Questo articolo descrive la blatta ventrale nervo dissezione spinale e registrazioni extracellulari dal nervo Cercal e connettivi. Risposte evocate sono generate dalla stimolazione elettrica del nervo cercal o stimolazione meccanica diretta della cerci.
La preparazione cordone nervoso ventrale scarafaggio è un sistema maneggevole per esperimenti Neuroethology, modellazione di reti neurali, e verificare gli effetti fisiologici di insetticidi. Questo articolo descrive l'ambito di scarafaggi modalità sensoriali che possono essere utilizzati per eseguire il test come un sistema nervoso degli insetti risponde alle perturbazioni ambientali. Enfasi è sul comportamento di fuga mediata da Cerci al gigante di trasmissione in fibra in Periplaneta americana. Questo in preparazione situ richiede solo abilità dissezione moderato e competenze elettrofisiologico per generare le registrazioni riproducibili di attività neuronale. Peptidi o altri reagenti chimici possono essere applicati direttamente al sistema nervoso in soluzione con la soluzione fisiologica. Insetticidi potrebbero anche essere somministrate prima della dissezione e il circuito di fuga possono servire come proxy per lo stato eccitabile del sistema nervoso centrale. In questo contesto i saggi qui descritti sarebbe anche utile per researchers interessati alla rigenerazione degli arti e l'evoluzione dello sviluppo del sistema nervoso per la quale P. americana è un organismo modello stabilito.
Ci sono più di 4.000 specie di scarafaggio, ma solo 30 sono parassiti domestici. Forse il più noto è il nome sbagliato scarafaggio americano Periplaneta americana che ha avuto origine in Africa, e ora si trova quasi ovunque sul pianeta. Oltre alla sua rapida velocità di funzionamento 1 e comportamento sfuggente, nei tropici P. americana è capace di 2,3 volo.
Le caratteristiche predominanti del sistema nervoso centrale scarafaggio (CNS) sono la sua natura segmentata e la decentralizzazione del controllo processi 4,5. Il cervello, toracica, addominale e dei gangli sono uniti da connettivi interganglionic accoppiati per formare il cordone nervoso ventrale (VNC).
Il gangli in ogni segmento stanno integrando centri. Sono composte da una, regione corticale esterna contenente cellule responsabili della emato-encefalica permeabilità della barriera appena sotto di loro, e la somata dei neuroni originarinari in quel ganglio. Questi somata possono appartenere a interneuroni, neuroni modulatori, o neuroni motori. Essi forniscono assoni che rimangono all'interno del ganglio di origine (interneurone locale), o assoni che proiettano tra i gangli del sistema nervoso centrale (interneuroni interganglionic) o che terminano sulle cellule muscolari periferiche (neuroni motori). La maggior parte dei somata sono posizionati ventrale o ventrolaterally nella corteccia gangliare 5. Le coppie, connettivi interganglionic contengono solo assoni e corpi cellulari neuronali.
Il neuropil di un ganglio contiene cellule gliali (neuroglia), tratti di assoni, fasci di assoni, dendriti e neuriti () di neuroni. Il neuropil è privo di corpi cellulari neuronali. Questa è la regione all'interno del ganglio dove la comunicazione sinaptica diretta tra cellule nervose e integrazione di ingressi verifica.
La capacità del scarafaggio americano P. americana per rilevare e improvvisamente rispondere ad un predatore si avvicina (a piedi, hand, ecc.) è stata attribuita ad un circuito riflesso che consiste nella cerci e gigante 6,7 sistema fibra. Il cerci sono una coppia di strutture vento sensibili corno come vicino all'estremità dell'addome (Figura 1). In P. americana superficie ventrale di ogni cercus contiene circa 200 filiforme (thread) peli che sono organizzati in 14 colonne. Nove di queste colonne può individuare in modo coerente in diversi animali secondo le proprietà di risposta della cellula recettore associato e assone. Ogni capello è in una presa che permette di piegare più facilmente in un piano che è specifica colonna. Movimento dei capelli in una direzione lungo il suo piano induce una depolarizzazione nella cella recettore e una raffica di potenziali di azione (AP) nel neurone sensoriale. Il movimento nella direzione opposta inibisce qualsiasi AP spontanee in corso 8. L'aereo preferito di deflessione e direzionalità della risposta è differente in ciascuna colonna. Così, il filiforcomplessi m capelli-recettore sono responsabili non solo per rilevare il movimento di aria, ma anche per 'codifica', sotto forma di punti di accesso, la direzione dalla quale la corrente d'aria origine. Trattamento di tali informazioni da parte del CNS si traduce in un 'appropriata' la risposta di fuga 6,7. Questo funzionale, specificità colonnare dei peli sensori è preservata da un animale all'altro.
La cella recettore di ogni capello filiforme è responsabile per trasdurre la deformazione meccanica dei capelli in un evento neurale (risultante in un burst o inibizione di AP nel l'assone recettore 9. L'AP viaggiano al ganglio addominale terminale (A6) tramite cercal XI nervo, dove sinapsi con assoni giganti del cordone nervoso ventrale (VNC). Gli assoni giganti sono da ritenersi responsabili per la trasmissione e la successiva eccitazione dei neuroni motori che si traduce in un comportamento di fuga 6,10,11.
Il comportamento di latenza of la risposta di fuga di P. americana è uno dei più brevi di qualsiasi animale 7. Latenza comportamentale è il tempo tra l'arrivo di uno stimolo a meccanorecettori e l'inizio della risposta di fuga. In esperimenti usando la cinematografia ad alta velocità per registrare il tentativo di fuga da un rospo attaccare, lo scarafaggio è stato osservato per iniziare il suo turno di distanza dal rospo in circa 40 msec (tempo dall'inizio della proroga lingua per scarafaggio movimento 7,12. Usando soffi di vento controllate , la latenza comportamentale potrebbe essere ridotto a 11 msec. Altri esperimenti hanno rivelato che un soffio velocità del vento minima di 12 mm / msec (con un'accelerazione pari a 600 mm / msec 2) può evocare una risposta di fuga, mentre velocità ancora più basse (3 mm / sec) causato camminando lentamente scarafaggi per fermare movimento 12.
La forte correlazione che esiste tipicamente tra sistemi a fibre giganti e comportamenti di fuga è stato ben documentato 13,14. In instrecchi dove è necessario e sufficiente per evocare un particolare comportamento una determinata cella la cella viene indicato come un comando neurone 15,16. Interneuroni giganti (IG) nel circuito fuga vento di P. americana non sono necessari per il riflesso. Gli animali che hanno sperimentalmente ablati IG ancora mostrano il comportamento di fuga, pertanto questi soldati non sono considerati i neuroni di comando 17,18. Severing connettivi cervicali che sono rostrale al circuito sensomotorio influenza anche il comportamento, indicando che discendente input dal cervello ha un effetto sulla direzione di fuga 19. Questi aspetti di un controllo preciso e ridondanza sono di primaria importanza per la sopravvivenza dell'organismo e sono completati dalla modulazione neurochimica via ammine biogene 20.
Il P. preparazione del cavo americana nervo è stato un elegante sistema modello per neuroethologists nel corso degli ultimi decenni a partire con il lavoro pionieristico di Roeder <sup> 21. Permette agli studenti di registrare, visualizzare e analizzare l'attività sensoriale primaria e quelli risultanti dagli interneuroni giganti per la loro 22,23,24 input. Oltre a trasmettere l'idea che i circuiti neurali alla base identificabili risposte comportamentali per l'ambiente, questi esercizi dovrebbero infondere un apprezzamento per i contributi biologiche fatte da questo parassita comune della famiglia.
Una delle ragioni per le tecniche di esporre per questa preparazione classica è che il sistema cerci è stato ed è una zona attiva di ricerca per affrontare questioni dello sviluppo di circuiti neurali nonché le questioni riguardanti la riparazione e la rigenerazione sinaptica 26-31. Entrambi i metodi di evocare attività nel cordone nervoso ventrale scarafaggio può essere usato per esaminare gli effetti di agenti farmacologici o insetticidi in funzione del sistema nervoso. Questi esperimenti sono fatti semplicemente sciogliendo sostanze chimiche neuroattivi in salina. Dopo lo scambio di questa soluzione con il normale mezzo di balneazione, si possono osservare i cambiamenti nell'attività evocata o spontanea durante la registrazione da connettivi o un nervo motore per dare una lettura coerente dell'effetto della sostanza chimica sulla funzione del sistema nervoso centrale.
Come in tutti gli esperimenti neurofisiologici un problema comune è il rumore elettrico. Probabilmente il più grande fattore di qualità del segnale per queste preparazioni is la guarnizione elettrodo di aspirazione sul tessuto nervoso. La tenuta stagna che non completamente disegnare nel nervo Cercal o connettivo è l'ideale. Le registrazioni possono essere effettuate anche con elettrodi doppio gancio posto sotto il cordone nervoso e isolando il VNC con una miscela di olio minerale e petrolato. La miscela può essere caricato in una siringa ed espulso tutto il cordone nervoso 32. Anche una dissezione accurata è critico qui come in qualsiasi preparazione CNS. Alcuni potrebbero trovare più facile per accedere al sistema nervoso centrale sezionando la cuticola dorsale. Mentre questo riduce la possibilità di danneggiare il cordone nervoso ventrale può essere più difficile da rimuovere tutti i visceri utilizzando questo approccio.
Non è descritto qui, ma questa preparazione è suscettibile di registrazione intracellulare nelle interneuroni giganti 32,33. L'intero cordone nervoso può anche essere rimosso per accogliere vari elettrodi di registrazione e stimolante allo stesso tempo. In esplorazione fatto della Lobe antenne, funghi body, e altre strutture del sistema nervoso centrale anteriore è ancora in corso 34-35. Mentre lo scarafaggio CNS continua a far luce sulla moderna ricerca neurobiologica questa particolare preparazione è abbastanza semplice da essere utilizzato in laboratori accademici universitari.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo Hyewon Cooper per le illustrazioni.
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. |