עצבית במעגל הקלטה ממערכת עצבים מקק שלמה
Summary
מאמר זה מתאר את נתיחת מקק הגחון עצב בחוט והקלטות תאית מן העצב וconnectives cercal. עוררו תגובות מופקות על ידי גירוי חשמלי של עצב cercal או הגירוי מכאני ישיר של cerci.
Abstract
הכנת כבל עצב הגחון המקק היא מערכת צייתנית לניסויי neuroethology, דוגמנות רשת עצבית, ובדיקת ההשפעות הפיזיולוגיות של חומרי הדברה. מאמר זה מתאר את היקף מערכות חוש מקק שיכול לשמש לassay איך מערכת עצבים של חרקים מגיבה להפרעות סביבתיות. דגש כאן הוא על הבריחה בתיווכו של cerci להעברת סיבים ענק באמריקנה Periplaneta ההתנהגות. זה בהכנת אתר דורש רק מיומנות לנתח מתונה ומומחיות אלקטרו ליצור הקלטות לשחזור של פעילות עצבית. אז יכולים להיות מיושמים פפטידים או כימיקלים אחרים באופן ישיר למערכת העצבים בתמיסה עם תמיסת מלח הפיזיולוגי. חרקים יכולים גם להינתן לפני לנתיחה ומעגל הבריחה יכול לשמש כמדד למצבו הנרגש של מערכת העצבים המרכזית. בהקשר זה מבחני שתוארו במסמך זה יהיו שימושי גם לימיןesearchers המעוניין בהתחדשות איבר ואת האבולוציה של התפתחות מערכת עצבים שלפ אמריקנה היא אורגניזם מודל שנקבע.
Introduction
יש יותר מ -4,000 מיני מקק אלא רק על 30 הם ביתיים מזיקים. אולי המוכר ביותר הוא אמריקנה Periplaneta התיקן האמריקאי misnamed שמקורו באפריקה, וכעת הוא נמצא כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ. בנוסף למהירות שלו המהירה הריצה 1 והתנהגות מתחמקת, באזורים הטרופיים פ אמריקנה מסוגלת 2,3 טיסה.
המאפיינים העיקריים של מערכת מקק העצבים המרכזית (CNS) הם הטבע שלה מפולח וביזור שליטת תהליכי 4,5. המוח, בית החזה, וגרעיני בטן הם חברו יחד על ידי connectives interganglionic לזווג כדי ליצור את חוט עצב הגחון (VNC).
הגרעינים בכל פלח הם שילוב מרכזים. הם מורכבים מאזור חיצוני, קליפת המוח מכיל תאים אחראים על מחסום חדירות דם למוח ממש מתחתיהם, וsomata של origi נוירוניםnating בגנגליון ש. somata אלה עשויים להשתייך לinterneurons, הנוירונים ויסות, או נוירונים מוטוריים. הם מספקים אקסונים הנשארים בתוך הגנגליון ממוצא (interneuron המקומי), או אקסונים שפרויקט בין הגרעינים של מערכת העצבים המרכזית (interneurons interganglionic) או שתסתיימו בתאי שריר היקפי (הנוירונים מוטוריים). רוב somata ממוקם ventrally או ventrolaterally בקליפת ganglionic 5. Connectives לזווג, interganglionic מכיל רק אקסונים ולא גופי תא עצביים.
Neuropil של הגנגליון מכילה תאי גליה (neuroglia), קטעי האקסון, צרורות של אקסונים ודנדריטים (neurites) של נוירונים. Neuropil נטולת גופי תא עצביים. זהו האזור בתוך הגנגליון שבו תקשורת הסינפטי ישירה בין תאי עצב ואינטגרציה של תשומות להתרחש.
יכולתו של התיקן האמריקאי פ אמריקנה לזהות ופתאום להגיב לטורף מתקרב (רגל, האןד, וכו '.) יוחס למעגל רפלקס שמורכב מcerci ו6,7 מערכת סיבים הענק. Cerci הוא זוג, מבני רוח רגישה כמו קרן ממוקמים בקצה של הבטן (איור 1). בפ אמריקנה פני השטח הגחון של כל cercus מכיל כ 200 filiform (חוט) שערות המסודרים ב14 עמודות. תשעה עמודים אלה יכולים להיות מזוהים באופן עקבי בבעלי חיים שונים על פי מאפייני התגובה של תא קולטן הקשורות ואקסון. כל שערה היא בשקע המאפשר לה להתכופף בקלות ביותר במישור אחד שהוא ספציפי עמודה. תנועה של השיער בכיוון אחד לאורך המטוס שלה גורמת לשלילת קוטביות בתא קולטן ופרץ של פוטנציאל פעולה (APS) בתא העצב התחושתי. תנועה בכיוון ההפוך מעכבת כל נקודתי גישה ספונטניות שוטפת 8. המטוס המועדף של סטיה והכיווניות של התגובה הוא שונה בכל טור. לפיכך, filiforמתחמים מ 'שיער קולטן אחראים לא רק לאיתור התנועה של אוויר, אלא גם עבור' קידוד ', בצורה של נקודתי גישה, הכיוון שממנו זרם האוויר שמקורו. עיבוד מידע זה על ידי מערכת העצבים המרכזית גורם לתגובה מתאימה "בריחה 6,7. ייחוד זה פונקציונלי, עמודים של השערות חושיות נשמר מבעלי החיים לבעלי חיים.
תא קולטן של כל שיער filiform אחראי לtransducing הסטייה מכאנית של השיער לאירוע עצבי (וכתוצאה מכך פרץ או עיכוב של נקודתי גישה בהאקסון של תא קולטן 9. נקודתי הגישה לנסוע לגנגליון בטן המסוף (A6) באמצעות cercal XI עצב, שם הם סינפסה עם אקסונים ענק של חוט עצב הגחון (VNC). הם האמינו אקסונים הענק שיהיו אחראי על העברת והעירור הבא של הנוירונים מוטוריים שגורם לבריחת התנהגות 6,10,11.
O חביון התנהגותייםf תגובת הבריחה של פ אמריקנה היא אחת הקצר ביותר של כל בעל חיים 7. חביון התנהגות הוא הזמן שבין הגעתו של גירוי בmechanoreceptor והייזום של תגובת בריחה. בניסויים באמצעות צילום במהירות גבוהה כדי להקליט את ניסיון הבריחה מקרפדה לתקוף, המקק נצפה להתחיל התור שלה הרחק מהקרפדה בכ -40 אלפיות שניים (זמן מתחילת הארכת לשון למקק תנועת 7,12. שימוש פחזנית רוח מבוקרת ניסויים אחרים, חביון התנהגותיים יכול להיות מופחת ל11 אלפית שניים. גילו כי מהירות משב רוח מינימאלית של מ"מ 12 / אלפיות שניים (עם האצת 600 מ"מ / msec 2) יכולה לעורר תגובת בריחה, ואילו מהירויות נמוכות עוד יותר (3 מ"מ / שניות) הנגרם על הליכה איטית מקקים להפסיק לנוע 12.
המתאם החזק שקיים בדרך כלל בין מערכות סיבים ענקית ובריחת התנהגות תועד היטב 13,14. בinstances בי תא מסוים הוא הכרחי ומספיק כדי לעורר התנהגות מסוימת של התאים המכונה נוירון פקודה 15,16. interneurons הענק (GIS) במעגל בריחת רוח של פ אמריקנה נחוצות לא לרפלקס. בעלי חיים שהניסוי ablated חיילים אמריקאים עדיין מפגינים התנהגות הבריחה ולכן חיילים אלה לא נחשבים נוירונים פקודת 17,18. ניתוק connectives צוואר הרחם, כי הם מקורי למעגל הסנסורית גם משפיע על ההתנהגות, מצביע על כך שיש יורד קלט ממוח השפעה על כיוון הבריחה 19. היבטים אלה של שליטה ויתירות קנס הם בעל חשיבות עליונה להישרדותו של האורגניזם ומשלימים אפנון neurochemical באמצעות אמינים יוגניים 20.
פ הכנת חוט עצב אמריקנה כבר מערכת מודל אלגנטית לneuroethologists במשך עשרות שנים רבות בעבר החל בעבודתם החלוצית של רדר <sup> 21. זה מאפשר לתלמידים להקליט, להציג ולנתח את פעילות העיקרית חושית ותגובות שנוצרה על ידי interneurons הענק ל22,23,24 הקלט שלהם. בנוסף להעברת הרעיון שמעגלים עצביים הניתנים לזיהוי בבסיס תגובות התנהגותיות לסביבה, התרגילים האלה צריכים להנחיל הערכה לתרומתם הביולוגית שנעשתה על ידי מזיקים ביתיים נפוצים זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
אחת הסיבות למציגים טכניקות להכנה הקלסית הזה הוא שמערכת cerci הייתה ועדיין הוא אזור פעיל של מחקר בהתמודדות עם שאלות של הפיתוח של מעגלים עצביים, כמו גם שאלות לגבי תיקון הסינפטי והתחדשות 26-31. כך או שיטה לעורר פעילות בחוט עצב הגחון המקק יכולה לשמש כדי לבחון את ההשפעות של סוכנים או חומרי הדברה תרופתיים על תפקוד מערכת עצבים. ניסויים אלו נעשים פשוט על ידי המסת כימיקלים neuroactive למלוחה. אחרי שהחלפתי את הפתרון הזה עם מדיום הרחצה הרגיל, שינויים בפעילות עוררת או ספונטנית אפשר לראות בעת ההקלטה מconnectives או עצב מוטורי לתת קריאת נתונים של ההשפעה של החומר הכימי על תפקוד מערכת העצבים המרכזית עולים בקנה אחד.
כמו בכל הניסויים נוירופיזיולוגיות בעיה נפוצה היא רעש חשמלי. הגורם כנראה הגדול ביותר באיכות אות להכנות אלה iשל חותם האלקטרודה היניקה על רקמת העצב. חותם חזק שלא לצייר לגמרי בעצב או חיבור cercal הוא אידיאלי. הקלטות גם יכולות להתבצע באמצעות אלקטרודות וו כפולה ממוקמת מתחת לחוט העצב ובידוד VNC בתערובת של שמן מינרלים ווזלין. התערובת יכולה להיות טעונה לתוך מזרק וגורשה סביב חוט העצב 32. גם נתיחה זהירה היא קריטית כאן כמו בכל הכנה של מערכת העצבים המרכזית. חלקם עשוי למצוא את זה קל יותר לגשת למערכת העצבים המרכזית על ידי לנתח הציפורן הגבי. אמנם זה מקטין את האפשרות של פגיעה בעצב בחוט הגחון זה יכול להיות קשה יותר להסיר את כל הקרביים שימוש בגישה זו.
זה לא תואר כאן, אבל הכנה זו ניתנת להקלטה תאית בinterneurons הענק 32,33. חוט העצב כולו ניתן גם להסיר כדי להתאים כמה אלקטרודות הקלטה ומגרה בו זמנית. בחקר עובדה של אונה, בו פטריות מחושיםdy, ומבנים במערכת העצבים המרכזית קדמי אחרים הוא עדיין בעיצומה 34-35. אמנם תיקן מערכת העצבים המרכזית ממשיך לשפוך אור על מחקר הנוירוביולוגי מודרני ההכנה הספציפית הזה היא פשוטה מספיק כדי לשמש במעבדות אקדמיות לתואר ראשון.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים Hyewon קופר לאיורים.
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).
