生理和解剖技术演示,以解决功能和结构的关节本体感受器和肌张力受体在甲壳类动物行走的四肢。
这些程序的主要目的是展示用于教学和研究的目的如何记录生活负责本体初级感觉神经元,因为他们检测关节位置和运动,肌肉紧张的活动。从甲壳类动物本体感受器和张力感受器的电活动记录由基础神经生理学仪器和换能器,用于同时测量,是由刺激运动神经产生的力。此外,我们将演示如何染色的神经元的解剖结构的快速评估或永久固定。染色显示解剖组织,是代表大多数甲壳类chordotonal器官。比较紧张的神经反应,本体感受反应是一种有效的教学工具,在确定这些感觉神经元是如何定义的功能和解剖结构是如何关联的功能。三种染色技术都使研究人员和教师选择的方法,非常适合他们的实验室。
本体是肢体位置和运动,使协调运动行为的感觉。本体感受器包括位置(静态)和运动(动觉)受体。在昆虫和甲壳类动物,chordotonal机关是这些信息提供给中枢神经系统1的结构。不是所有的chordotonal器官跨越关节,但他们仍然可以监视关节运动,由于其附着在其上跨越关节和移动与骨骼肌肉和关节的关节协会的apodemes(腱状结构)。蟹腿有6节,每一个都具有一个或两个chordotonal器官2。通常情况下,chordotonal器官有60-100或多项嵌入弹性链内的感觉神经元,即信号静态关节的位置,方向和运动3-6速度神经元。从chordotonal器官输入的每个关节和腿部,然后集中处理,使协调运动的动物。
<p class="jove_content">是腿部肌肉等长收缩期间和等渗收缩产生的力量是由肌肉纤维及其附件apodemes7-9相关的张力感受器检测。在下面,我们提出的方法对从记录监视本体初级感觉神经元和由肌纤维产生的力响应的神经元的甲壳类动物行走的腿协议。一种技术用于激活的腿部运动和量化力产生还提出,以及可用于这些外周神经系统结构的结构表征解剖技术。下面展示了程序启用支配这两种类型的受体相对于它们的位置上的chordotonal弹性绞合线和apodeme神经元的结构和功能的分析。为了说明这一点,我们使用propodite-dactylopodite(PD)chordotonal器官,跨越蟹腿3的前端最段的器官。虽然详细的电生理研究开始于20世纪30年代至今仍在进行的,某些方面已成为闻名关于本体感受器中的各个关节和他们的角色在muscles10-16的协调控制段连接。建立本体感受器官,肌肉和神经系统的结构与功能的关系,将有助于进一步定义这些角色。例如,标签的胞体和插入apodeme紧张的神经元末梢的结局,就会发现它们的相对位置的肌肉纤维8,17-21。
我们提出3种染色技术的甲壳类动物的腿,可以在研究或学术实验室中使用。亚甲基蓝染色提供最佳对比度的肌肉和神经,并建议作为一个简单的技术,让学生学习解剖学。具有荧光显微镜实验室的设置可以通过简单地暴露神经完成更多的选择性神经元染色s到的活体染料4 – 二-2 – ASP。第三种方法是氯化钴回填,其染色和固定的神经元,并且不需要荧光成像。虽然它是时间和劳力密集型的,这种染色工艺使高对比度和特异性,将填充的神经。一起这些技术可用于比较各种chordotonal器官,而不是只在一个肢体或肢体之间,而且在其他甲壳类动物和昆虫物种20-22。在生理记录和解剖染色使用的蓝蟹(C.蓝蟹 )都是现成的四周,美国的南部和东南部边境。本种作为在大多数的螃蟹发现chordotonal和紧张的神经安排的代表。西海岸实验室将倾向于使用更大的珍宝蟹( 巨蟹座魔导师 )这些实验。
这组实验的目的是1)从可识别的本体感受器官和神经紧张教导,并表现出细胞外记录的基本原则和2)强调有关特定感官系统的生理功能解剖标测的重要性。这种实验方法及动物模型使用的是价格便宜,比较容易开展神经生理学教学实验室。
chordotonal器官的神经元有两个特定的功能类型,那些对运动作出反应和回应那些对静态位置。从各种chordotonal器官的单个细胞记录,无论哪个关节进行检查,都显示出这是事实3,5。事实上,随着龙虾的触角关节相关chordotonal器官揭示两个相同的感官类型和基本解剖学27。除了有作为两个神经元类型(移动,positi上)时,神经元共享它们各自的弹性股线的同一解剖结构。大胞体位于近端上链往往属于动态运动敏感神经元。该信号静态持仓神经元有小胞体,位于远端。这些细胞是tonically活性。 PD的合资只包含一个单一的chordotonal器官,同时也有在腕骨-propodus(CP)和merus-腕骨(MC)接头2 chordotonal器官。
揭露本体结构蓝蟹(C.蓝蟹 )的电生理记录解剖需要一个战略,让关节活动,以发生在自然的位置,而从感觉神经元记录。紧张的神经在行走的腿肌肉的揭幕战是一个非常精细的神经由几个神经元。除非小心,张力神经以及运动神经支配的肌肉被刺激,这可剥离时被损坏。为最佳录音抽吸电极需要进行调整以适应神经的大小。录音是在使用30-40X的放大倍率解剖显微镜和低端显微操作一个实验室的学生容易获得。
未来的实验,这将是有趣的,寻求与联合chordotonal机关将在生命周期的不同阶段来考察过程中不同物种的腿再生的结构和生理型材的后续行动所使用癌症魔导师 19,26的初步研究。剩下要解决的问题是:1)没有再生肢体再生时,神经元的分布和组织取决于动物的年龄,2)是一个再生肢体功能的轴突投射到中枢神经系统(腹神经索)还是它需要时间和联合使用来建立连接的功能,和3)会发生什么,以切断的轴突近端自残平面时,肢体autotomized?28
甲壳类动物顺应环境条件和其周围的温度,但目前还不清楚它们如何保持协调内的神经电路的神经元改变它们的活性响应于温度的变化。变化的速度慢可能让动物有一段时间的适应,而快速变化可能not29,30。由于代谢,行为31,或者环境影响生理变化,pH或渗透压可能存在类似的挑战,以参与本体感觉神经回路。这些甲壳类制剂是理想的解决这些类型的问题,因为它们的功能被很好地表征在单细胞水平。
在这个协议中,我们已经证明紧张的神经元在监测的揭幕战肌肉产生力量的生理意义。这些张力感受器可以通过染色程序追溯到apodeme中的位置。这些神经元,在哺乳动物中,检测力在各层次,增聘神经元的力增大。在活动的频率是关系到运动神经元的刺激频率,直到饱和接收为止。使用带有弯曲的指节关节快速释放协议,紧张的活动很快消失,但随后在后完全伸展关节恢复张力返回。这是一个典型的实验程序,以说明张力感受器测量的力。各种神经调质可应用于编制,看看它是如何影响力和神经反应的发展。其中一个重要方面是如何的神经反应处理和集成在中枢神经系统和其上运动神经元活动的影响。我们已经证明的技术允许一个开始,以解决有关的张力(感觉)神经运动神经元电路的功能,在一个完整腿的神经节,即信号和背部的更多信息到肌肉。
展示了染色程序,关键是理解的感觉神经元的生理该支配本体感受器官。基于功能与胞体大小的神经元的解剖安排在蟹腿内的各种chordotonal器官相似。它不知道,如果类似神经元的安排也存在于其他甲壳类动物或昆虫。从单细胞结合生理记录和绘制的位置可以直接结构与功能的关系。长期保存用的CoCl 2染色和固定的解剖结构允许一个反复使测量和评估的结构布置。
本体感觉和骨骼肌的紧张前台的感官方式,使协调的行为和应对外部和内部环境进行阐述动物在各种骨骼肌配置秒。在小龙虾的腹部肌肉受体的器官是另一个证据充分的准备(见小龙虾项目; http://www.crawdad.cornell.edu/ )作教学用途本体的每腹部半段23只有两个神经元。如果能够从单个神经元记录到感觉神经束提供进一步的细节了解的感官接收的基本原理,援助。这些相对简单的甲壳类动物制品允许一个解决本体感觉和紧张监控的基本方面,有可能确定神经回路,使之本体感觉和其他感觉输入9-12,32,33中央集成。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢Hyewon库珀的艺术贡献。
Sylgard | Dow Corning | 182 silicone kit | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C5670 | |
HEPES acid | Sigma | 3375 | Free acid, crystalline |
HEPES base | Sigma | ||
D-Glucose | Sigma | G7021 | |
MgSO4•7H2O | Sigma | M2643 | |
Na2SO4•10H2O | Sigma | 246980 | |
Bouin’s solution fixative | Sigma | HT10-1-32 | Caution: Hazardous material (Special shipping cost required) |
CoCl2 | Sigma | Caution: Hazardous material. Please follow proper disposal according to local and federal regulations. | |
Methylene blue chloride | Matheson Co., Inc | Basic Blue 9, C.I. 52015 | |
4-Di-2-ASP | Molecular Probes | 4-(4-diethylaminostyryl)-N-methylpyridinium iodide | |
Bleach | Sigma-Aldrich | To chloride silver wire | |
NaOH | Sigma-Aldrich | 221465 | To adjust pH |
HCl | Sigma-Aldrich | H1758 | To adjust pH |
Materials | |||
Dissecting tools | World Precision Instruments | assortment | |
Intracellular electrode probe | |||
Faraday cage | |||
Insect Pins | Fine Science Tools, Inc | 26001-60 | |
Dissecting microscope (100X) | |||
Fiber optic lamp | |||
Small adjustable mirror | To direct light beam toward the preparation. | ||
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 |
Raised preparation stand | |||
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 | |
Force transducer | AD Instruments | 0-50g | MLTF050/ST |
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 |