التسجيل الأساسي: تقنية لتحليل استجابات الخلايا العصبية الذوقية في ذبابة الفاكهة
Summary
تسمح طريقة نادرة الاستخدام للتسجيل الكهربي ، التسجيل الأساسي ، بتحليل ميزات ترميز الذوق التي لا يمكن فحصها بواسطة طرق التسجيل التقليدية. يسمح التسجيل الأساسي أيضا بتحليل استجابات الذوق للمنبهات الكارهة للماء التي لا يمكن دراستها باستخدام الطرق الكهربية التقليدية.
Abstract
تتذوق الحشرات العالم الخارجي من خلال شعر التذوق ، أو السنسيلا ، التي تحتوي على مسام في أطرافها. عندما يتلامس السنسيلوم مع مصدر غذائي محتمل ، تدخل المركبات من مصدر الغذاء عبر المسام وتنشط الخلايا العصبية بداخلها. لأكثر من 50 عاما ، تم تسجيل هذه الاستجابات باستخدام تقنية تسمى تسجيل الإكرامية. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة لها قيود كبيرة ، بما في ذلك عدم القدرة على قياس النشاط العصبي قبل أو بعد ملامسة التحفيز ومتطلبات أن تكون المذاق قابلة للذوبان في المحاليل المائية. نصف هنا تقنية نسميها التسجيل الأساسي ، والتي تتغلب على هذه القيود. يسمح التسجيل الأساسي بقياس نشاط الخلايا العصبية الذوقية قبل المثير وأثناءه وبعده. وبالتالي ، فإنه يسمح بتحليل مكثف لاستجابات OFF التي تحدث بعد تحفيز الذوق. يمكن استخدامه لدراسة المركبات الكارهة للماء مثل الفيرومونات طويلة السلسلة التي لها قابلية ذوبان منخفضة جدا في الماء. باختصار ، يوفر التسجيل الأساسي مزايا الفيزيولوجيا الكهربية أحادية الإحساس كوسيلة لقياس النشاط العصبي – دقة مكانية وزمانية عالية ، دون الحاجة إلى أدوات وراثية – ويتغلب على القيود الرئيسية لتقنية تسجيل الطرف التقليدية.
Introduction
تتمتع الحشرات ، بما في ذلك ذباب ذبابة الفاكهة ، بنظام طعم متطور يمكنها من استخراج المعلومات الكيميائية المعقدة من محيطها. يسمح لهم هذا النظام بتمييز التركيب الكيميائي للمواد المختلفة ، والتمييز بين تلك المغذية وتلك الضارة 1,2.
في قلب هذا النظام توجد هياكل متخصصة تعرف باسم شعر الذوق أو السينسيلا ، وتقع في موقع استراتيجي على أجزاء مختلفة من الجسم. في ذبابة الفاكهة ، توجد هذه الحس على labellum ، وهو عضو الذوق الرئيسي لرأس الذبابة1،2،3،4 ، وكذلك على الساقين والأجنحة1،2،5،6. يقع labellum في طرف خرطوم ويحتوي على اثنين من الفصوص4،7،8. كل فص مغطى ب 31 حس طعم مصنفة على أنها قصيرة وطويلة ومتوسطة4،7،8. هذه sensilla كل منزل 2-4 طعم الخلايا العصبية1،2،9،10. تعبر هذه الخلايا العصبية الذوقية عن أعضاء من أربع عائلات جينية مختلفة على الأقل ، وهي المستقبلات الذوقية (Gr) ، ومستقبلات الأيونوتروبيك (Ir) ، والنشل (Ppk) ، وجينات إمكانات المستقبلات العابرة (Trp) 1،2،11،12،13. هذا التنوع في المستقبلات والقنوات يزود الحشرات بالقدرة على التعرف على مجموعة واسعة من المركبات الكيميائية ، بما في ذلك الإشارات غير المتطايرة والمتطايرة1،2،14.
لأكثر من 50 عاما ، قام العلماء بقياس استجابة الخلايا العصبية الذوقية ومستقبلاتها باستخدام تقنية تسمى تسجيلالطرف 3،4،6،8،13،15،16،17،18،19،20،21،22،23،24,25,26,27,28,
29,30,31,32,33,34,35. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة لها قيود كبيرة. أولا ، لا يمكن قياس النشاط العصبي إلا أثناء ملامسة التحفيز ، وليس قبل أو بعد الاتصال. هذا القيد يحول دون قياس نشاط الارتفاع التلقائي ويمنع قياس استجابات OFF. ثانيا ، يمكن اختبار المذاق القابل للذوبان في المحاليل المائية فقط.
يمكن التغلب على هذه القيود من خلال تقنية فيزيولوجية كهربية بديلة نادرا ما تسمى “التسجيل الأساسي”. هنا نصف هذه التقنية ، التي قمنا بتكييفها من طريقة استخدمها Marion-Poll وزملاؤه24 ، ونعرض ميزات ترميز الذوق الحاسمة التي يمكنها الآن قياس14 بسهولة.
Protocol
Representative Results
Discussion
في التسجيلات من بعض أنواع الحساسية، قد يكون من الصعب التمييز بين طفرات الخلايا العصبية المختلفة. على سبيل المثال ، تنتج الخلايا العصبية السكرية والخلايا العصبية الحسية الميكانيكية في S و I sensilla طفرات ذات سعات مماثلة ، مما يجعل من الصعب تمييزها 4,14. نجد أن است?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر زينة بيرمان على الدعم ، وليزا بايك على التعليقات على المخطوطة ، وأعضاء آخرين في مختبر كارلسون للمناقشة. تم دعم هذا العمل منحة المعاهد الوطنية للصحة K01 DC020145 إلى H.K.M.D ؛ وتمنح المعاهد الوطنية للصحة R01 DC02174 و R01 DC04729 و R01 DC011697 إلى J.R.C.
Materials
| Microscope | Olympus | BX51WI | equipped with a 50X objective (LMPLFLN 50X, Olympus) and 10X eyepieces. |
| Antivibration Table | TMC | 63-7590E | |
| motorized Micromanipulators | Harvard Apparatus and Märzhäuser Micromanipulators | Micromanipulator PM 10 Piezo Micromanipulator | |
| manual Micromanipulators | Märzhäuser Micromanipulators | MM33 Micromanipulator | |
| Magnetic stands | ENCO | Model #625-0930 | |
| Reference and recording Electrode Holder | Ockenfels Syntech GmbH | ||
| Stimulus glass capillary Holder | Ockenfels Syntech GmbH | ||
| Universal Single Ended Probe | Ockenfels Syntech GmbH | ||
| 4-CHANNEL USB ACQUISITION CONTROLLER , IDAC-4 | Ockenfels Syntech GmbH | ||
| Stimulus Controllers | Ockenfels Syntech GmbH | Stimulus Controller CS 55 | |
| Personal Computer | Dell | Vostro | Check for compatibility with digital acquisition system and software |
| Tungsten Rod | A-M Systems | Cat#716000 | |
| Aluminum Foil and/or Faraday Cage | Electromagnetic noise shielding | ||
| Borosilicate Glass Capillaries | World Precision Instruments | 1B100F-4 | |
| Pipette Puller | Sutter Instrument Company | Model P-97 Flaming/Brown Micropipette Puller | |
| Stereomicroscope | Olympus | VMZ 1x-4x | For fly preparation |
| p200 Pipette Tips | Generic | ||
| Microloader tips | Eppendorf | E5242956003 | |
| 1 ml Syringe | Generic | ||
| Crocodile clips | |||
| Power Transformers | STACO ENERGY PRODUCTS | STACO 3PN221B | Assembled from P1000 pipette tips, flexible plastic tubing, and mesh |
| Modeling Clay | Generic | ||
| Forceps | Generic | ||
| Plastic Tubing | Saint Gobain | Tygon S3™ E-3603 | |
| Standard culture vials | Archon Scientific | Narrow 1-oz polystyrene vails, each with 10 mL of glucose medium, preloaded with cellulose acetate plugs | |
| Berberine chloride (BER) | Sigma-Aldrich | Cat# Y0001149 | |
| Denatonium benzoate (DEN) | Sigma-Aldrich | Cat# D5765 | |
| N,N-Diethyl-m- toluamide (DEET) | Sigma-Aldrich | Cat# 36542 |
References
- Joseph, R. M., Carlson, J. R. Drosophila chemoreceptors: a molecular interface between the chemical world and the brain. Trends Genet. 31 (12), 683-695 (2015).
- Montell, C. Drosophila sensory receptors-a set of molecular Swiss Army Knives. Genetics. 217 (1), 1-34 (2021).
- Dweck, H. K. M., Carlson, J. R. Molecular logic and evolution of bitter taste in Drosophila. Curr Biol. 30 (1), 17-30 (2020).
- Weiss, L. A., Dahanukar, A., Kwon, J. Y., Banerjee, D., Carlson, J. R. The molecular and cellular basis of bitter taste in Drosophila. Neuron. 69 (2), 258-272 (2011).
- He, Z., Luo, Y., Shang, X., Sun, J. S., Carlson, J. R. Chemosensory sensilla of the Drosophila wing express a candidate ionotropic pheromone receptor. PLoS Biol. 17 (5), e2006619 (2019).
- Ling, F., Dahanukar, A., Weiss, L. A., Kwon, J. Y., Carlson, J. R. The molecular and cellular basis of taste coding in the legs of Drosophila. J Neurosci. 34 (21), 7148-7164 (2014).
- Falk, R., Bleiser-Avivi, N., Atidia, J. Labellar taste organs of Drosophila melanogaster. J Morphol. 150 (2), 327-341 (1976).
- Hiroi, M., Meunier, N., Marion-Poll, F., Tanimura, T. Two antagonistic gustatory receptor neurons responding to sweet-salty and bitter taste in Drosophila. J Neurobiol. 61 (3), 333-342 (2004).
- Shanbhag, S. R., Park, S. K., Pikielny, C. W., Steinbrecht, R. A. Gustatory organs of Drosophila melanogaster: fine structure and expression of the putative odorant-binding protein PBPRP2. Cell Tissue Res. 304 (3), 423-437 (2001).
- Siddiqi, O., Rodrigues, V. Genetic analysis of a complex chemoreceptor. Basic Life Sci. 16, 347-359 (1980).
- Clyne, P. J., Warr, C. G., Carlson, J. R. Candidate taste receptors in Drosophila. Science. 287 (5459), 1830-1834 (2000).
- Koh, T. W., et al. The Drosophila IR20a clade of ionotropic receptors are candidate taste and pheromone receptors. Neuron. 83 (4), 850-865 (2014).
- Sánchez-Alcañiz, J. A., et al. An expression atlas of variant ionotropic glutamate receptors identifies a molecular basis of carbonation sensing. Nat Commun. 9 (1), 4252 (2018).
- Dweck, H. K. M., Carlson, J. R. Diverse mechanisms of taste coding in Drosophila. Sci Adv. 9 (46), (2023).
- Chyb, S., Dahanukar, A., Wickens, A., Carlson, J. R. Drosophila Gr5a encodes a taste receptor tuned to trehalose. Proc Natl Acad Sci U S A. 100, 14526-14530 (2003).
- Dahanukar, A., Lei, Y. T., Kwon, J. Y., Carlson, J. R. Two Gr genes underlie sugar reception in Drosophila. Neuron. 56 (3), 503-516 (2007).
- Delventhal, R., Carlson, J. R. Bitter taste receptors confer diverse functions to neurons. Elife. 5, e11181 (2016).
- Dweck, H. K. M., Talross, G. J. S., Luo, Y., Ebrahim, S. A. M., Carlson, J. R. Ir56b is an atypical ionotropic receptor that underlies appetitive salt response in Drosophila. Curr Biol. 32 (8), 1776-1787 (2022).
- Hiroi, M., Marion-Poll, F., Tanimura, T. Differentiated response to sugars among labellar chemosensilla in Drosophila. Zoolog Sci. 19 (9), 1009-1018 (2002).
- Jeong, Y. T., et al. An odorant-binding protein required for suppression of sweet taste by bitter chemicals. Neuron. 79 (4), 725-737 (2013).
- Jiao, Y., Moon, S. J., Montell, C. A Drosophila gustatory receptor required for the responses to sucrose, glucose, and maltose identified by mRNA tagging. Proc Natl Acad Sci U S A. 104 (35), 14110-14115 (2007).
- Jiao, Y., Moon, S. J., Wang, X., Ren, Q., Montell, C. Gr64f is required in combination with other gustatory receptors for sugar detection in Drosophila. Curr Biol. 18 (22), 1797-1801 (2008).
- Kim, S. H., et al. Drosophila TRPA1 channel mediates chemical avoidance in gustatory receptor neurons. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (18), 8440-8445 (2010).
- Lacaille, F., et al. An inhibitory sex pheromone tastes bitter for Drosophila males. PLoS One. 2 (7), e661 (2007).
- Lee, Y., et al. Gustatory receptors required for avoiding the insecticide L-canavanine. J Neurosci. 32 (4), 1429-1435 (2012).
- Lee, Y., Kim, S. H., Montell, C. Avoiding DEET through insect gustatory receptors. Neuron. 67 (4), 555-561 (2010).
- Lee, Y., Moon, S. J., Montell, C. Multiple gustatory receptors required for the caffeine response in Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (11), 4495-4500 (2009).
- Lee, Y., Moon, S. J., Wang, Y., Montell, C. A Drosophila gustatory receptor required for strychnine sensation. Chem Senses. 40 (7), 525-533 (2015).
- Meunier, N., Marion-Poll, F., Rospars, J. P., Tanimura, T. Peripheral coding of bitter taste in Drosophila. J Neurobiol. 56 (2), 139-152 (2003).
- Moon, S. J., Köttgen, M., Jiao, Y., Xu, H., Montell, C. A taste receptor required for the caffeine response in vivo. Curr Biol. 16 (18), 1812-1817 (2006).
- Moon, S. J., Lee, Y., Jiao, Y., Montell, C. A Drosophila gustatory receptor essential for aversive taste and inhibiting male-to-male courtship. Current Biology. 19, 1623-1627 (2009).
- Rimal, S., et al. Mechanism of acetic acid gustatory repulsion in Drosophila. Cell Rep. 26 (6), 1432-1442 (2019).
- Shim, J., et al. The full repertoire of Drosophila gustatory receptors for detecting an aversive compound. Nat Commun. 6, 8867 (2015).
- Xiao, S., Baik, L. S., Shang, X., Carlson, J. R. Meeting a threat of the Anthropocene: Taste avoidance of metal ions by Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 119 (25), e2204238119 (2022).
- Zhang, Y. V., Ni, J., Montell, C. The molecular basis for attractive salt-taste coding in Drosophila. Science. 340 (6138), 1334-1338 (2013).
- Delventhal, R., Kiely, A., Carlson, J. R. Electrophysiological recording from Drosophila labellar taste sensilla. J Vis Exp. (84), e51355 (2014).
- Marella, S., et al. Imaging taste responses in the fly brain reveals a functional map of taste category and behavior. Neuron. 49 (2), 285-295 (2006).
- Thorne, N., Amrein, H. Atypical expression of Drosophila gustatory receptor genes in sensory and central neurons. J Comp Neurol. 506 (4), 548-568 (2008).
- Wang, Z., Singhvi, A., Kong, P., Scott, K. Taste representations in the Drosophila brain. Cell. 117 (7), 981-991 (2004).
