العصبية الدائرة تسجيل من الصرصور الجهاز العصبي سليمة
Summary
توضح هذه المقالة صرصور بطني العصبية تشريح الحبل والتسجيلات خارج الخلية من العصب cercal وأدوات الوصل. يتم إنشاؤها الردود التي حركها التحفيز الكهربائي للعصب cercal أو التحفيز الميكانيكي المباشر لcerci.
Abstract
بطني إعداد الحبل العصب صرصور هو نظام لين العريكة للتجارب neuroethology، والنمذجة الشبكة العصبية، واختبار التأثيرات الفسيولوجية من المبيدات الحشرية. توضح هذه المقالة نطاق طرائق الحسية صرصور التي يمكن استخدامها لفحص كيفية استجابة والجهاز العصبي للحشرات لاضطرابات البيئية. التركيز هنا هو على سلوك الهروب بوساطة cerci لانتقال الألياف العملاقة في Periplaneta أمريكانا. هذا المستحضر في الموقع يتطلب سوى مهارة تشريح معتدلة والخبرة الكهربية لتوليد التسجيلات استنساخه من نشاط الخلايا العصبية. الببتيدات أو الكواشف الكيميائية الأخرى ومن ثم يمكن تطبيقها مباشرة على الجهاز العصبي في حل مع المالحة الفسيولوجية. ويمكن أيضا أن تدار المبيدات الحشرية قبل تشريح والدائرة الهروب يمكن أن تكون بمثابة وكيل للدولة منفعل من الجهاز العصبي المركزي. في هذا السياق المقايسات الموصوفة هنا سيكون من المفيد أيضا صesearchers المهتمين في تجدد الأطراف وتطور الجهاز العصبي للتنمية التي P. أمريكانا هو نموذج حي المعمول بها.
Introduction
هناك أكثر من 4،000 الأنواع صرصور ولكن فقط حوالي 30 هي الآفات المنزلية. ربما الأكثر شهرة هو مساء تسمية صرصور الأمريكية Periplaneta أمريكانا التي نشأت في أفريقيا، والآن وجدت في كل مكان تقريبا على هذا الكوكب. بالإضافة إلى سرعة تشغيل السريع 1 والسلوك مراوغة، في المناطق المدارية P. أمريكانا قادر على 2،3 طيران.
الخصائص الغالبة من صرصور الجهاز العصبي المركزي (CNS) هي طبيعة مجزأة واللامركزية في السيطرة بمعالجة 4،5. الدماغ، والصدر، والبطن العقد وانضم معا عن طريق أدوات الوصل بين العقد المقترنة تشكل الحبل البطني العصب (VNC).
والعقد في كل قطعة يتم دمج المراكز. وهي تتألف من المنطقة القشرية الخارجي التي تحتوي على الخلايا المسؤولة عن الدم في الدماغ نفاذية حاجز فقط تحتها، وsomata من الخلايا العصبية أوريجيnating في تلك العقدة. هذه somata قد تنتمي إلى interneurons، الخلايا العصبية تغييري، أو الخلايا العصبية الحركية. وهم يزودون المحاور التي تبقى ضمن العقدة الأصلية (عصبون المحلية)، أو المحاور التي توقع بين العقد في الجهاز العصبي المركزي (interneurons بين العقد) أو أن تنتهي في خلايا العضلات الطرفية (الخلايا العصبية الحركية). وتتمركز معظم somata البطني أو ventrolaterally في القشرة العقدية 5. وتقرن، أدوات الوصل بين العقد تحتوي فقط على محاور عصبية وأجسام الخلايا العصبية لا.
وneuropil من العقدة يحتوي على خلايا الدبقية (دبق عصبي)، مساحات محوار، حزم من المحاور، والتشعبات (neurites التي) من الخلايا العصبية. وneuropil يخلو من أجسام الخلايا العصبية. هذه هي المنطقة داخل العقدة التي تحدث فيها الاتصال المباشر بين متشابك الخلايا العصبية وتكامل المدخلات.
قدرة الصرصور الأمريكي P. امريكانا لكشف وفجأة لرد على مفترس يقترب (القدم، هانوقد عزا د، الخ.) إلى دائرة رد الفعل الذي يتكون من cerci والعملاقة 6،7 نظام الألياف. وcerci هي زوج من والهياكل الحساسة مثل الرياح القرن يقع في نهاية البطن (الشكل 1). في P. أمريكانا السطح البطني كل أشرة يحتوي على حوالي 200 خيطية الشكل (موضوع) الشعر التي يتم تنظيمها في 14 الأعمدة. تسعة من هذه الأعمدة يمكن التعرف باستمرار في الحيوانات المختلفة وفقا لخصائص استجابة مستقبلات الخلية المرتبطة ومحور عصبي. كل الشعر هو في مأخذ التوصيل التي تسمح له أن ينحني بسهولة أكثر في طائرة واحدة وهذا هو عمود معين. حركة الشعر في اتجاه واحد على طول طائرتها يؤدي الى الاستقطاب في الخلية المستقبلة وابلا من إمكانات العمل (الجزائرية) في الخلايا العصبية الحسية. الحركة في الاتجاه المعاكس يمنع أي نقاط وصول عفوية الجارية 8. الطائرة المفضلة للانحراف وتوجه الاستجابة تختلف في كل عمود. وبالتالي، فإن filiforالمجمعات م الشعر مستقبلات مسؤولة ليس فقط للكشف عن حركة الهواء ولكن أيضا ل 'الترميز'، في شكل نقاط وصول، والاتجاه الذي نشأ التيار الهواء. تجهيز هذه المعلومات عن طريق الجهاز العصبي المركزي يؤدي إلى 'مناسبة' ردا هروب 6،7. إبقاء هذا ظيفية، خصوصية عمودية من الشعر الحسية من الحيوان الى الحيوان.
الخلية مستقبلات كل الشعر خيطية الشكل هي المسؤولة عن transducing انحراف الميكانيكية من الشعر إلى حدث العصبية (مما أدى إلى انفجار أو تثبيط نقاط وصول في محوار الخلية المستقبلة لل9. وكالة الأنباء الجزائرية السفر إلى العقدة في البطن محطة (A6) عن طريق cercal العصب الحادي عشر، حيث المشبك مع المحاور العملاقة من الحبل البطني العصب (VNC). ويعتقد أن المحاور العملاقة لتكون مسؤولة عن نقل والإثارة اللاحقة من الخلايا العصبية الحركية التي تؤدي إلى سلوك الهروب 6،10،11.
والسلوكية الكمون سو استجابة هروب P. أمريكانا هي واحدة من أقصر من أي حيوان 7. الكمون السلوكية هي المرة بين وصول التحفيز في مستقبلة ميكانيكية والشروع في استجابة الهروب. في التجارب باستخدام سرعة عالية لتسجيل السينما محاولة الهروب من مهاجمة العلجوم، لوحظ الصرصور لبدء بدوره بعيدا عن الضفدع في حوالي 40 مللي ثانية (الوقت من بداية التمديد اللسان لحركة صرصور 7،12. عن طريق نفث الرياح تسيطر كشف، يمكن تخفيض الكمون إلى 11 ميللي ثانية السلوكية. تجارب أخرى أن الحد الأدنى الرياح نفخة سرعة 12 مم / ميللي ثانية (مع تسارع من 600 مم / ميللي ثانية 2) يمكن أن تثير استجابة الهروب، بينما سرعات أقل من ذلك (3 ملم / ثانية) تسبب يسير ببطء الصراصير لوقف التحرك 12.
العلاقة القوية القائمة عادة بين أنظمة الألياف العملاقة وسلوك الهروب قد تم توثيقه جيدا 13،14. في معاهدances حيث خلية معينة ضرورية وكافية لاستحضار سلوك معين ويشار الخلية باسم الخلايا العصبية الأمر 15،16. interneurons العملاق (GIS) في الدائرة الهروب من الرياح P. امريكانا ليست ضرورية للالعاكسة. الحيوانات التي ذاب تجريبيا الجغرافية لا يزال يحمل سلوك الهروب وبالتالي لا تعتبر هذه المؤشرات الجغرافية الخلايا العصبية الأمر 17،18. قطع عنق الرحم أدوات الوصل التي هي منقاري إلى الدائرة الحسية أيضا يؤثر على السلوك، مشيرا إلى أن تنازلي مدخلات من الدماغ له تأثير على اتجاه هروب 19. هذه الجوانب من مراقبة دقيقة والتكرار لها أهمية قصوى لبقاء الكائن الحي وتكملها التشكيل الكيميائية العصبية عبر الأمينات الاحيائية 20.
وP. وقد تم إعداد الحبل أمريكانا العصبية نظام نموذج أنيقة للneuroethologists على مدى العقود العديدة الماضية بدءا من العمل الرائد من رويدر <سوب> 21. أنه يسمح للطلاب لتسجيل وعرض وتحليل النشاط الحسية الأولية والاستجابات الناتجة من قبل interneurons العملاق ل22،23،24 مدخلاتها. بالإضافة إلى نقل فكرة أن الدوائر العصبية التعرف تكمن وراء الاستجابات السلوكية للبيئة، ينبغي لهذه التمارين غرس تقديرا للمساهمات البيولوجية التي أدلى بها هذه الآفة المنزلية الشائعة.
Protocol
Representative Results
Discussion
أحد الأسباب لاظهار تقنيات لهذا التحضير الكلاسيكي هو أن النظام cerci كان ولا هي منطقة نشطة للبحث في معالجة مسائل تطوير الدوائر العصبية وكذلك المسائل المتعلقة إصلاح وتجديد 26-31 متشابك لا يزال. إما طريقة تستحضر النشاط في الحبل البطني العصب صرصور يمكن استخدامها لدراسة آثار وكلاء الدوائية أو المبيدات الحشرية على وظيفة الجهاز العصبي. تتم هذه التجارب ببساطة عن طريق إذابة المواد الكيميائية neuroactive في المياه المالحة. بعد تبادل هذا الحل مع المتوسطة الاستحمام العادي، ويمكن ملاحظة التغيرات في النشاط منبهات المسموعة أو عفوية أثناء التسجيل من أدوات الوصل أو العصب المحرك لإعطاء قراءات ثابتة من تأثير المواد الكيماوية على وظيفة الجهاز العصبي المركزي.
كما هو الحال في جميع التجارب العصبية شيوعا هو مشكلة الضوضاء الكهربائية. ربما كان أكبر عامل في جودة الإشارة لهذه الاستعدادات طو ختم القطب الشفط على الأنسجة العصبية. ختم الضيق الذي لا يوجه تماما في العصب cercal أو الضام هو المثل الاعلى. يمكن أيضا أن تكون مصنوعة التسجيلات مع أقطاب هوك مزدوجة وضعت تحت الحبل العصبي وعزل VNC مع خليط من الزيوت المعدنية والفازلين. الخليط يمكن تحميلها في حقنة وطردت حول الحبل العصبي 32. أيضا تشريح دقيق أمر بالغ الأهمية هنا كما في أي تحضير الجهاز العصبي المركزي. البعض قد تجد أنه من الأسهل للوصول إلى الجهاز العصبي المركزي عن طريق تشريح إهاب الظهرية. في حين أن هذا يقلل من احتمال الإضرار الحبل البطني العصب يمكن أن يكون أكثر صعوبة لإزالة كافة الأحشاء باستخدام هذا النهج.
لم يتم وصفه هنا ولكن هذا التحضير هو قابل للتسجيل داخل الخلايا في interneurons العملاق 32،33. يمكن أيضا إزالة الحبل العصبي بأكمله لاستيعاب العديد من تسجيل وتحفيز الأقطاب في وقت واحد. في الواقع استكشاف لوب Antennal، فطر بودى، وهياكل الجهاز العصبي المركزي الأمامي الآخر لا يزال في التقدم 34-35. بينما يستمر صرصور الجهاز العصبي المركزي لتسليط الضوء على الأبحاث العصبية الحديثة هذا التحضير خاص بسيط بما يكفي لاستخدامها في مختبرات الأكاديمية الجامعية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر Hyewon كوبر عن الرسوم التوضيحية.
Materials
| Reagent | |||
| Sylgard | Dow Corning | 182 silicone kit | 182 silicone elastomer kit |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C5670 | |
| NaH2PO4•2H2O | Sigma-Aldrich | 71505 | |
| Na2HPO4•7H2O | Sigma-Aldrich | S9390 | |
| NaOH | Sigma-Aldrich | 221465 | To adjust pH |
| HCl | Sigma-Aldrich | H1758 | To adjust pH |
| Material Name | |||
| Dissecting tools | World Precision Instruments | assortment | |
| Insect Pins | Fine Science Tools, Inc | 26001-60 | |
| Dissecting microscope | World Precision Instruments | PZMIII-BS | |
| 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 |
| 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 | |
| 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. |
References
- Full, R. J., Tu, M. S. Mechanics of a rapid running insect: two-, four- and six-legged locomotion. J. Exp. Biol. 156, 215-231 (1991).
- Ritzmann, R. E., Tobias, M. L., Fourtner, C. R. Flight activity initiated via giant interneurons of the cockroach: Evidence for bifunctional trigger interneurons. Science. 210, 443-445 (1980).
- Libersat, F., Camhi, J. M. Control of cercal position during flight in the cockroach: a mechanism for regulating sensory feedback. J. Exp. Biol. 136, 483-488 (1988).
- Ganihar, D., Libersat, F., Wendler, G., Cambi, J. M. Wind-evoked evasive responses in flying cockroaches. Journal of Comparative Physiology. A, Sensory, Neural, and Behavioral Physiology. 175, 49-65 (1994).
- Pipa, R. a. D., F, . The American Cockroach. , 175-216 (1981).
- Westin, J., Langberg, J. J., Camhi, J. M. Responses of giant interneurons of the cockroach; Periplaneta americana to wind puffs of different directions and velocities. Journal of Comparative Physiology A: Neuroethology, Sensory, Neural, and Behavioral Physiology. 121, 307-324 (1977).
- Camhi, J. M., Tom, W., Volman, S. The escape behavior of the cockroach Periplaneta americana. J. Comp. Physiol. A Neuroethol. Sens. Neural Physiol. 128, 203-212 (1978).
- Nicklaus, R. Die Erregung einzelner Fadenhaare von Periplaneta americana in Abhängigkeit von der Grösse und Richtung der Auslenkung. Z. Vgl. Physiol. 50, 331-362 (1965).
- Westin, J. Responses to wind recorded from the cercal nerve of the cockroach Periplaneta americana. J. Comp. Physiol. A Neuroethol. Sens. Neural Physiol. 133, 97-102 (1979).
- Ritzmann, R. E. . Neural Mechanisms of Startle Behavior. , 93-131 (1984).
- Ritzmann, R. E., Pollack, A. J. Identification of thoracic interneurons that mediate giant interneuron-to-motor pathways in the cockroach. J. Comp. Physiol. A Neuroethol. Sens. Neural Physiol. 159, 639-654 (1986).
- Plummer, M. R., Camhi, J. M. Discrimination of sensory signals from noise in the escape system of the cockroach – the role of wind acceleration. J. Comp. Physiol. 142, 347-357 (1981).
- Bullock, T. H. . Neural Mechanisms of Startle Behavior. , 1-14 (1984).
- Pollack, A. J., Ritzmann, R. E., Watson, J. T. Dual pathways for tactile sensory information to thoracic interneurons in the cockroach. J. Neurobiol. 26, 33-46 (1995).
- Atwood, H. L., Wiersma, C. A. Command interneurons in the crayfish central nervous system. J. Exp. Biol. 46, 249-261 (1967).
- Olson, G. C., Krasne, F. B. The crayfish lateral giants as command neurons for escape behavior. Brain Res. 214, 89-100 (1981).
- Comer, C. M. Analyzing cockroach escape behavior with lesions of individual giant interneurons. Brain Res. 335, 342-346 (1985).
- Comer, C. M., Dowd, J. P., Stubblefield, G. T. Escape responses following elimination of the giant interneuron pathway in the cockroach, Periplaneta americana. Brain Res. 445, 370-375 (1988).
- Keegan, A. P., Comer, C. M. The wind-elicited escape response of cockroaches (Periplaneta americana) is influenced by lesions rostral to the escape circuit. Brain Res. 620, 310-316 (1993).
- Casagrand, J. L., Ritzmann, R. E. Biogenic amines modulate synaptic transmission between identified giant interneurons and thoracic interneurons in the escape system of the cockroach. J. Neurobiol. 23, 644-655 (1992).
- Roeder, K. D. Organization of the ascending giant fiber system in the cockroach, Periplaneta americana. J. Exp. Zool. 108, 243-261 (1948).
- Ramos, R. L., Moiseff, A., Brumberg, J. C. Utility and versatility of extracellular recordings from the cockroach for neurophysiological instruction and demonstration. J. Undergrad. Neurosci. Educ. 5, (2007).
- Oakley, B., Schafer, R. Experimental neurobiology. , (1978).
- Welsh, J. H., Smith, R. I., Kammer, A. E. . Laboratory exercises in invertebrate physiology. , (1968).
- Leksrisawat, B., Cooper, A. S., Gilberts, A. B., Cooper, R. L. Muscle receptor organs in the crayfish abdomen: a student laboratory exercise in proprioception. J. Vis. Exp. (45), e2323 (2010).
- Bacon, J. P., Blagburn, J. M. Ectopic sensory neurons in mutant cockroaches compete with normal cells for central targets. Development. 115, 773-784 (1992).
- Blagburn, J. M. Co-factors and co-repressors of Engrailed: expression in the central nervous system and cerci of the cockroach, Periplaneta americana. Cell Tiss. Res. 327, 177-187 (2007).
- Blagburn, J. M., Gibbon, C. R., Bacon, J. P. Expression of engrailed in an array of identified sensory neurons: comparison with position, axonal arborization, and synaptic connectivity. J. Neurobiol. 28, 493-505 (1995).
- Booth, D., Marie, B., Domenici, P., Blagburn, J. M., Bacon, J. P. Transcriptional control of behavior: engrailed knock-out changes cockroach escape trajectories. J. Neurosci. 29, 7181-7190 (2009).
- Schrader, S., Horseman, G., Cokl, A. Directional sensitivity of wind-sensitive giant interneurons in the cave cricket Troglophilus neglectus. J. Exp. Zool. 292, 73-81 (2002).
- Libersat, F., Goldstein, R. S., Camhi, J. M. Nonsynaptic regulation of sensory activity during movement in cockroaches. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 84, 8150-8154 (1987).
- Stern, M., Ediger, V. L., Gibbon, C. R., Blagburn, J. M., Bacon, J. P. Regeneration of cercal filiform hair sensory neurons in the first-instar cockroach restores escape behavior. J. Neurobiol. 33, 439-458 (1997).
- Blagburn, J. M. Synaptic specificity in the first instar cockroach: patterns of monosynaptic input from filiform hair afferents to giant interneurons. J. Comp. Physiol A. 166, 133-142 (1989).
- Watanabe, H., Ai, H., Yokohari, F. Spatio-temporal activity patterns of odor-induced synchronized potentials revealed by voltage-sensitive dye imaging and intracellular recording in the antennal lobe of the cockroach. Front. Sys. Neurosci. (6), 55 (2012).
- Nishino, H., et al. Visual and olfactory input segregation in the mushroom body calyces in a basal neopteran, the American cockroach. Arthropod Struct. Dev. 41, 3-16 (2012).
- Elia, A. J., Gardner, D. R. Long-term effects of DDT on the behavior and central nervous system activity in Periplaneta americana. Pestic. Biochem. Physiol. 21, 326-335 (1984).
