ב-Vivo סידן הדמיה אופטית של למידה הנגרמת הפלסטיות הסינפטית בדרוזופילה מלאנוסטר

פענוח היכן וכיצד המידע נרכש במוח באמצעות למידה ומאוחסן לאחר מכן כזיכרון מהווה את אחת המשימות המאתגרים ביותר במדעי המוח¹. מחקרים נוירומדעיים הובילו למושג שינוי בשידור הסינפטית כמצע עצבי הנמצא ביסוד הלמידה והיווצרות הזיכרון^2,3. זה שיערו כי, במהלך הלמידה, קשרים סינפטית בין ההרכבים עצבי כי הם פעילים במהלך התפיסה של גירוי להיות שונה כך דפוס הפעילות המשולבת שלהם ניתן לאחזר במהלך הזיכרון להיזכר, ובכך להדריך פעולה התנהגותית עתידית⁴. אלה “התאים engram” ואת הסינפסות שלהם מופצים לעתים קרובות על פני אזורי המוח רמות של עיבוד, מה שמקשה על הקצאת שינויים נצפו בשידורי סינפטית ללמידה של משימה או גירוי. כדי להתאים ולהמחיש את השינויים הסינפטית האלה כי הם מקושרים למשימה למידה ספציפית אחד צריך מערכת המודל המתאים המאפשר בדיוק מגבילה את הסינפסות.

עבור מאמץ כזה, דרוזופילה מלאנוסטר מתאים במיוחד משום שהוא משלב פשטות מוחית יחסית, עושר התנהגותי ונגישות ניסויית. בין האורגניזמים המבוססים היטב, דרוסופילה ממוקם בין ה-נמטודות C. אלגיה ויונקים מבחינה גנטית כמו עכברים במונחים של מורכבות עצבית. מספר סטריוטיפית של נוירונים (~ 300) ורפרטואר התנהגותי מוגבל נצפה בג. יונקים, לעומת זאת, יש מיליוני נוירונים. ומורכבות התנהגותית אדירה המוח של זבוב הפירות הוא, עם שלה ~ 100,000, הנוירונים קטנים באופן משמעותי מהמוח של רוב בעלי החוליות, ורבים הנוירונים הם לזיהוי באופן אינדיבידואלי⁵. ובכל זאת, דרוזופילה מפגין ספקטרום רחב של התנהגויות מורכבות, כולל יכולת להציג למידה איתנה של ריח והיווצרות זיכרון, המתואר לראשונה לפני 40 שנים לפני⁶. במהלך הליך התניה קלאסי, קבוצות של זבובים חשופים לריח כגירוי ממוזג (CS⁺) בעוד הם מקבלים הלם חשמלי מעניש כמו גירוי ממוזג (ארה ב). הריח השני (CS^–) מוצג לאחר מכן ללא כל עונש. כך, בעלי החיים לומדים להימנע מהריח הקשור לעונש, שניתן לבחון במצב הבחירה הבא בין שתי הריחות, CS⁺ ו^-cs-. העבודה על ניתוח המצע העצבי שבבסיס התנהגות זו בדרוזופילה זיהתה את גופי הפטריות (MB) כאתר הראשי של “engram”^7,8,9,10 ולכן, המעגלים של אזור המוח הזה היה והוא הנושא של מחקר אינטנסיבי כדי לחשוף את ההיגיון שבו אנגרמה זיכרון נרכש ומאוחסן (שנבדקו לאחרונה בשנת^11,12).

The drosophila ילה MB מורכב ~ 2,000 נוירונים פנימיים (תאים קניון) לכל חצי הכדור, מאורגן התחזיות סיבי מקבילי¹³. Axons של הקרנת הריח הנוירונים מורחבים החזייה לרוחב לאורך ו calyces MB, אתר הקלט הדנדריטי הראשי של MB ולקבל קלט החוש מן האונות האנטנה. צרור האקטונים הארוכים והמקבילים של תאי קניון מהווים את מדווש ואת האונות. רוב התאים קניון bifurcate להרכיב אופקי β/β’-האונות על ידי הארכת עירבון אחד כלפי קו האמצע של המוח, ו-α האנכי/α’-האונות על ידי הארכת העירבון השני מקרין בכיוון הקדמי הקדמית. הקבוצה השנייה של תאים קניון צורות γ אופקי-האונות¹³ של המגה בייט שבו תהליך הלמידה והיווצרות הזיכרון לטווח הקצר הבאים יכול להיות מקומי¹⁰. האונות MB לקבל קלט כלי לימפה ולספק פלט efferent, שניהם מוגבלים בדרך כלל compartmental sub-אזורים נפרדים לאורך אקסונים תא קניון^14,15,16. בפרט, הקלט של הנוירונים במגה-בתים של כלי לימפה בנפח MB הוכחו לתווך ערך מבוסס, למשל, ענישה, חיזוק השפעות הריח למידה אסוציאטיבית^15,17. Stereotypic ובאופן אינדיבידואלי efferent MB פלט הנוירונים מתוך האונות בגוף פטריות לשלב מידע על פני מספר גדול של תאים קניון, יעד אזורי המוח מגוונות התנהגות דוב-מידע מספק מאוד או מאוד מספק¹⁵ . הארכיטקטורה העצבית הזאת הובילה. למושג של ארגון האנגרמה האסוציאטיבית ריחות מקודדים במדויק על ידי הרכבים המופעל בדלילות של תאים קניון. האירוע מגזר המקרה של אלה הרכבים תא הקניון ושחרורו של דופמין-עורר על ידי הענשת גירויים-העברת מודולים מתא קניון מראש לתוך הנוירונים הפלט מגה בייט כגון בעלי החיים לאחר מכן למנוע את הריח הזה מסוים^{10 ,12}. אנו משתמשים זו אנגרמה מוגדר למדי בדיוק מקומי כמו במקרה פרדיגמטי כדי להמחיש כיצד אלה תלויי למידה שינויים בפעילות סינפטית ניתן לקבוע ופיקוח.

הערך של דרוזוהילה כמערכת מודל מסתמך בחוזקה על ארגז הכלים הגנטי ללא תחרות המאפשר לאחד לבטא טרנסגנים לזיהוי, ניטור ושליטה על נוירונים בודדים בתוך מעגלים מורכבים¹⁸. הופעתו של טכניקות לניטור הפעילות העצבית-כגון הדמיה סידן, דנו כאן-הרשו לקביעת דפוסי הפעילות העצבית בתגובה לגירוי מסוים. על-ידי שילוב ביטוי מGal4 ספציפי של מחווני סידן מקודדים גנטית (סמארה) עם גירוי ריח, אפשר לדמיין את הדינמיקה המועוררה של הסידן של נוירונים בריבית¹⁹. בפרוטוקול זה מראים כי על ידי צימוד טכניקה זו עם פרדיגמה מיזוג קלאסית, ניתן לבחון את תגובות הריח הזה בהקשר של למידה. פלסטיות המושרה למידה ניתן לגזור עוד באמצעות הסמזה כי הם לא רק מקומי לעצב מסוים אחד, אלא גם לתאי משנה ספציפיים של תא העצב. Pech ואח ‘²⁰ הקים מבחר כלים המאפשרים בדיוק את זה. על-ידי התמקדות GCaMP3²¹ אל מקדם או פוסטסינפסה באמצעות הצמדה בעלי החוליות Synaptophysin או dהומר, בהתאמה²⁰-האפנון הדיפרנציאלי של אתרים אלה ניתן להבחין. לוקליזציה זו מהווה, בהקשר זה, יתרון על רוב הגנוטים היא כי הם במצב אוביקווילי לאורך הציטוסול-למשל, GCaMP²², GCaMP3²¹, או GCaMP6²³ -כי זה אומר הארעיות טרום ופוסט סינפטית יכול להיות נבדל מזרם הסידן המשולב הכולל המתרחש כתוצאה של הפעלת תא העצב. הדבר יכול לספק רמזים לגבי המיקום והסוגים של הפלסטיות המתרחשים כתוצאה או הגורם ללמידה וליצירת זיכרון. כדוגמה, הפרוטוקול המסופק כאן מציג את הערך של כלי זה בפענוח האפנון של הנוירונים פלט MB במהלך הלמידה אסוציאטיבית הריח על ידי מיקוד הביטוי של חיישן הסידן רק postסינפסה. על-ידי ניטור, בתוך לטוס בודד, מעורר ריח פעילות לפני ואחרי המיזוג ריח השוואה ישירה ניתן להסיק בין תגובת ריח נאיבי ותגובת ריח למדה. בעוד קבוע באותו חדר הדמיה, זבובים חשופים מבחר של ריחות. לאחר מכן, הם מקבלים פרוטוקול התניה אסוציאטיבית, שבו אחת מריחות אלה מזווג עם הלם חשמלי (להיות CS⁺) ועוד ריח מוצג ללא חיזוק (להיות cs^–). לבסוף, הזבובים נחשפים שוב לריחות כמו בשלב הראשון. השתמשו בסידן מיקרוסקופית. שתי פוטון