دراسة الأساس العصبي للسلوك الحركي التكيفية في الحشرات
Özet
نحن تصف طريقة لتسجيل النشاط الحركي والتي تزامنت مع إشارة الاتصال الرصغي سجلت كهربائيا في حشرة المربوطة ، والمشي على سطح زلق. ويستخدم هذا لدراسة الأساس العصبي للسلوك التكيف تحت تأثير انخفاض التفاعل الميكانيكية بين الساقين من خلال الركيزة.
Abstract
دراسة الأساس العصبي للسلوك المشي ، واحدة غالبا ما يواجه المشكلة أنه من الصعب الفصل بين الانتاج المنتجة neuronally التنقل من تلك الحركات التي تنتج المحطة من القوات السلبية والتفاعل مع الآخرين من خلال الساقين اتصال مشتركة مع الركيزة. إذا كنا نريد أن نفهم ، التي هي جزء من حركة معينة هي التي ينتجها الجهاز العصبي الناتج المحرك ، وتحليل حركية حركات التنقل ، وبالتالي ، تحتاج إلى أن تستكمل مع التسجيلات الكهربية من النشاط الحركي. غالبا ما تقتصر على تسجيل نشاط الخلايا العصبية في العضلات أو حيوان يتصرف من المعدات الكهربية التي يمكن أن تحد من هذا الحيوان في قدرته على التحرك مع درجة أكبر عدد ممكن من الحرية. يمكن أن يكون هذا إما تجنب زرع أقطاب كهربائية باستخدام وبعد هذه الخطوة ثم الحيوان على حبل طويل (أي Clarac وآخرون ، 1987 ؛. دوتش وفلوغر ، 1995 ؛ بوم وآخرون ، 1997 ؛. Gruhn وRathmayer ، 2002) أو عن طريق يحيل البيانات باستخدام أجهزة القياس عن بعد (Kutsch وآخرون ، 1993 ؛ فيشر وآخرون ، 1996 ؛. Tsuchida وآخرون 2004 ؛. حماة وآخرون ، 2007 ؛. انغ وآخرون ، 2008). كل من هذه الأساليب الأنيقة ، والتي تستخدم بنجاح في جو من المفصليات ، يثبت في كثير من الأحيان من الصعب تطبيقها في الحشرات الصغيرة التي إما سيرا على الأقدام بسهولة الحصول على شباكها في حبل طويل أو تعوقها وزن الجهاز القياس عن بعد والبطاريات والخمسين. بالإضافة إلى ذلك ، في جميع هذه الحالات ، فإنه لا يزال من المستحيل التمييز بين الخلايا العصبية على أساس محض للتنقل ، والآثار التي تبذلها اقتران الميكانيكية بين الساقين المشي من خلال الركيزة. أحد الحلول لهذه المشكلة هو لإجراء التجارب في الحيوانات المربوطة التي هي خالية من السير في المكان وعلق العمل محليا ، على سبيل المثال على سطح زلق ، الذي يزيل بفعالية الميكانيكا الاتصال معظم الأرض. وقد استخدمت هذه الدراسة الى ردود الهروب (Camhi وNolen ، 1981 ؛ Camhi وليفي ، 1988) ، تحول (Tryba وRitzman ، 2000A ، ب ؛. Gruhn وآخرون ، 2009a) ، والمشي إلى الخلف (غراهام وإبستين ، 1985) أو تغييرات في السرعة (Gruhn وآخرون ، 2009b) وأنه يسمح للمجرب بسهولة إلى الجمع بين داخل وخارج الخلية مع الفيزيولوجيا تحليلات الحركية (Gruhn وآخرون ، 2006).
نستخدم سطح زلق الإعداد للتحقيق في توقيت عضلات الساق في الحشرات عصا يتصرف فيما يتعلق لمس أسفل وانطلاقه في إطار نماذج سلوكية مختلفة مثل المشي قدما المستقيمة والمنحنية في الاستعدادات سليمة وتخفيضها.
Protocol
Discussion
وقد وصفت لدينا الإعداد التي تسمح للجيل يسببها بصريا من تحول السلوك وتصاريح لدرجة كبيرة ولدت من uncoupling neuronally نشاط المشي من الآثار السلبية التي نجمت عن تشريد الميكانيكية للأطراف الأخرى المشي على أرض الواقع. احتمال تدفق المعلومات بين الساقين من خلال الجهاز العصبي حول رد فعل القوات البرية أو الاتصال الرصغي ، من ناحية أخرى ، لا يزال ممكنا ، ويسمح للمجرب لدراسة تأثير مثل هذه المعلومات في إعداد مخفضة. المزايا الرئيسية لبرنامج الإعداد سطح زلق أن تشمل الحيوانات تظهر نزعة عالية جدا على المشي ، ويتعارض مع المشي أو التنقل على treadwheel ، الحيوان يمكن أن تؤدي جولة والحركات المرحلة الموقف في اتجاهات كل من المشي الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك ، على درجة من الحرية للجميع الساقين تسمح للحيوان لأداء منحنى سواء كان المشي هو إعداد سليمة أو شبه سليمة. لأنه لا يمكن نقل سلبي الساقين ببساطة عن طريق حركة إلى الأمام من الحيوان أو حركة الركيزة تحتها ، ويعكس كل حركة الإخراج الحركي لتلك المحطة (كروز ، 1976 ؛ غراهام وWendler ، 1981). الإعداد هو مناسبة للغاية لتحقيق أساس العصبية من السلوكيات التكيفية مثل تحول إلى الأمام أو إلى الخلف مقابل المشي ، لأن المرء لا يستطيع الجمع بين التسجيلات الكهربية من النشاط الحركي مع تحليل الكينماتيكا حركة الأطراف.
استخدمنا استجابة عصا الحشرات في optomotor لانتزاع المشي. ردود الحيوانات للنمط شريطية الدورية إظهار استعدادها لإجراء منحنى المشي في حين المربوطة على سطح زلق. الأكثر غرابة بالنسبة لنا ، والساقين واحد في التحضير الساق واحدة تظهر نوعيا نفس النمط تتحرك كما في الحيوان سليمة. وبالتالي لدينا سبب للاعتقاد بأن السيطرة على المشي يمكن أن منحنى الدالة إلى حد كبير من دون تنسيق المدخلات الحسية من الساقين المجاورة. سيكون من المهم لاختبار ما اذا كان في تجارب أخرى ويتأثر أيضا نشاط الخلايا العصبية الحركية في الساقين التحفظي من قبل نمط optomotor. ويمكن بسهولة الإعداد يمكن تعديل للسماح للدراسة من المهام الأخرى مثل مستقيم إلى الأمام وإلى الوراء المشي من خلال وضع شريط واحد في الجبهة من حيوان أو سحب بلطف هوائيات.
القياس الدقيق للاتصال الأرض تسمح لنا لربط نشاط العضلات وموقف الساق. القرار الأوان لهذه الإشارات الكهربائية اتصال أفضل من 1ms ويقودنا الى نظرة جديدة في توقيت الانتقال من مرحلة إلى أرجوحة الموقف. القرار هو أسوأ بالنسبة للموقف في التأرجح تمر بمرحلة انتقالية بسبب التأخير في القص من زيوت التشحيم إجراء وعدم وجود حاجة لإكمال انطلاقه خلال مطل على سطح زلق. ومع ذلك ، فإن المعرفة حول الأرجوحة دقيقة للانتقال الموقف هو خطوة مفيدة على وجه الخصوص أولا إذا أردنا أن نفهم الآليات التي تتحكم في العضلات وتوقيت الأنشطة المنسقة للعضلات الساق في سياقات سلوكية مختلفة (انظر أيضا : Büschges وآخرون ، 2008 ؛. وBüschges Gruhn 2008).
كمثال على ذلك ، استخدمنا مبعاد ومنقلة العضلات الورك من الساق المتوسطة ويرتبط نشاطها بالتحديد مع التحول من مرحلة إلى أرجوحة موقف بينما نحن في نفس الوقت رصد سياق السلوكية التي كانت تستخدم في ساقه. لهذا الغرض ، ونحن يسببها المشي وتسجيل نشاط العضلات بشكل مستمر. ويمكن أن تعطى الساق يكون داخل أو خارج ساق ، اعتمادا على اتجاه تحول. في منتصف الساق التنقل ، بوصفها ساق داخل في معنى وظيفي ، يمكن ملاحظة أن مبعاد ومنقلة العضلات يمكن العمل على حد سواء وظيفية بسبب موقف عضلات الساق ينتج متقطع خطوات إلى الوراء ، بالإضافة إلى الخطوات الموجهة إلى الأمام (انظر Fig.4 ).
وتصحيح electromyograms (EMGs) من كل من العضلات وتطبيع للوقت من أسفل لمسة وحسبت كمون والتموج العضلات الأولى. ومن المثير للاهتمام ، والإختفاء من كلا العضلات فيما يتعلق برفع الاقلاع وتهبط ، تعتمد على وظيفة العضلات مثل هذا التأرجح كل موقف أو العضلات (انظر Fig.4) وليس على العضلات نفسها ، وتظهر تغيرات طفيفة في توقيت بدء النشاط. معظم التفسيرات لتغيير الدولة من الأرجوحة لنفترض أن الموقف من إشارات حسية الزناد الاتصال الرصغي بدء الموقف. ويمكن الآن مسألة مثيرة للاهتمام عن كيفية جلب الإختفاء قصيرة بين الأسفل بلمسة وتنشيط العضلات في حوالي عصا الحشرات ، وعلى ما هي المعلومات الحسية التي تعتمد معالجتها مع الإعداد المعدلة.
باختصار ، نحن تظهر الإعداد سطح زلق الذي يسمح لنا للحصول على التوالي ، والمشي بشكل صحيح في منحنى عصا الحشرات ثابتة. الكينماتيكا ، والنشاط العضلي وتوقيت الجفن الأسفل بلمسة وانطلاقه يمكن رصدها ومترابطة في ج two سلوكية مختلفةontexts في نفس الوقت. هذا يعطينا أداة ممتازة لدراسة العلاقة بين النشاط مفصلة العضلات والسياق السلوكية للساق واحدة وكذلك في الحيوانات سليمة والآليات الكامنة.
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نحن نشكر مايكل Dübbert ، أوليفر هوفمان ، هانز Scharstein ، سايدو يان آن وWosnitza لتقديم المساعدة التقنية الممتازة. وأيد هذه الدراسة من قبل منحة DFG بو 857 / 8،10 إلى AB
Materials
| Material Name | Tip | 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).
