Este protocolo descreve um ensaio comportamental para registrar o comportamento de busca provocado por açúcar usando Drosophila melanogaster. O ensaio pode ser utilizado para estudar comportamentos relacionados à alimentação e ao forrageamento, bem como os mecanismos neuronais subjacentes.
O comportamento de forrageamento é essencial para a sobrevivência dos organismos, pois permite que eles localizem e adquiram recursos alimentares essenciais. Em Drosophila, a fome desencadeia um comportamento de busca distinto após o consumo de pequenas quantidades de uma solução de açúcar. Este relato apresenta uma configuração experimental simples para estudar o comportamento de busca provocado por açúcar com o objetivo de descobrir os mecanismos subjacentes. Quantidades diminutas de solução concentrada de açúcar provocam comportamento de busca sustentado em moscas. O envolvimento da integração de caminhos nesse comportamento tem sido estabelecido, uma vez que as moscas utilizam sua trajetória para retornar ao local do açúcar. Os achados mais recentes fornecem evidências de modulação temporal no início e intensidade do comportamento de busca após o consumo de açúcar. Também utilizamos essa configuração para ativação artificial de neurônios receptores do paladar específicos na faringe, o que provoca o comportamento de busca. O kit de ferramentas neurogenéticas Drosophila oferece uma gama diversificada de ferramentas e técnicas que podem ser combinadas com o paradigma do comportamento de busca provocado pelo açúcar para estudar os mecanismos neurais e genéticos subjacentes ao forrageamento. A compreensão da base neural do comportamento de busca impulsionado pela fome em moscas contribui para o campo da neurobiologia como um todo, oferecendo insights sobre os mecanismos regulatórios que governam os comportamentos alimentares não apenas em outros organismos, mas também em humanos.
O comportamento de busca de alimento e forrageamento é uma estratégia fundamental de sobrevivência exibida por organismos em todos os táxons. Dois tipos de comportamentos de forrageamento têm sido identificados em insetos: busca de alimento induzida pela fome e busca local pós-refeição1. Quando estão com fome, os insetos dependem de pistas sensoriais para localizar fontes de alimento. Ao encontrar e consumir uma pequena mancha de comida, eles iniciam um comportamento de busca local caracterizado por caminhos complicados e circulando em torno do local do alimento.
O comportamento de busca provocado pelo açúcar, uma forma particular de busca local, foi estudado pela primeira vez há mais de 60 anos, pelo biólogo americano Vincent Dethier em moscas-varejeiras2. Quando passam fome, as moscas são apresentadas com uma pequena quantidade de açúcar de tal forma que não as saciam, elas começam uma busca local. O comportamento típico de busca é caracterizado por uma caminhada altamente tortuosa com baixa locomotricidade e alta taxa de giro e fazendo retornos ao local da queda de açúcar. Estudos subsequentes investigaram esse comportamento em moscas-domésticas e moscas-das-frutas 3,4. O início, a intensidade e a duração da busca são regulados pelo estado interno do animal (por exemplo, privação e motivação), bem como por fatores externos, como disponibilidade e qualidade dos recursos 1,5,6.
Os avanços nas tecnologias de rastreamento forneceram aos pesquisadores ferramentas valiosas para capturar e analisar o comportamento dentro de arenas controladas. Aqui, apresentamos um paradigma comportamental para rastrear moscas que caminham livremente após a ingestão de açúcar. Esta configuração simples permite o estudo do comportamento de busca provocada por açúcar em Drosophila , capturando e analisando o movimento da mosca em resposta à solução concentrada de açúcar fornecida em uma arena. Empregando tecnologia avançada de rastreamento e técnicas de análise de dados, os padrões locomotores, a exploração espacial e a dinâmica de resposta a estímulos açucarados foram quantificados com sucesso.
Com esse ensaio, foi demonstrado experimentalmente que a busca provocada por açúcar envolve o uso de integração de caminhos e pode ser separada espacialmente temporalmente do consumo de açúcar 7,8. Além disso, tem sido demonstrado que o comportamento pode ser desencadeado pela ativação de neurônios do paladarfaríngeo9. Resultados recentes mostram que o estímulo açucarado não é um mecanismo de liberação inato, mas também modulatório, e controla o início do comportamento temporalmente8. Utilizando esse paradigma, também estudamos esse comportamento em abelhas melíferas (Apis mellifera)7,8.
O objetivo final desta pesquisa é desvendar circuitos neurais e novos componentes genéticos envolvidos na regulação do comportamento de busca através de manipulações genéticas direcionadas e técnicas de neuroimagem. Comportamentos de busca de alimentos têm se mostrado paradigmas experimentais altamente eficazes para o estudo da navegação e memória espacial em insetos. Esses comportamentos fornecem uma oportunidade única para investigar a percepção sensorial, os processos de tomada de decisão e a coordenação motora envolvidos na busca por fontes alimentares recompensadoras em moscas. Além disso, os resultados desses estudos têm implicações mais amplas para a compreensão dos comportamentos alimentares em outros organismos, incluindo humanos, já que muitos mecanismos genéticos e neurais fundamentais são conservados evolutivamente. A desregulação dos comportamentos alimentares está associada a vários distúrbios neurológicos e metabólicos10. Portanto, os mecanismos neurais e genéticos subjacentes ao comportamento de busca em moscas podem oferecer novos caminhos para a compreensão e potencialmente abordar esses complexos desafios de saúde humana.
O presente estudo introduz um paradigma simples para investigar o comportamento de busca provocado por açúcar em Drosophila, descrito pela primeira vez por Dethier2. Esse comportamento inato permite que as moscas se envolvam em uma busca local por recursos alimentares adicionais após o encontro de uma recompensa alimentar. O aspecto mais crucial do protocolo experimental envolve a motivação adequada das moscas. Em primeiro lugar, as moscas devem estar em estado de fome, tendo sido privadas de alimentos enquanto ainda têm acesso à água, para garantir a ingestão de açúcar. Para ter o estado de fome uniforme em todos os ensaios experimentais, a duração em que 90% da população sobrevive foi usada como o período de fome. Crucialmente, a indução de uma resposta de busca pós-alimentação requer o fornecimento de um estímulo alimentar que seja de qualidade suficiente, mas não suficiente para saciar completamente as moscas. Portanto, padronizar a concentração e a quantidade de açúcar e a duração da fome pode ser demorado, mas é imperativo para um comportamento robusto e confiável.
Neste estudo, uma solução de sacarose de 500 mM e 0,2 μL foi empregada como estímulo para moscas famintas. A ingestão de açúcar evoca um comportamento característico de busca local, caracterizado por aumento do comportamento de giro e retornos frequentes ao local da queda de açúcar (Figura 1). Por outro lado, moscas famintas que não recebem açúcar não conseguem exibir uma resposta de pesquisa. Notavelmente, todos os parâmetros relacionados ao comportamento, incluindo comprimento do caminho, tempo de permanência, meandro e número de retornos foram significativamente menores em moscas não alimentadas. Demonstramos anteriormente que a ingestão de água isoladamente não provoca uma resposta de busca9.
Essa configuração oferece uma abordagem econômica e de baixa manutenção para estudar esse comportamento inato. Embora uma arena retroiluminada seja usada neste estudo, a iluminação superior também pode ser empregada, desde que haja contraste suficiente entre a mosca e o fundo. O software de rastreamento utilizado baseia-se na detecção do movimento da mosca contra um fundo estático13. As configurações de câmera e resolução podem ser ajustadas com base na escala específica de comportamento sob investigação. É importante ressaltar que essa metodologia possibilita o estudo de vários componentes do comportamento de forrageamento, incluindo atenção sensorial durante o forrageamento, engajamento e alimentação de alimentos, controle locomotor da busca, processos de tomada de decisão associados à exploração e exploração, entre outros. Além disso, esse paradigma facilita a investigação da busca local, um comportamento que é comumente observado em diversos táxons em vários contextosecológicos6. Estudar este comportamento em Drosophila, abre caminhos para a investigação científica visando a compreensão das vias neurais envolvidas no forrageamento. Estudamos a busca local em abelhas melíferas e mostramos que o comportamento tem semelhança com as moscas 7,8.
Estudos recentes têm demonstrado que o comportamento de busca local pode ser desencadeado pela ativação optogenética de vários neurônios sensoriais de açúcar em moscas 14,15,16. No entanto, ainda não está claro até que ponto as pesquisas locais observadas nesses estudos representam com precisão o comportamento natural das moscas em resposta ao consumo real de açúcar. O comportamento alimentar é fortemente regulado em moscas, e esses achados indicam que a ativação de receptores de açúcar faríngeo inicia o comportamento de busca. A sensilla gustativa tarsal é responsável por detectar o açúcar e induzir o reflexo de extensão da probóscide, enquanto os neurônios gustativos faríngeos determinam se a alimentação deve prosseguir17,18. Uma vez ingerida, a solução açucarada percorre o esôfago até o proventrículo e entra na cultura, com sua expansão monitorada por um nervo recorrente19. Além disso, vale ressaltar que alguns dos estudos citados envolveram o aproveitamento ou confinamento de moscas, sendo que esse método permite que os animais caminhem livremente durante todo o experimento. As moscas em nossos experimentos estavam suficientemente motivadas para permanecer e procurar dentro da arena sem a imposição de uma tampa.
Compreender a intrincada interação entre vias neurais, fatores genéticos e pistas ambientais que governam o comportamento de busca em moscas pode lançar luz sobre os princípios fundamentais do processamento de informações, aprendizagem e formação da memória. Além disso, a desregulação do comportamento de forrageamento tem sido implicada em vários distúrbios humanos, incluindo transtornos alimentares e obesidade. A extensa gama de ferramentas neurogenéticas disponíveis em Drosophila fornece um recurso valioso para investigar o comportamento de busca provocado pelo açúcar e desvendar os mecanismos neurais e genéticos subjacentes ao forrageamento. Em combinação com a manipulação optogenética e a imagem funcional, esse paradigma apresenta uma abordagem poderosa e promissora 20,21,22. No entanto, modificar a configuração para manipulação em tempo real da atividade neuronal com optogenética pode ser um desafio. Para monitorar a atividade neuronal no cérebro enquanto uma mosca está realizando o comportamento de busca, uma configuração diferente será necessária, como a mosca amarrada em uma bola de piso. Muitos aspectos do comportamento de forrageamento, como a regulação alimentar e os processos de tomada de decisão, são altamente conservados entre as espécies. Portanto, os insights obtidos com o estudo dos mecanismos neurais de forrageamento em moscas podem fornecer informações valiosas sobre processos semelhantes em outros organismos, incluindo humanos.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Ravikumar Boyapati por ajudar na montagem da arena. Este trabalho é financiado pela Wellcome trust DBT Intermediate India Alliance grant (Grant number IA/I/15/2/502074) para P.K. M.S. foi financiado por uma bolsa do Conselho Indiano de Pesquisa Médica (ICMR). A.B. foi financiado por fundos institucionais NCBS-TIFR (No. 12P4167) e pelo Departamento de Energia Atômica, Governo da Índia (No. 12-R& D-TFR-5.04-0800 e 12-R& D-TFR-5.04-0900).
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 | |
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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 |