Koku sinirinden ekstrasellüler çok üniteli kayıt, deniz balıklarında koku alma hassasiyetini değerlendirmek için hassas, sağlam ve tekrarlanabilir bir yöntemdir. Birincil duyusal girişi kaydeder ve dış tuzluluktan bağımsızdır.
Son çalışmalar okyanus asitleşmesinin balıklarda koku alma odaklı davranışları etkilediğini göstermiştir. Bunun nedeni kısmen yüksek PCO2/lowpH sudaki koku alma hassasiyetinin azalması olabilir. Okyanus asitleşmesinin veya genel olarak deniz balıklarında koku alma hassasiyetinin etkilerini değerlendirmek için, koku sinirinden hücre dışı çok birimli kaydın tercih edilen yöntem olduğunu öneriyoruz. İnvaziv olmasına rağmen hassas, sağlam, tekrarlanabilir ve dış tuzluluktan bağımsızdır (örneğin elektro-olfactogramın [EOG]’den farklı olarak). Ayrıca, herhangi bir merkezi işlem den önce CNS’ye birincil duyusal girdi kaydeder. Bu yöntemin, konsantrasyon-tepki eğrileri oluşturmak ve algılama eşiklerini hesaplamak için bir dizi amino asit kullanarak hem geçici hem de kokuya bağımlı koku hassasiyetinde bir azalma gösterebileceğini gösteriyoruz.
Balık gıda bulma da dahil olmak üzere hayatlarının birçok yönü için koku ağır güveniyor, yırtıcı kaçınarak, potansiyel eşleri ve göç değerlendirme, diğerleri arasında1,2,3. Bu nedenle, balıkkoku duyarlılığı değerlendirme (Ne koku? Bu bileşiklere karşı ne kadar hassaslar?) bu süreçleri tam olarak anlamak için hayati önem taşımaktadır. Ayrıca, çevre üzerindeki antropojenik etkileri, okyanus asitleşme ve kirlilik gibi, koku sistemi üzerinde derin etkileri olabilir, hatta öldürücü seviyelerde, mutlaka çevreleyen su ile samimi temas çünkü4. In vivo elektrofizyoloji balıklarda koku duyarlılığını değerlendirmek için tercih edilen deneysel bir yaklaşımdır. Üç ana teknik mevcuttur: elektro-olfactogram (EOG), koku ampul kaydedilen elektro-ensefalogram (EEG), ve koku sinir çok birimkayıt5.
EOG en yaygın olarak bu üç6kullanılır. Koku epitelinin üzerinde kaydedilen doğrudan akım (DC) alan potansiyelidir ve bu koku reseptör nöronların (ORN’ler) belirli bir koku antresine yanıt veren toplam jeneratör potansiyeli olduğuna inanılmaktadır. Ancak, balık içinde değil, suda kaydedildiği gibi, tepki genliği sadece balık tarafından üretilen sinyale değil, aynı zamanda çevredeki suyun iletkenliğine de bağlıdır; iletkenlik ne kadar yüksekse (veya direnç ne kadar düşükse), genlik de o kadar düşük olur. Bu, EOG’nin deniz suyunda tatlı su7’yegöre daha az hassas bir yöntem olduğu anlamına gelebilir.
Koku ampul kaydedilen EEG de yaygın balık kokualma soruşturmasında kullanılır. Ancak, koku ampul koku duyusal giriş için birinci sipariş işlememerkezidir 8; glomerruli olarak son derece organize edilir ve sonuç olarak kaydedilen yanıt büyük ölçüde kayıt elektrotlarının konumuna bağlıdır. Örneğin, amino asitleri tespit ORNs gelen giriş koku ampuller lateral bölgede glomeruli tarafından işlenir, konspesifik kaynaklı kimyasallar medial bölgeye yönlendirilir ise9,10,11,12. Feromonal giriş koku ampul içinde son derece lokalize glomerülize yönlendirilebilir. Söz konusu türün anatomisine de bağlı olarak, belirli bir koku için ideal kayıt pozisyonuna kolayca erişilemeyebilir.
Koku sinirinden gelen çok üniteli kayıt, yukarıda özetlenen EOG ve EEG ile ilgili ana sorunları atlatmaktadır. Orn’ların aksonlarından ampule geçen eylemleri kaydederken, birincil duyusal bir sinyaldir. Ve balığın içinde kaydedildiği gibi, tepki genliği dış tuzlululundan bağımsızdır. Yine de, tabii ki bazı dezavantajları vardır. İlk olarak, türün anatomisine bağlı olarak, koku sinirini ortaya çıkarmak için EOG’ye göre daha kapsamlı bir ameliyat gereklidir. İkinci olarak, sinyal EOG daha küçük olduğundan, biraz daha sofistike gerektirir, ve bu nedenle pahalı, ekipman. Diğer deneysel yaklaşımların genel bir açıklama John Caprio5tarafından verilir. Bu makalenin amacı, bu tekniğin bir örneği olarak çipuranın(Sparus aurata)koku sinirinden amino asit kokularına kadar hücre dışı çok birimli yanıtların nasıl kaydedilebildiğini ve böyle bir deneyde karşılaşılan daha yaygın sorunlardan bazılarının nasıl tanımlanacağını ve üstesinden gelincesini ana hatletmektir.
Mevcut çalışma da çok birimli kullanımı açıklar (hücre dışı) çipura koku sinirkayıt(S. aurata),kültür balıkçılığında büyük önem taşıyan bir deniz sparid. Ancak, bu deneysel yaklaşım geniş diğer balık uygulanabilir; elektrotların cerrahisi ve tam yerleşimi açıkça koku sisteminin anatomisine bağlıdır ve anestezi seçimi ve konsantrasyonu incelenen türe bağlı olabilir. Örneğin, japon balığı koku siniri(Carassius auratus)kısa; Bu durumda, koku ampul EEG kayıt daha kolay olacaktır. Koku seçimi de, bir dereceye kadar, türlere bağlı olabilir. Mevcut çalışmada amino asitler kullanılmıştır. Bildiğim kadarıyla yazarlar farkında olarak, bugüne kadar araştırılan tüm balık türleri amino asitlere koku hassasiyeti var1,18. Bu duyarlılık gıda konumu, kimyasal iletişim ve doğum sularının tanınması19,20,2121,22,23gibi çeşitli süreçler karıştığı olmuştur. Ancak, farklı türlerin hassasiyetleri, genel olarak, oldukça benzer konuşma ve yaşam tarzı veya habitat bağlı değildir. Onlar da iyi tanımlanmış moleküller ve ucuz ve kolayca kullanılabilir. Bu nedenler onları balıklarda olfaction çalışmaları için ideal bir test uyarıcı yapmak, özellikle antropojenik bozuklukların etkilerini araştıran (örneğin, asitleşme veya kirlilik), sonuçlar kolayca türler arasında karşılaştırılabilir24.
Söz konusu türe bağlı olarak, çok üniteli kayıt için hazırlıklar birkaç saat boyunca sabit kalabilir; dahili standarda verilen yanıtın genliği (mevcut çalışmada 10-3 M L-serine) ardışık testler arasında %10’dan fazla değişmemelidir. Başparmak bu kural herhangi bir önemli sapma nedeniyle olabilir: (i) balık hareketi, ve bu nedenle elektrotlar ve / veya burun tüpü deplasman; (ii) örneğin, deneycinin elleriyle temas ederek suyun kirlenmesi (özellikle belirli bir kokutunun daha düşük konsantrasyonları daha yüksek konsantrasyonlardan daha büyük tepkiler veriyorsa); veya (iii) hazırlık sağlığının bozulması). Durumda (i), balık taşınmış olup olup yok olmalıdır; eğer öyleyse, yeniden konumlandırmak ve suya daha fazla anestezi katmak ve / veya gallamine triethiodide başka bir doz vermek. 5 dk bekleyin ve standardı yeniden test edin. Yanıt hala daha küçükse, yeterince büyük bir yanıt kaydedilene kadar elektrotları ve/veya burun tüpünü yeniden konumlandırın. Durumda (ii), sadece temiz cam ve su kullanarak, odorant taze bir seyreltme serisi yeniden. Durumda (iii), balığın solungaçları üzerinde su akışının yeterli olup olmadığını, suyun solungaçların üzerinden aktığını (yani ağız yerine opercula dan çıkarak) ve suyun iyi havalandırıldığını kontrol edin. Farklı balık türlerinin sıcaklık tercihleri çok farklıdır; laboratuvar sıcaklığının (ve balıkla temas eden suyun) balığın mümkün olduğunca tutulduğu sıcaklığa yakın olmasını sağlayın. Balığın stresli olmadığından da emin olun ve kayıttan en az bir hafta önce balıkları (bir tanktan diğerine bile) taşımaktan kaçının. Elektriksel gürültü, tabii ki, bir elektrofizyolog hayatının felaketidir; ancak, mevcut makale bu üstesinden gelmek / azaltmak için nasıl tartışmak için uygun bir ortam değildir. Yine de, ‘Akson Kılavuzu’ (üreticinin web sitesinden indirmek için bir pdf olarak serbestçe kullanılabilir) gürültü en aza indirmek pratik tavsiyeler kaynağıdır. Bir kez büyük, istikrarlı bir tepki standart uyarıcı tarafından uyarılır, ve bir konsantrasyon serisi genlik bir konsantrasyon bağımlı artış verir, boş en az yanıt ile, test uyaranları için yanıt kayıt başlayabilirsiniz. Bazı yazarlar aynı uyarıcıyı üç kez verir ve sonraki veri analizi için aritmetik ortalamayı hesaplar. Ancak, bunlar teknik çoğaltmalardır ve bu yaklaşım, bir kayıt oturumunun üç kat aldığı süreyi artırır. Mevcut yazarlar belirli bir koku yutmasını bir kez test etmeyi tercih, ama her zaman bir konsantrasyon-tepki eğrisinin bir parçası. Bu sadece algılama veya EC50 (açıklandığı gibi) eşiğinin hesaplanmasına izin vermekle kalmıyor, aynı zamanda balığın doğal ortamında deneyimlenenesahip olacaklarına yakın konsantrasyonların test edilmesini de sağlar (bu her zaman bilinmemektedir). Ayrıca, herhangi bir aykırı yanıtları, örneğin kontaminasyon nedeniyle, tespit etmek daha kolaydır; gerekirse taze yapılmış bir numune kullanılarak tekrarlanabilir.
Koku sinirinden çok üniteli kayıt invaziv olabilir, ancak deniz suyunda kaydedildiğinde EOG’den daha hassastır7, dış tuzluluktan bağımsız olduğu için. Bu nedenle koku alma hassasiyetini değerlendirmek için kullanılabilir, kalsiyum ve sodyum gibi, konsantrasyonlarında değişiklikler de iletkenlik ve dolayısıyla kaydedilen voltajlar15. Belirli bir kokuya yanıt veren ORN sayısının tahmini olarak (yani, koku epitelinden ampule kadar ORN aksonu boyunca seyahat eden aksiyon potansiyelleri), ham, işlenmemiş bir sinyali temsil eder (koku girişinin ilk işlenmesi ampullerde başlar). Bu nedenle, ağır metaller gibi kirleticilerin doğrudan etkilerini değerlendirmek için daha iyi bir parametre, ve çevresel değişiklikler, pH gibi, Koku sistemi üzerinde EOG veya EEG24daha,25. Yüksek PCO2 (ve bu nedenle düşük pH) ile deniz suyunda koku ampul kayıt nöral işleme pH merkezi etkileri nden etkilenebilir; okyanus asitleşme ‘GABABir reseptör teorisi’26, su pH azalma cl bir yeniden dağıtım neden olur– ve HCO3– BOS iyon ve inhibitör GABAerjik aktivasyon sonucu bir kayma (hiperpolarizasyon) uyarıcı (depolarizasyon). Ayrıca, bu tür çalışmalarda, balığın doğal ortamında karşılaşabildiği gibi koku konsantrasyonları kullanarak asitleşme veya kirleticilerin etkilerini değerlendirmek önemlidir. Amino asitler için, bu mikromolar aralığı27nano olduğunu,28,29; balık bu bileşiklerin tespit eşiğine yakın1,18. Belirli bir koku tacı için tespit eşiğinin tahmini koku hassasiyetinin önemi ve/veya biyolojik rolü hakkında fikir verebilir. Örneğin, deniz lamprey(Petromyzon marinus)10-13 M30bir eşik aşağı larvalar tarafından yayımlanan belirli safra asitleri yüksek koku hassasiyeti vardır; Bu duyarlılık yetişkinlerin uygun yumurtlama alanlarını bulmasını ve belirlemesini ve bu nedenle uzun mesafelerde göçmen feromon olarak hareket etmesini sağlar. Benzer şekilde, olgun dişi deniz lamprey spermine yüksek koku hassasiyeti var (eşik 10-14 M), erkekler tarafından milt yayımlanan bir poliamin, daha sonra spermiating erkeklerin yuvaları onları çekiyor31. Diğer balıklar da poliaminler32koku hassasiyeti var,33,34,35, ama benzer bir feromonal rolü desteklemek için algılama yeterince düşük eşikleri ile; bunun yerine, çürüyen balıklardan kaçınılması önerilmektedir. Bununla birlikte, bu kadar yüksek koku alma hassasiyetleri ile, bu duyarlılık hafif bir azalma (yani, eşik artış), yanıt genliği önemli ölçüde azaltılmış olmasa bile, balık24için ciddi sorunlara neden olabilir hayal etmek mümkündür.
Yarı logaritmatik olarak çizildiğinde, kokulara konsantrasyon-tepki eğrileri üstel, doğrusal veya sigmoidal18olabilir. Amino asitler söz konusu olduğunda, bu tür yarı logaritmik konsantrasyon-yanıt eğrileri ya doğrusal (yani, logaritmik), sigmoidal veya güç fonksiyonları7. Yanıtın doygunluğu görülmediğini (yani, konsantrasyon-tepki eğrisinde plato olmaması, hatta supra-çevresel konsantrasyonlarda bile) muhtemelen belirli bir reseptöre bağlanan her amino asit yerine, konsantrasyonlarına bağlı olarak, bireysel amino asitlere bağlanan birkaç reseptörden kaynaklanmaktadır; belirli bir amino asit konsantrasyonu arttıkça, daha fazla reseptörleri bağlamak ve bu nedenle yanıt edebiliyoruz. Bununla birlikte, balık amino asit karışımları arasında ayırt edebilirsiniz36,37,38,39; Bu koku ampuller 12uyarılmışaktivite kombinatoryal desenler nedeniyle muhtemeldir12,40; aynı reseptör proteinini ifade eden tüm ORN’lerin aksonları koku ampulleri41,,42,aynı glomeruli de sonlandırmak ve bir amino asit birden fazla glomerulus aktive edebilir.
Ancak, feromonlar gibi son derece spesifik kokular, sigmoidal veya yarı-sigmoidal konsantrasyon-yanıt eğrileri uyandırmak olabilir43,44. Çıkarım, ampirik olarak test edilmemiş olsa da, bu koku yanıtları feromon molekülü ve çok az başka bağlamak son derece spesifik reseptörleri nedeniyle olmasıdır. Bu nedenle, belirli bir konsantrasyon yukarıda, tüm reseptörleri işgal edilir, ve daha fazla artışlar diğer ORNs daha fazla yanıt uyandırmak olacaktır. Bu nedenle, bu veriler üç parametrelik Bir Tepe çizimine takılabilir ve maksimal yanıt, EC50 ve Hill co-efficient15,,45,46hesaplanabilir. Bu, doğrusal veya üstel konsantrasyon-yanıt eğrilerinin veremeyeceği, görünür afinite ve görünür reseptör numarası gibi değerli bilgiler verebilir.
The authors have nothing to disclose.
Yazarların laboratuvarındaki çalışmalar Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), Portekiz, PTDC/BIA-BMA/30262/2017 projeleri ve UID/Multi/Multi/04326/2019 ve Sözleşme Programı DL57/2016/CP1361/CT0041 ile ZV tarafından desteklenir.
AC pre-amplifier | Digitimer Ltd (Welwyn Garden City, UK) | NL104 | Neurolog pre-amplifier specifically designed for this type of recording. |
Digidata | Molecular Devices, LLC. (San Jose, CA, USA) | 1440A | Analogue-digital converter. |
EMG Integrator | Digitimer Ltd (Welwyn Garden City, UK) | NL703 | Leaky' electrical integrator to integrate raw activity of the nerve. |
Faraday cage | Made in-house | To reduce electrical noise. | |
Filter | Digitimer Ltd (Welwyn Garden City, UK) | NL125/6 | Filter module for electrophysiological recording. |
Gallamine triethiodide | Sigma-Aldrich (Portugal) | G8134 | Neuromuscular blocker |
L-glutamine | Sigma-Aldrich (Portugal) | G3126 | Amino acid used as odorant |
L-leucine | Sigma-Aldrich (Portugal) | L80000 | Amino acid used as odorant |
L-serine | Sigma-Aldrich (Portugal) | S4500 | Amino acid used as odorant |
Metalic base-plate | Any | Provides base for micro-manipulators. | |
Micro-hematocrit tubes | Any | To position water supply to the olfactory epithelium | |
Micro-manipulators | Narishige International Ltd (London, UK) | M-152 | Position electrodes |
MS222 (ethyl-3-aminobenzoate methanesulfonate salt) | Sigma-Aldrich (Portugal) | E10505 | Anesthetic |
pH probe | Hanna instruments (Póvoa de Varzim, Portugal) | HI12302 | Probe to measure pH of water. |
Refractometer | Hanna instruments (Póvoa de Varzim, Portugal) | HI96822 | Refractometer to measure water salinity |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich (Portugal) | 746398 | For saline solution |
Solenoid valves | The Lee Co. (Essex, CT, USA) | LFAA1201618H | For switching between background water and stimuus solutions (no longer available) |
Stereo-microscope | Zeiss, Leica, Olympus | Any suitable model. | For dissection and placement of electrodes. |
Titrator | Hanna instruments (Póvoa de Varzim, Portugal) | HI84531 | Titrator to measure water alkalinity, pH and temperature. |
Tungsten micro-electrodes 0.1 MΩ | World Precision Instruments (Hitchin, UK) | TM31A10 | Extracellular electrodes. |
Valve Driver | Made in-house | 12 V DC source for operating solenoid valves. | |
Water pump (submersible) | Any | To supply anesthetic-containing water to the gills of the fish. |