., Antemann, V., Eisenhardt, D. Behavioural pharmacology in classical conditioning of the proboscis extension response in honeybees (Apis mellifera). J. Vis. Exp. (47), e2282 (2011).
  17. Burger, H., Ayasse, M., Dötterl, S., Kreissl, S., Galizia, C. G. Perception of floral volatiles involved in host-plant finding behaviour: Comparison of a bee specialist and generalist. J. Comp. Physiol. A Neuroethol. Sensory, Neural, Behav. Physiol. 199 (9), 751-761 (2013).
  18. Pan, K. C., Goodman, L. J. Ocellar projections within the central nervous system of the worker honey bee, Apis mellifera. Cell Tissue Res. 176 (4), 505-527 (1977).
  19. Ito, K., Shinomiya, K., et al. A systematic nomenclature for the insect brain. Neuron. 81, 755-765 (2014).
  20. Bitterman, M. E., Menzel, R., Fietz, A., Schäfer, S. Classical conditioning of proboscis extension in honeybees (Apis mellifera). J. Comp. Psychol. 97 (2), 107-119 (1983).
  21. Barron, A. B., Robinson, G. E. Selective modulation of task performance by octopamine in honey bee (Apis mellifera) division of labour. J. Comp. Physiol. A Neuroethol. Sens. Neural. Behav. Physiol. 191 (7), 659-668 (2005).
  22. Schulz, D. J., Sullivan, J. P., Robinson, G. E. Juvenile Hormone and Octopamine in the Regulation of Division of Labor in Honey Bee Colonies. Horm. Behav. 42 (2), 222-231 (2002).
  23. Schulz, D. J., Elekonich, M. M., Robinson, G. E. Biogenic amines in the antennal lobes and the initiation and maintenance of foraging behavior in honey bees. J. Neurobiol. 54 (2), 406-416 (2003).
  24. Barron, A. B., Vander Meer, R. K., Maleszka, J., Robinson, G. E., Maleszka, R. Comparing injection, feeding and topical application methods for treatment of honeybees with octopamine. J. Insect Physiol. 53 (2), 187-194 (2007).
  25. McClung, C., Hirsh, J. Stereotypic behavioral responses to free-base cocaine and the development of behavioral sensitization in Drosophila. Curr. Biol. 8 (2), 109-112 (1998).
  26. Martin, B. R., Lue, L. P., Boni, J. P. Pyrolysis and volatilization of cocaine. J. Anal. Toxicol. 13 (3), 158-162 (1989).
  27. Lefer, D., Perisse, E., Hourcade, B., Sandoz, J. -. C., Devaud, J. -. M. Two waves of transcription are required for long-term memory in the honeybee. Learn. Mem. 20 (1), 29-33 (2012).
  28. Urlacher, E., Soustelle, L., et al. Honey Bee Allatostatins Target Galanin/Somatostatin-Like Receptors and Modulate Learning: A Conserved Function?. PLoS One. 11 (1), e0146248 (2016).
  29. Stollhoff, N., Menzel, R., Eisenhardt, D. Spontaneous recovery from extinction depends on the reconsolidation of the acquisition memory in an appetitive learning paradigm in the honeybee (Apis mellifera). J. Neurosci. 25 (18), 4485-4492 (2005).
  30. Barron, A. B., Maleszka, R., Helliwell, P. G., Robinson, G. E. Effects of cocaine on honey bee dance behaviour. J. Exp. Biol. 212 (2), 163-168 (2009).
  31. Devaud, J. -. M., Papouin, T., Carcaud, J., Sandoz, J. -. C., Grünewald, B., Giurfa, M. Neural substrate for higher-order learning in an insect: Mushroom bodies are necessary for configural discriminations. Proc. Natl. Acad. Sci. , 1-9 (2015).
  32. Vergoz, V., Roussel, E., Sandoz, J. -. C., Giurfa, M. Aversive learning in honeybees revealed by the olfactory conditioning of the sting extension reflex. PLoS One. 2 (3), e288 (2007).
  33. Henry, M., Béguin, M., et al. A common pesticide decreases foraging success and survival in honey bees. Science. 336 (6079), 348-350 (2012).
  34. Søvik, E., Perry, C. J., LaMora, A., Barron, A. B., Ben-Shahar, Y. Negative impact of manganese on honeybee foraging. Biol. Lett. 11 (3), 20140989 (2015).
  35. Farooqui, T., Vaessin, H., Smith, B. H. Octopamine receptors in the honeybee (Apis mellifera) brain and their disruption by RNA-mediated interference. J. Insect Physiol. 50 (8), 701-713 (2004).
  36. Guo, X., Su, S., et al. Recipe for a Busy Bee: MicroRNAs in Honey Bee Caste Determination. PLoS One. 8 (12), e81661 (2013).
  37. Cristino, A. S., Barchuk, A. R., et al. Neuroligin-associated microRNA-932 targets actin and regulates memory in the honeybee. Nat. Commun. 5, 5529 (2014).
  38. Vargaftig, B. B., Coignet, J. L., de Vos, C. J., Grijsen, H., Bonta, I. L. Mianserin hydrochloride: Peripheral and central effects in relation to antagonism against 5-hydroxytryptamine and tryptamine. Eur. J. Pharmacol. 16 (3), 336-346 (1971).
  39. Beggs, K. T., Tyndall, J. D. A., Mercer, A. R. Honey bee dopamine and octopamine receptors linked to intracellular calcium signaling have a close phylogenetic and pharmacological relationship. PLoS One. 6 (11), (2011).
  40. Matsumoto, Y., Menzel, R., Sandoz, J. -. C., Giurfa, M. Revisiting olfactory classical conditioning of the proboscis extension response in honey bees: a step toward standardized procedures. J. Neurosci. Methods. 211 (1), 159-167 (2012).
check_url/pt/54695?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Søvik, E., Plath, J. A., Devaud, J., Barron, A. B. Neuropharmacological Manipulation of Restrained and Free-flying Honey Bees, Apis mellifera. J. Vis. Exp. (117), e54695, doi:10.3791/54695 (2016).

View Video