Studying the Neural Basis of Adaptive Locomotor Behavior in Insects

Matthias Gruhn; Philipp Rosenbaum; Hans-Peter Bollhagen; Ansgar Bueschges

doi:10.3791/2629

JoVE Journal > Neuroscience

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Nörobilim

ללמוד את הבסיס העצבי של התנהגות מסתגלת של תנועה בתוך חרקים

Published: April 13, 2011

doi:

10.3791/2629

Matthias Gruhn¹, Philipp Rosenbaum¹, Hans-Peter Bollhagen¹, Ansgar Bueschges¹

¹Zoological Institute,University of Cologne

Özet

אנו מתארים שיטה להקליט פעילות מוטורית, בעיתוי לאותת רשמה חשמלית הקשר tarsal ב חרק קשור, הליכה על משטח חלקלק. זה משמש כדי לחקור את הבסיס העצבי של התנהגות אדפטיבית תחת השפעה מופחתת של אינטראקציה מכני בין הרגליים דרך המצע.

Abstract

ללמוד את הבסיס העצבי של הליכה התנהגות, לעתים קרובות בפני את הבעיה כי קשה להפריד בין פלט המיוצר על דריכה neuronally מאלה תנועות הרגל שנובעים כוחות ואינטראקציות פסיבי עם רגליים אחרים באמצעות מגע משותפת עם המצע. אם אנחנו רוצים להבין, איזה חלק של תנועה נתון מופק על ידי פלט מנוע מערכת העצבים, ניתוח kinematic תנועות דריכה, ולכן צריך להיות כהשלמה עם אלקטרו הקלטות של פעילות מוטורית. הקלטה של הפעילות העצבית או שרירית ב חיה מתנהג מוגבל לעתים קרובות על ידי ציוד אלקטרו אשר יכול להגביל את החיה ביכולתה להעביר עם תארים רבים של חופש האפשרי. זה יכול להימנע באמצעות אלקטרודות מושתלת ואחר כך את המהלך החי על גבול ארוך (כלומר Clarac et al, 1987;. Duch & Pflüger, 1995; בוהם et al, 1997;. Gruhn & Rathmayer, 2002) או על ידי שידור את הנתונים באמצעות מכשירים telemetric (Kutsch et al, 1993; פישר et al, 1996;. האמן היפני צוצ'ידה et al 2004;. חמא et al, 2007;.. Wang et al, 2008). שתי שיטות אלה אלגנטי, אשר משמשים בהצלחה פרוקי רגליים גדול יותר, לעתים קרובות קשה להוכיח לחול חרקים קטנים אשר הליכה או בקלות להסתבך לקשור הארוך או הפריע המשקל של המכשיר telemetric וסוללות שלה. בנוסף, בכל המקרים האלה, זה עדיין בלתי אפשרי להבחין בין בסיס עצבי של תנועה טהורה ואת ההשפעות המופעל על ידי צימוד מכני בין הרגליים בהליכה דרך המצע. פתרון אחד לבעיה זו הוא לבצע את הניסויים בבעלי חיים קשור כי הוא חופשי ללכת במקום כי הוא מושעה באופן מקומי, למשל על פני משטח חלקלק, אשר למעשה מסיר מכניקת מגע האדמה ביותר. זה נעשה שימוש כדי ללמוד התגובות לברוח (Camhi ו Nolen, 1981; Camhi ולוי, 1988), מפנה (Tryba ו Ritzman, 2000a, b;. Gruhn et al, 2009a), הליכה לאחור (גרהם אפשטיין, 1985) או שינוי מהירות (Gruhn et al. 2009 ב) והוא מאפשר הנסיין בקלות לשלב התוך תאיים ופיזיולוגיה עם מנתח kinematic (Gruhn et al. 2006).

אנו משתמשים ההתקנה משטח חלקלק כדי לחקור את התזמון של שרירי הרגל על החרק מקל מתנהג בכבוד לגעת למטה ולהרים-off תחת פרדיגמות התנהגותיים שונים כמו הליכה קדימה ישר ומעוקל בהכנות שלם מופחת.

Protocol

1. משטח הליכה משטח הליכה שחור מורכב שתי צלחות ניקל מצופה נחושת באופן קבוע הצטרף לצד מבודד חשמלית על ידי רצועה 2mm רחב של מרכיב-2 דבק אפוקסי (UHU פלוס, UHU GmbH, גרמניה) אחד מהשני ישירות מתחת ציר האורך של החי. הם מייצרים פני השטח הכולל של 13.5×15.5cm (איור 1). ההפרדה של חצי מטוסים רגליים על ימין ועל שמאל מאפשר לפנות עצמאית ניטור tarsal על רגל אחת בכל צד. צלחת הוא משומנים עם תערובת גליצרין / מים ביחס של גליצרין חלקים 95-5 חלקים רווי NaCl-פתרון להעביר חלקלקות ועל מוליכות חשמלית, צמיגות היא 430cStokes כ (שנקר קומאר, 1994). תערובת מוחל ישירות על גבי המשטח מפוזרת עם פיסת רקמה רכה כדי להבטיח עובי כולל של 0.1-0.2mm. 2. גירוי אופטי ההתקנה פרקים הליכה הם עוררו באמצעות שני מקרנים כפי שתואר על ידי Scharstein (1989) לפרויקט דפוס פסים על גבי שני עגולים, מסכי זכוכית באדמה (בקוטר 130mm, מסכי Marata, Linos Photonics, גטינגן, גרמניה) הממוקמים במרחק של כ. 70mm מן העיניים, בזווית של 45 מעלות בקצה הקדמי הימני והשמאלי של צלחת (תמונה 1). אורך הגל של הדפוס הפסים נשמר קבוע ב λ = 21 °. תדירות הניגוד של גירויים יכולים להיות מגוונים נע בין 0.35, 0.72, 1.07 ו 1.49Hz. מאז התגובה של החיות תלוי רק ω הניגוד תדר / λ (ω = מהירות זוויתית, λ = אורך הגל דפוס) אם לעומת זאת דפוס גבוה מספיק (פרמי Reichhardt, 1963), לא להשתנות λ בכל הניסויים . בהיקות של פסים בהירים בצד של החיה הוא 15cd/m2 כ ואת הניגוד 0.8. עין מורכבת של חרק מקל (Carausius morosus) יש 24 האומטידיה בציר dorso-הגחוני (Friza, 1928) ועוד כמה בציר rostro-הזנב. כאשר זווית הסטייה של העין חרק מקל הוא בממוצע 6.2 ° (Jander וולק ו-Henrichs, 1970) שלנו הגל דפוס היה כ 4 פעמים את הזווית של האומטידיה. הניסויים מוגדרים בתוך כלוב פאראדיי חשוך וביצעה בחדר חשוך ב 20-22 ° C. הליכה קדימה הוא המושרה על ידי דפוס מתקדם על מסכי הן שבו פסים על כל מהלך מסך חיצוני, או קרן שחור על רקע לבן אחד ממוקם בין המסכים מפנה הוא המושרה על ידי פסים זז לתוך באותו כיוון על המסכים שניהם. לא מצאנו קורלציה בין מהירות של פסים הנעים את זווית הסיבוב. לאחר בהיקות של דפוס פסים מוגדר לגרום הליכה, זה בדרך כלל אינו מחייב התאמה נוספת, אך הוא יכול להיות מותאם עבור בעלי חיים שונים על פי הצורך על ידי מתח של מנורות ההלוגן ב המקרנים. 3. הכנת בעלי חיים ניסויית נקבה מקל מבוגר חרקים (Carausius morosus) מודבקים (מלט שיניים, ProTempII, ובייחוד 3M, Seefeld, גרמניה) בצד הגחון מטה אל מקל בלזה דקים (3x5x100mm, WxHxL), אשר מוכנס צינור נחושת אשר מחברים מרובים. בעלי חיים נערכת לרגע למטה עד כ דבק הוא מוקשה חלקית לפחות. ראש ורגליים לבלוט מן החזית והצד של מסמרת כדי לאפשר תנועה חופשית שלהם. שטח coxae הרגליים כל, כמו גם את החלק העיקרי של הבטן יש שמאל ללא דבק. ראש החזה חרקים, ואת הקצוות דיסטלי של עצם הירך כל השוקה מסומנים פיגמנטים ניאון (ד"ר קרמר Farbmühle, Aichstetten, גרמניה) מעורבב עם מלט שיניים למעקב וידאו מאוחר יותר. 4. מיקום של אלקטרודות EMG פעילות שרירים של שרירי הרגל שונים כגון, בדוגמה זו, מד זוית ו coxae השרירים מפשק, אשר ממוקמים בית החזה לגרום הארכה (תנועה קדימה) לבין הפתיחה (תנועה לאחור) של הרגל, נרשם באמצעות אלקטרודות EMG מושתל בתוך בית החזה. כל הקלטות EMG הם מוגבר באופן דיפרנציאלי. האות היה מוגבר ב 100x מגבר קדם (אלקטרוניקה הסדנה, המכון הזואולוגי, קלן), הלהקה לעבור סינון, (100Hz-2000Hz), מוגבר יותר (10x), מיובאים דרך ממיר AD לתוך spike2 (Vers.5.05, CED, קיימברידג', אנגליה). האלקטרודות עשויות חוטי נחושת מצופה (Elektrisola, Eckernhagen, גרמניה; קוטר חיצוני 47μm). עבור אלקטרודה אחת, שני חוטים הם מרוחים הראשון עם דבק, ואז, שני חוטים דביקים הם מעוות זה סביב זה בקצה אחד מסיים את חוט שזור מולחמים על התוספת מיני. בקצה השני החוטים נחתכים לספק מסתיים נקי ללא בידוד להכנסה לתוך החיה. אלקטרודות EMG הם pluggeד למחבר קטן בקצה צינור הנחושת. סיכה minuten משמש אגרוף לתוך חורים קטנים לציפורן מסתיים חתך של האלקטרודה מופרדים אז ונוסף שריר במרחק של כ 1mm אחד מהשני, אשר, הניסיון שלנו, נותן איתות טוב יחס רעש. יש להקפיד לא להכניס את האלקטרודות עמוק מדי לתוך השריר כדי למנוע את נזקיה. איור 2 מראה את מיקום האלקטרודות החזה של החיה. איור 3 מראה חיה עם חוטי אלקטרודה במקום. אנו משתמשים טיפה קטנה של דבק histoacrylic (3M Vetbond, St.Paul, מינסוטה, ארה"ב) כדי להחזיק את החוטים במקום. חוט הקרקע מוכנס לתוך הבטן. 5. הקלטה של יצירת קשר עם tarsal קשר tarsal נרשם תמיד יחד עם עקבות EMG. מאז משטח חלקלק מחולק לשני חצאים, לכל היותר שני מגעים tarsal הנגדי יכולה להיות רשום באותו זמן. לענין זה, הרגל משמשת "הבורר" לסגור מעגל בין הצלחת לבין מגבר. נוכחית ניתן ליישם את הצלחות בנפרד בבסיס כל צלחת דרך שני שקעים. אנחנו יכולים לייצר שני אותות גל מרובע עם 2-4mV אמפליטודות עם גנרטור דופק (דגם MS501, אלקטרוניקה הסדנה, המכון הזואולוגי, קלן) כי הם שלב עוכב על ידי 90 °. האותות הם מושפעים 60db (/ 1000) וכן להחיל את שני החצאים של המשטח החלקלק. בניסוי זה אנו משתמשים רק באחד משני אותות. זה מוזן בו זמנית כאות התייחסות אל מגבר ב-מנעול. נעילה ב מגבר-2-שלב (אלקטרוניקה הסדנה, המכון הזואולוגי, קלן) באופן סלקטיבי רק מגביר אותות של תדר השלב אותו כאות הייחוס סיפק. הערוץ השני רק מזהה את 90 מעלות שלב האות מתעכב. אותות רעש בתדרים אחרים מאשר תדירות התייחסות נדחים ואינם משפיעים על המדידה. אות הפלט מגבר מוזן לתוך ממיר AD (Micro 1401k השנייה, CED, קיימברידג', בריטניה) Spike2 באמצעות הדיגיטליים. בין מגע למטה ולהרים-off של שורש הרגל אל ומן השטח חלקלק, זורם זרם מהצלחת דרך שורש הרגל ו השוקה לתוך חוט הנחושת (ראה להלן: 5.3-5.8). מגבר נבחר יש התנגדות קלט גבוהה (1MΩ) ואת מתח אות קטן מאוד כדי למנוע המשפיעים על התנהגות הליכה של החיה. העברת זרם דרך שורש הרגל ואת עצם השוק הוא בין 2 ל 4nA. להוביל אות זמן במהלך המגע כלפי מטה, בין כניסתו חומר הסיכה לבין המשטח מגע הוא פחות מ 1ms. האות לפנות את המעבר במהלך מתיחת הוא תלול פחות מתעכב יותר. זאת בשל קריעת עיכוב של חומר סיכה מן שורש הרגל על ידי השפעה על עלייה נימי ובשל התנועה של הרגל מבלי להשלים ההמראה בשלב הנדנדה. צינור נחושת עם המקל בלזה אשר החיה מודבק מוכנס לתוך micromanipulator לאפשר כוונון גובה של החיה על בין 7 ל 12 מ"מ מעל פני השטח חלקלק, אשר מתאים לגובה בזמן הליכה חופשית. כדי למדוד את זרימת הזרם בכל פעם שורש הרגל חרק של הרגל הוא פיקוח על הקרקע, חוט (47μm קוטר) הוא כ 15 ס"מ וחותכים לחתיכות ארוכות. בידוד של נחושת יוסר על ידי שריפת אותו עם אלכוהול. לולאה נוצר עם מקצה אחד של הגדר והחליק על שורש הרגל של החיה לולאה קשורה בסוף הדיסטלי של הטיביה לספק קשר טוב בין בעלי חיים חוט. החוט הוא קבוע אז עם טיפת דבק דו רכיבי (ProTempII, ראה לעיל) על בית החזה של החיה, ומחובר מגבר ההפרש באמצעות מהדק תנין. כדי לשפר את המוליכות של חוט בקצוות שלה, ירידה של קרם אלקטרודה מוחל (מרקט Hellige, פרייבורג, גרמניה) על שטחי מגע. חוזק האות נבדק אז על המסך. עקב נמוך לעבור סינון המאפיינים של מגבר נעילה ב-(10ms זמן קבוע) לבין lift-off/touch-down הדרגתית של שורש הרגל, האות אינו אות מרובע המדויק. אחת ולכן יש להגדיר סף מתאים קרוב לנקודת המעבר, כדי לקבוע את התזמון המדויק של הקשר tarsal באופן ידני לבדוק כל מקרה נקבע על ידי התוכנה דיגיטציה. בהתבסס על הקשר tarsal, הגדרנו את הזמן כאשר שורש הרגל של הרגל נתון היה על הקרקע כמו העמדה ואת הזמן שבו היה באוויר כשלב הנדנדה. האות הטריגר המצלמה היא רשמה בו זמנית עם זכר EMG ואת האות קשר tarsal, ומאפשר מסגרת מדויקת על ידי מתאם מסגרת של התנהגות עקבות מוקלט. 6. הקלטה אופטית של תנועות רגליים לניתוח דיגיטלי תדירות דריכה של חרקים מקל על משטחים חלקים יכול להגיע 3-4Hz (גרהם פך, 1981). לפני ההקלטה רצפי הליכה, המראה מוצבת בזווית של ° 45 מאחורי החיה יש צג ויזואלי נוסף לגעת למטה. המצלמה מופעלת חיצונית ותמונות מוזנות למחשב באמצעות ממשק FireWire. אנחנו הולכים להקליט רצף מלמעלה עם מצלמת וידאו במהירות גבוהה (מרלין F-033C, בעלות הברית Vision Technologies, Stadtroda, גרמניה) בשעה 100fps לנתח את תנועות הרגל דיגיטלית, וכן לתאם אותם עם פעילות EMG ולפנות tarsal. במהלך ההקלטה של רצפי הליכה, החיה מואר עם מערכי LED כחול (30-50V DC, 24cd בהיקות, סדנת אלקטרוניקה, המכון הזואולוגי באוניברסיטת קלן), אשר מותאמים בעוצמה כדי להאיר את סמנים ניאון. על פי הספרות (Schlegtendal, 1934), מקלונים לא בעלי ראיית צבע ואנחנו לא נצפתה השפעה שלילית של התאורה אור UV על התגובה מפנה. מסנן צהוב מול עדשת המצלמה מדכא את אורך הגל הקצר של האור הפעלה נותן ניגודיות גבוהה יותר של הקלטות וידאו. קבצי וידאו ניתן לנתח באמצעות מעקב אחר תנועה תוכנה (WINanalyze, Vers.1.9, Mikromak שירות, ברלין, גרמניה). 7. הקלטה של רצפי הליכה כמו שליטה, תחילה רצף הליכה עם בעל חיים שלמים מוקלט. מהירות של דפוס פסים מוגדר, דפוס ואת הקלטת וידאו הם נכתבו בערך באותו זמן. אם בעל החיים אינו מתחיל תנועה ספונטנית, זה יכול להיות מגורה על הבטן עם מברשת (Bässler ו וגנר, 1983), או על ידי משב אוויר על האנטנות. במקרה זה, בעלי חיים נגע בצד השמאלי של הבטן נוטים שמאלה, ולהפך. תבנית הפסים הוא המשיך לנוע עד שהחיה מפסיקה הליכה או עד לאחר 3 דקות של הקלטות רציפה. כדי לבדוק כמה רחוק הפעילות השרירית רגל אחת תלויה קלט חושי מהרגליים השכנה, החיה מושרה כדי autotomize הרגליים שלה. האתר של autotomy נסגר באופן טבעי תוך שניות. דוגמה חיה עם חזית autotomized ואת הרגליים האחוריות מוצג באיור 3. לדוגמה, עבור ניסויים עם בעלי חיים שיש לו רק רגל אחת באמצע, אנחנו autotomy להשרות את הרגליים בעד ו metathoracic ידי צובט את עצם הירך הפרוקסימלי עם זוג מלקחיים (שמידט גרונד, 2003) או לחתוך את הרגליים ברמה של coxae לאחר הקלטת מן החי ללא פגע. לאחר מינימום של 30 דקות זמן התאוששות ניתנת החיה. אז אנחנו הולכים להקליט רצפים חדשים כבעבר. בכל הכנות מופחת, לעתים קרובות אנו צריכים לגרום הליכה באמצעות משיכות מכחול וצבע. 8. נציג תוצאות: איור 1 התקנה ניסיונית::. התצלום של חרק קשור מעל פני השטח חלקלק, המסומנים פיגמנטים פלורסנט למעקב הרגל קווית הקלטה EMG ומדידה קשר tarsal. B: תרשים חיווט כפול עבור הקלטה קשר tarsal הרגל במהלך הליכה על משטח חלקלק. איור 2. תפקידים עבור מיקום של אלקטרודות EMG בשרירים מד ו מפשק בתוך בית החזה של הרגל חרק מקל באמצע. ML: רגל באמצע, פלורידה: מול הרגל . איור 3 Stick חרקים עם חוטי EMG בשרירים בעד ו מפשק של הרגל באמצע במקום, הרגליים הקדמיות והאחוריות הוסרו כדי לחקור את ההשפעה של נוכחות של הרגליים השכנות על קינמטיקה ופעילות השרירים של הרגליים הביניים הכנת מופחת. איור 4. עקבות דוגמה של פעילות EMG מפשק עם האות התייחסות של מגע tarsal ברגלו באמצע בפנים במהלך מפנה. בתחילת עקבות (הקופסה הכחולה הראשונה) מפשק פעילה במהלך עמדה, בעוד הרגל יש קשר עם הקרקע ("במעגל סגור"), המציין כי הרגל עושה צעדים קדימה: אחרי הבורר קצר (הקופסה הכחולה השני), מפשק פעיל במהלך נדנדה, בעוד הרגל היא באוויר ("המעגל הפתוח", הקופסה הכחולה השלישית), המציג את המופע של צעדים מכוונים אחורה. איור 5. צילום מסך של הקלטה של מד הזווית (זכר אחרון) ו מפשק (באמצע זכר) השרירים ואת זכר נרשם במקביל פנה tarsal (זכר למטה). הערה הפעילות מתחלפים עקבות EMG אשר תואמים את הפעילות של שני השרירים במחזור צעד, כלומר פעילות מד רק לפני ובמהלךהנדנדה, כאשר פנה tarsal זכר אותות אובדן קשר עם הקרקע, פעילות מפשק אחרי ובמהלך מגע מטה של שורש הרגל, כאשר הרגל נמצאת בעמדה. הכנס מציג את קובץ הווידאו התאמת המתאים הקלטה זו משמשת כדי לאמת את ההתנהגות של החיה.

Discussion

תיארנו התקנה המאפשרת את הדור המושרה אופטית של הפיכת התנהגות היתרי במידה רבה שיחררה את הפעילות בהליכה שנוצר neuronally מהשפעות פסיבי שנגרם על ידי עקירה המכני של הגפיים הליכה אחרים על הקרקע. זרימת המידע אפשריים בין הרגליים דרך מערכת העצבים על התגובה לכוחות הקרקע או צרו קשר עם tarsal, מצד שני, עדיין אפשרי ומאפשר הניסוי לבחון את ההשפעה של מידע כזה בהכנת מופחת. היתרונות העיקריים של ההתקנה כוללות משטח חלקלק, כי בעלי החיים מראים נטייה גבוהה מאוד ללכת, ובניגוד הליכה או דריכה על treadwheel, החיה ניתן לבצע סווינג שלב תנועות עמדה בכל ההוראות של הליכה טבעית. בנוסף, דרגות החופש של כל הרגליים לאפשר החיה לבצע הליכה עקומה אם הוא הכנה שלם או חצי שלם. מכיוון הרגליים לא ניתן להעביר באופן פסיבי פשוט על ידי התנועה קדימה של החיה או את התנועה של המצע שמתחת, כל תנועה משקף את הפלט המוטורי של הרגל זה (פך, 1976; גרהם ונדלר, 1981). ההגדרה מתאימה מאוד לחקור את הבסיס העצבי של התנהגויות מסתגלות כגון הפיכת קדימה או אחורה לעומת הליכה, כי ניתן לשלב הקלטות אלקטרו של פעילות מוטורית עם ניתוח של קינמטיקה תנועת הגפיים.

השתמשנו בתגובה optomotor החרק של מקל כדי לעורר הליכה. התגובות של בעלי החיים לדפוס פס מסתובב להראות את נכונותם לבצע עקומת הליכה תוך קשור על פני השטח חלקלק. רוב מפתיע אותנו, רגליים אחד, רגל אחת ההכנות איכותית להראות את דפוס נע זהה החיה בשלמותה. ולכן יש לנו סיבה להאמין כי השליטה של הליכה עקומה יכול לתפקד במידה רבה, ללא תיאום סנסורי מהרגליים השכנות. זה יהיה חשוב לבדוק בניסויים נוספים אם את פעילותם של הנוירונים המנוע של הסירה הרגליים מושפעת גם דפוס optomotor. ההתקנה יכול בקלות להיות שונה, כדי לאפשר לימוד של משימות אחרות כגון ישר קדימה ואחורה הליכה ידי הצבת פס יחיד מול החיה או בעדינות מושך את האנטנות.

מדידה מדויקת של קשר הקרקע מאפשרת לנו לתאם פעילות שרירים עמדה רגל. ההחלטה הזמן של אות חשמלי זה קשר טוב יותר 1ms, מביאה אותנו אל תובנה חדשה לתוך העיתוי של הבורר מן הנדנדה לשלב עמדה. ההחלטה גרועה עבור העמדה להתנדנד המעבר בשל העיכוב מריחה של חומר סיכה ניצוח וחוסר הצורך להשלים ההמראה במהלך הארכה על משטח חלקלק. עם זאת, הידע על הנדנדה מדויקת המעבר עמדה היא צעד ראשון שימושי במיוחד אם אנחנו רוצים להבין את המנגנונים שריר השליטה העיתוי פעילות מתואמת של שרירי הרגל בהקשרים התנהגותיים שונים (ראה גם: Büschges et al, 2008;. Büschges & Gruhn 2008).

כדוגמה, השתמשנו מפשק ו coxae שריר מד של הרגל באמצע בקורלציה בדיוק את פעילותה עם המעבר מן הנדנדה לשלב עמדה בזמן שאנחנו בו זמנית בדק את הקשר ההתנהגותי שבו הרגל היה בשימוש. לשם כך, אנו המושרה הליכה הקליט את פעילות שריר ברציפות. הרגל נתון יכול להיות בתוך או מחוץ רגל, בהתאם לכיוון הפנייה. ברגל באמצע קפיצה, מתנהג כמו רגל בתוך במובן פונקציונלי, ניתן להבחין כי השרירים מפשק ואת מד שניהם יכולים לעבוד כמו שרירי עמדה תפקודית בגלל הרגל לסירוגין מייצרת צעדים לאחור בנוסף צעדים מכוונים קדימה (ראה Fig.4 ).

Electromyograms (EMGs) מהשרירים שניהם היו לתקן ו מנורמל הזמן של מטה בנגיעה ואת חביון של קוצים השרירים הראשון היה מחושב. מעניין, latencies של השרירים הן לגבי ההמראה ולגעת למטה תלוי בתפקוד של שריר כמו נדנדה בהתאמה או עמדה שריר (ראה Fig.4) ולא על השריר עצמו, להציג רק שינויים קלים העיתוי של תחילת הפעילות. רוב ההסברים לשנות את המדינה מ – הנדנדה לעמדה להניח כי אותות חושיים של ההדק קשר tarsal ההתחלה של העמדה. השאלה מעניינת של איך latencies קצר בין מטה בנגיעה והפעלת שרירים החרק מקל הם הביאו על מה המידע החושי הם תלויים כעת ניתן לטפל בהגדרת שונה.

לסיכום, אנו מראים ההתקנה משטח חלקלק אשר מאפשרת לנו להפיק באופן אמין ללכת ישר עיקול חרקים מקל נייח. קינמטיקה, פעילות שרירים עיתוי tarsal מגע למטה ההמראה ניתן לנטר בקורלציה בשני ג התנהגותיות שונותontexts באותו זמן. זה נותן לנו כלי מצוין כדי לחקור את הקשר בין פעילות מפורט שרירים בהקשר התנהגותיות רגל אחת, כמו גם החיה שלם המנגנונים.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מודים מיכאל Dübbert, אוליבר הופמן, הנס Scharstein, יאן ואן Sydow Wosnitza לקבלת סיוע טכני מעולה. מחקר זה מומן על ידי מענק DFG Bu 857 / 8,10 אל AB

Materials

Material Name	Company	Catalogue Number	Comment
2-component epoxy glue	UHU plus, UHU GmbH, Germany
glass screens (diameter 130mm)	Marata screens, Linos Photonics, Göttingen, Germany
dental cement	ProTemp II, 3M ESPE, Seefeld, Germany	3M Id : 70-2011-0358-0 Catalog Number : 46430	Available through 3M (http://www.3m.com/)or dental suppliers
fluorescent pigments	Dr. Kremer Farbmühle, Aichstetten, Germany	Cat.#s: i.e 56200 Fluorescent Pigment Golden Yellow 56350 Fluorescent Pigment Flame Red	http://kremer-pigmente.de/en or http://www.kremerpigments.com/
histoacrylic glue	3M Vetbond, St.Paul, MN, USA		supplier: WPI
coated copper wire	Elektrisola Eckernhagen		http://www.elektrisola.com/
electrode cream	Marquette Hellige, Freiburg, Germany		Product is now discontinued, we suggest for example: www.grasstechnologies.com
pulse generator	Model MS501, electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany
lock-in-amplifier	electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany
AD converter	Micro 1401k II, CED, Cambridge, UK
preamplifier	electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany
high speed video camera	Marlin F-033C, Allied Vision Technologies, Stadtroda, Germany
UV LED arrays	30-50V DC, electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany		λ390-395nm Luminance 24cd
Digitalizing software Spike2	Vers.5.05, CED, Cambridge, UK
motion tracking software	(WINanalyze, Vers.1.9, Mikromak service, Berlin, Germany

Referanslar

Bässler, U., Wegener, U. Motor output of the denervated thoracic ventral nerve cord in the stick insect Carausius morosus. J. Exp. Biol. 105, 127-147 (1983).
Böhm, H., Messai, E., Heinzel, H. -. G. Activity of command fibres in free-ranging crayfish, Orconectes limosus Raf. Naturwissenschaften. 84, 408-410 (1997).
Büschges, A., Gruhn, M. Mechanosensory feedback in walking: from joint control to locomotor pattern. Adv.Insect Physiology. 34, 194-234 (2008).
Büschges, A., Akay, T., JP, G. a. b. r. i. e. l., Schmidt, J. Organizing network action for locomotion: insights from studying insect walking. Brain Res Rev. 57, 162-171 (2008).
Camhi, J. M., Levy, A. Organization of a complex movement: fixed and variable components of the cockroach escape behavior. J Comp Physiol A. 163, 317-328 (1988).
Camhi, J. M., Nolen, T. G. Properties of the escape system of cockroaches during walking. J Comp Physiol A. 142, 339-346 (1981).
Clarac, F., Libersat, F., Pflüger, H. J., Rathmayer, W. Motor pattern analysis in the shore crab (Carcinus maenas) walking freely in water and on land. J Exp Biol. 133, 395-414 (1987).
Duch, C., Pflüger, H. J. Motor patterns for horizontal and upside down walking and vertical climbing in the locust. J Exp Biol. 198, 1963-1976 (1995).
Fermi, G., Reichhardt, W. Optomotorische Reaktionen der Fliege Musca domestica. Abhängigkeit der Reaktion von der Wellenlänge, der Geschwindigkeit, dem Kontrast und der mittleren Leuchtdichte bewegter periodischer Muster. Kybernetik. 2, 15-28 (1963).
Fischer, H., Kautz, H., Kutsch, W. A radiotelemetric 2-channel unit for transmission of muscle potentials during free flight of the desert locust, Schistocerca gregaria. J Neurosci Methods. 64, 39-45 (1996).
Friza, F. Zur Frage der Färbung und Zeichnung des facettierten Insektenauges. Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 8, 289-336 (1928).
Götz, K. G. Principles of optomotor reactions in insects. Bibl. Ophthalmol. 82, 251-2559 (1972).
Gruhn, M., Rathmayer, W. An implantable electrode design for both chronic in vivo nerve recording and axon stimulation in freely behaving crayfish. J Neurosci Methods. 118, 33-40 (2002).
Gruhn, M., Hoffmann, O., Dübbert, M., Scharstein, H., Büschges, A. Tethered stick insect walking: a modified slippery surface setup with optomotor stimulation and electrical monitoring of tarsal contact. J Neurosci Methods. 158, 195-206 (2006).
Gruhn, M., Zehl, L., Büschges, A. Straight walking and turning on a slippery surface. J Exp Biol. 212, 194-209 .
Gruhn, M., Uckermann, G. v. o. n., Westmark, S., Wosnitza, A., Büschges, A., Borgmann, A. Control of stepping velocity in the stick insect Carausius morosus. J Neurophysiol. 102, 1180-1192 .
Hama, N., Tsuchida, Y., Takahata, M. Behavioral context-dependent modulation of descending statocyst pathways during free walking, as revealed by optical telemetry in crayfish. J Exp Biol. 210, 2199-2211 (2007).
Hassenstein, B. Über die Wahrnehmung der Bewegung von Figuren und unregelmäβigen Helligkeitsmustern (nach verhaltensphysiologischen Untersuchungen an dem Rüsselkäfer Chlorophanus viridis. Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 40, 556-592 (1958).
Jander, J. P. . Untersuchungen zum Mechanismus und zur zentralnervösen Steuerung des Kurvenlaufs bei Stabheuschrecken (Carausius morosus) [dissertation]. , (1982).
Jander, R., Volk-Henrichs, I. Das strauch-spezifische Perzeptorsystem der Stabheuschrecke (Carausius morosus). Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 70, 425-447 (1970).
Kirschfeld, K., Zettler, F., Weiler, R. The resolution of lens and compound eyes. Neural Principles in Vision. , 354-370 (1976).
Kutsch, W., Schwarz, G., Fischer, H., Kautz, H. Wireless transmission of muscle potentials during free flight of a locust. J Exp Biol. 185, 367-373 (1993).
Scharstein, H. A universal projector for optomotor stimulation. , (1985).
Schlegtendal, A. Beitrag zum Farbensinn der Arthropoden. Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 20, 573-581 .
Schmidt, J., Grund, M. Rhythmic activity in a motor axon induced by axotomy. Neuroreport. 14, 1267-1271 (2003).
Shankar, P. N., Kumar, M. Experimental Determination of the Kinematic Viscosity of Glycerol-Water Mixtures. Proc. Mathematical and Physical Sci. 444, 573-581 (1994).
Tryba, A. K., Ritzmann, R. E. Multi-Joint coordination during walking and foothold searching in the Blaberus cockroach I. Kinematics and electromyograms. J Neurophysiol. 83, 3323-3336 .
Tryba, A. K., Ritzmann, R. E. Multi-Joint coordination during walking and foothold searching in the Blaberus cockroach. II. Extensor motor neuron pattern. J Neurophysiol. 83, 3337-3350 .
Tsuchida, Y., Hama, N., Takahata, M. An optical telemetry system for underwater recording of electromyogram and neuronal activity from non-tethered crayfish. J Neurosci Methods. 137, 103-109 (2004).
Wang, H., Ando, N., Kanzaki, R. Active control of free flight maneuvers in a hawkmoth, Agrius convolvuli. J Exp Biol. 211, 423-432 (2008).

Etiketler

Neural Basis Adaptive Locomotor Behavior Insects Walking Behavior Neuronally Produced Stepping Output Passive Forces Interactions With Other Legs Kinematic Analysis Electrophysiological Recordings Motor Activity Recording Of Neuronal Or Muscular Activity Electrophysiological Equipment Implantable Electrodes Long Tether Telemetric Devices Arthropods Smaller Walking Insects

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Bu Makaleden Alıntı Yapın

Gruhn, M., Rosenbaum, P., Bollhagen, H., Bueschges, A. Studying the Neural Basis of Adaptive Locomotor Behavior in Insects. J. Vis. Exp. (50), e2629, doi:10.3791/2629 (2011).