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Articles by Jens Herberholz in JoVE
JoVE General
Le registrazioni di attivazione circuito neurale in Liberamente Comportarsi Animali
Department of Psychology, Neuroscience and Cognitive Science Program , University of Maryland
Misurazioni non invasive di schemi di attività neurale nel comportarsi liberamente gli animali sono ottenuti combinando registrazioni neurofisiologiche con videografia ad alta velocità .
Other articles by Jens Herberholz on PubMed
Una Rete Laterale Eccitatoria Nel Circuito Di Fuga Di Gamberi
Uno stimolo fasiche diretto verso la parte posteriore di un gambero (Procambarus clarkii) crea che mechanosensory input per il laterale gigante Interneurone (LG), un neurone di comando per la fuga. Un singolo picco LG è necessario e sufficiente a produrre una coda altamente stereotipata flip che spinte dell'animale dalla fonte di stimolazione. Qui descriviamo una rete laterale eccitatoria tra assoni afferenti primari nell'ultimo ganglio addominale di gamberi che produce l'amplificazione non lineare dell'input sensoriale per il circuito di comando per la fuga. L'eccitazione laterale è mediata da sinapsi elettriche fra i terminali centrale delle afferenze primarie che mechanosensory. La rete permette di afferenze stimolata reclutare sia afferenze che contribuiscono input aggiuntivo per LG e che mechanosensory interneurons che convergono anche su LG. Quando depolarized, il neurone LG aumenta il proprio input da afferenze primarie e primarie interneurons facilitando l'assunzione di entrambi. Al contrario, hyperpolarization di LG riduce l'eccitabilità delle afferenze primarie e primarie interneurons. Decisione di gamberi a fuggire, precedentemente pensato a trovarsi esclusivamente nelle proprietà sinaptiche integrativa di LG, è ora visto dipendono dalle interazioni tra potenziali postsinaptici dendritiche LG e le risposte dei terminali afferenti primari nella rete eccitatoria laterale.
Le Basi Neurali Della Formazione Gerarchia Di Dominanza in Gamberi
Cinquant'anni di studio del sistema nervoso e il comportamento di gamberi hanno rivelato i circuiti neurali per movimenti che sono simili a quelli osservati durante la formazione di una gerarchia di dominanza. Dato questo sfondo, è di interesse a chiedere che cosa è capito circa i substrati neurali della formazione di gerarchia di dominanza. Qui prenderemo in considerazione il comportamento sociale che gamberi visualizzare in natura e in laboratorio, e le relazioni con i movimenti pubblicato dalla attivazione di specifici circuiti neurali. Considereremo come questi movimenti potrebbero essere maglia insieme per produrre i modelli di comportamento che sono caratteristici della dominante e subordinati gli animali.
Comportamento Di Fuga E Fuga Attivazione Circuito Giovanili Gamberi Durante Le Interazioni Preda-predatore
I sistemi neurali che controllano il comportamento di fuga sono stati studiati intensivamente in diversi animali, tra cui molluschi, pesci e gamberi. Sorprendentemente poco si conosce, tuttavia, l'attivazione e l'utilizzo di circuiti di fuga durante le interazioni preda-predatore. Per completare gli studi anatomici e fisiologici con un equivalente comportamentale necessario, abbiamo studiato gli incontri tra gamberi giovanili e ninfe di libellula grande nel comportarsi liberamente gli animali utilizzando una combinazione di misurazioni del potenziale del campo elettrico e registrazioni video ad alta velocità. Durante gli attacchi, ninfe di libellula estese rapidamente loro labium, dotato di palpi breve, tagliente, per catturare piccoli gamberi di fiume. Gamberi ha risposto allo stimolo tattile attivando circuiti neurali fuga per generare la coda-Flip diretto dal predatore. Coda-Flip erano l'unico meccanismo di difesa in risposta ad un attacco e ogni singolo colpo è stato risposto dal comportamento di fuga di coda-flip. Gamberi utilizzati tutti i tre tipi conosciuti di fuga coda-ribalta durante le interazioni con le ninfe di libellula. Coda-Flip generati da attività nei neuroni giganti sono state osservate principalmente per innescare le risposte di fuga iniziale di un attacco, ma non gigante mediata coda-Flip spesso sono stati generati per tentare la fuga dopo la cattura. Attacchi di fronte il gambero innescato coda-Flip mediata da neurone gigantesco mediale o da circuiti non gigante, considerando che gli attacchi per il posteriore sempre raccolse coda-Flip mediata dal neurone gigantesco laterale. Nel complesso, capovolgimento di coda è stato trovato per essere un comportamento di successo nella prevenzione della predazione, e solo una piccola percentuale di gamberi sono stati uccisi e consumati.
Anatomia Di Un Invertebrato Live Rivelato Da Manganese-enhanced Imaging a Risonanza Magnetica
Tecnologie di imaging non invasivo come la risonanza magnetica (MRI) sono sempre più richiesti dai ricercatori in molte discipline biologiche. Tuttavia, quando imaging piccoli animali come gli invertebrati, non solo è l'uso di magneti ad alto campo necessari per guadagnare anche soddisfacente risoluzione spaziale, ma il raggiungimento di un adeguato contrasto tra tessuti richiede l'identificazione dei parametri di imaging applicabili mediante procedure lunghe e costose. Qui riportiamo che sistemica somministrato manganese può agire come un efficacia agente di contrasto MRI per imaging non invasivo e veloce del sistema nervoso e altre strutture anatomiche complesse in un piccolo animale acquatico. A causa della tendenza di manganese ioni differenzialmente accumulare nella maggior parte dei tessuti molli, maggiore intensità del segnale globale e fortemente migliorato il contrasto tra strutture dati di rendimento ben adatto per la post-elaborazione digitale in modelli tridimensionali. Entro poche ore questa tecnica in modo efficiente in grado di generare immagini anatomiche che non sono ottenibili con i metodi convenzionali, dimostrando così un approccio nuovo ed emozionante alla ricerca degli invertebrati.
La Diffusione Retrograda Dei Potenziali Sinaptici E Reclutamento Degli Ingressi Presinaptico
Laterale eccitazione è un meccanismo per l'amplificazione input coordinati ai neuroni postsinaptici è stata descritta recentemente in diverse specie. Qui, descriviamo come un neurone postsinaptico, il laterale neurone gigantesco di comando del fuga (LG), migliora la laterale di eccitazione tra le afferenze presinaptica che mechanosensory in tailfan il gambero di fiume. Una rete laterale eccitatoria esiste tra afferenze primarie tailfan elettricamente accoppiati, mediata attraverso la sinapsi elettriche centrale. EPSPs elicitata in dendriti LG a seguito di stimolazione che mechanosensory spread antidromically indietro attraverso giunzioni elettriche sia afferenze, sommare con EPSPs suscitato attraverso connessioni dirette afferenti afferenti e contribuiscono al reclutamento di queste afferenze. Antidromica potenziali sono maggiori se le afferenze è più vicino all'ingresso iniziale sui dendriti LG, che potrebbe creare un meccanismo di filtro spaziale all'interno della rete. Questo percorso si allarga anche la finestra temporale che sovraeccitazione laterale può verificarsi, a causa del ritardo richiesto per EPSPs di diffondersi attraverso i dendriti LG grandi. Il ritardo consente ingressi sottosoglia per LG ad avere un effetto di adescamento in rete eccitatorio laterale e abbassa la soglia della rete in risposta ad uno stimolo secondo, breve latenza. Comunicazione retrograda nei percorsi neuronali è stato descritto in un certo numero di specie di vertebrati e invertebrati. Un meccanismo di antidromica passaggio di depolarizzante corrente da un neurone a sue afferenze presinaptica, simile a quello descritto qui in un invertebrato, è presente anche in un vertebrato (pesce). Ciò solleva la possibilità che a breve termine retrograda modulazione presinaptica elementi attraverso giunzioni elettriche possa essere comune.
Gli Effetti Dell'esperienza Sociale Sulla Risposta Comportamentale Al Tocco Inaspettato in Gamberi
Lotta di gamberi e forma una gerarchia di dominanza, caratterizzata da un pattern di ripetute interazioni agonistiche tra gli animali con un esito coerenza del vincitore e perdente. Una volta stabilita una gerarchia di dominanza, animali dominanti visualizzare un'elevata postura con entrambi gli artigli tiene lateralmente e in avanti, considerando che gli animali subordinati visualizzare una postura più incline con entrambi gli artigli estesi in avanti e verso il basso. Animali dominanti comportano aggressivamente verso l'avversario subordinata, spesso si avvicina e attacca, mentre animali subordinati sommessamente si comportano da tailflipping e in ritirata. Per valutare se le differenze nel comportamento sociale sono accompagnate da differenze nelle risposte agli stimoli non sociale, siamo esposti socialmente naïve e gamberi con esperienza (Procambarus clarkii) per un tocco inaspettato in diverse condizioni sociali. Socialmente naïve animali trasformato per confrontarsi con la fonte di un tocco unilaterale con artigli sollevati e postura con privilegi elevato. Animali dominanti ha girato anche per affrontare la fonte di stimolo con artigli rialzati e postura elevata, sia quando testato da soli e in presenza di un avversario subordinato. Animali subordinati visualizzata questa risposta orientante solo mentre separati dai loro partner dominante. Quando accoppiato con i loro partner dominante, subalterni evitato la fonte di stimolo camminando velocemente avanti o indietro. Quando gli animali subordinati sono stati successivamente testati nuovamente, prima mentre semi-separated da dominante e più tardi mentre completamente separati, hanno visualizzato un modello misto di evasione e di orientare le risposte. Questi risultati indicano che le risposte comportamentali di gamberi subordinati al tatto dipendono dal loro status sociale, loro condizioni sociali attuali e loro recente storia sociale.
Benefici Diretti Di Dominanza Sociale in Gamberi Giovanile
Gamberi sono noti per la loro innata aggressività e la volontà di stabilire rapidamente le relazioni di dominanza tra i membri del gruppo. Di conseguenza, la formazione delle gerarchie di dominanza e l'analisi dei modelli comportamentali visualizzati durante gli incontri agonistici principalmente sono stati testati in ambienti che non forniscono risorse immediate oltre lo spazio. Abbiamo testato l'ipotesi che la formazione di gerarchia sociale in gamberi serve per determinare l'accesso alle risorse di future. Individui all'interno di gruppi di tre gamberi giovanili furono autorizzati a formare una gerarchia sociale in un ambiente featureless prima una risorsa alimentare singolo è stata presentata. Più elevati indici di dominanza sono stati significativamente correlati con maggiore accesso al cibo. Il più alti classificati gamberi speso più tempo a contatto con il cibo che ha fatto la classifica media e bassa classificati gamberi e gamberi di rango medio speso più tempo a contatto con la risorsa che ha fatto di più bassa classificati animali. Il più alti classificati gamberi consolidarono loro status dominante in presenza di cibo, indicato da una completa assenza di qualsiasi comportamento sottomesso durante quel periodo. I risultati di questi esperimenti mostrano che la disposizione di gamberi di impegnarsi in combattimento e la formazione di una gerarchia di dominanza in un ambiente featureless serve a determinare il futuro accesso a una risorsa emergente, comportando quindi maggiori benefici per gli animali di rango sociale più elevato.
Risposte Neurali E Comportamentali Di Gamberi Giovanile Di Ombre in Movimento
Una delle decisioni più importanti che qualsiasi animale deve fare è come rispondere a segnali sensoriali che suggeriscono un imminente attacco di un predatore. Abbiamo misurato le risposte comportamentali e neurali di gamberi giovanile alle ombre delle differenti velocità in movimento mentre gli animali erano alla ricerca di cibo. In tutti gli esperimenti e indipendente dalla velocità di ombra, ogni gambero prodotta una delle due uscite discrete comportamentale: esso sia coda capovolta indietro dalla rapida flessione del suo addome o si è fermato immediatamente la sua locomozione avanti. La probabilità di ogni risposta comportamentale è stato dipende la velocità delle ombre che sono stati presentati. Mentre la maggior parte degli animali ha risposto con coda-Flip ombre lento e fermate sono stati raramente osservati, è diminuito il numero di coda-flip come ombra velocità aumentata. Coda-Flip erano quasi assenti per ombre molto veloci e fermare il comportamento è diventato la risposta domina. Utilizzando una tecnica non invasiva per registrare attività neurale, siamo stati in grado di identificare il circuito neurale sottostante che controllava la coda-Flip osservati. Coda-Flip tutti erano mediata dall'attivazione dei neuroni giganti mediali, che fanno parte di un circuito neurale hardwired descritto in precedenza per produrre riflessive risposte alla stimolazione tattile.
Attivazione Sensoriale E Organizzazione Del Campo Recettivo Dei Neuroni Fuga Gigante Laterale in Gamberi
Gamberi (Procambarus clarkii) hanno coppie bilaterale dei interneurons gigante che controllano i movimenti di fuga rapida in risposta alle minacce predatorie. I neuroni giganti mediali (MGs) possono essere fatto per un potenziale di azione del fuoco da stimoli visivi o tattili, diretti verso la parte anteriore dell'animale e questo porta a una fuga coda-flip che proietta l'animale direttamente con le versioni precedenti. I neuroni giganti laterali (LGs) possono essere fatta a fuoco un potenziale di azione forti stimoli tattili, diretti verso la parte posteriore dell'animale, e questo produce flessioni dell'addome che azionano il gambero di fiume verso l'alto e in avanti. Queste osservazioni hanno portato alla nozione che i campi ricettivi dei neuroni giganti sono localmente limitati e non si sovrappongono con a vicenda. Utilizzando extra - ed intracellulare elettrofisiologia nell'intero animale preparazioni a base di gamberi giovanili, abbiamo riscontrato che i campi ricettivi del LGs sono molto più esteso di quanto precedentemente assunto. La LGs ricevere input eccitatorio dal discendente interneurons originari del cervello; questi interneurons può essere attivata dalla stimolazione del nervo II dell'antenna o del tratto protocerebral. Nei nostri esperimenti, discendente di ingressi da solo non potrebbe causare potenziali d'azione nel LGs, ma quando accoppiato con potenziali postsinaptici eccitatori provocati dalla stimolazione delle afferenze di coda, gli ingressi sommata alla resa di cottura. Così i neuroni di fuga LG integrano informazioni sensoriali ricevuti attraverso campi ricettivi rostrale e caudali e input eccitatorio che vengono attivati rostralmente può avvicinare potenziale di membrana i generatori di carico alla soglia. Questo migliora la sensibilità dell'animale a un predatore si avvicina, una constatazione che si può generalizzare ad altre specie con similmente organizzati sistemi di fuga.
Controllo Neurale Della Scelta Comportamentale in Gamberi Giovanili
La selezione naturale porta a scelte comportamentali che aumentano la fitness dell'animale. I meccanismi neuronali sottostanti scelta comportamentale sono ancora sfuggenti e prove empiriche collegamento attivazione circuito neurale output comportamentali adattive sono sparsa. Abbiamo esposto foraggiamento gamberi giovanili di ombre delle diverse velocità di avvicinamento e trovato che ombre lento movimento attivato prevalentemente una coppia di interneurons gigante, che mediano la coda-flip che gli animali di Spinta all'indietro e lontano dalla minaccia si avvicina. Coda-Flip spostato anche gli animali più lontano lontano da una fonte di cibo previsto e gamberi insoluta di congelamento il comportamento di fronte alle ombre in rapido avvicinamento. In queste condizioni, una strategia di fuga inefficace e costosa coda-flipping, fu soppressa a favore di congelamento, una scelta più vantaggiosa. La decisione di congelare dominato anche in presenza di una risorsa più desiderabile; Tuttavia, l'incentivo maggiore è stato meno efficacia nel sopprimere la coda-flipping quando accoppiato con stimoli visivi lento che evocato attendibilmente coda-ribalta nella maggior parte degli animali. Insieme, questo suggerisce che gamberi prendere decisioni basate sul valore pesando i costi e benefici delle diverse opzioni comportamentali, ed essi selezionare adattivo output comportamentali basati su pattern di attivazione dei circuiti neurali identificabili.
Non-invasive Imaging Delle Strutture Neuroanatomiche E Attivazione Neurale Con RM Ad Alta Risoluzione
Diversi anni fa, manganese-enhanced imaging a risonanza magnetica (MEMRI) è stato introdotto come un nuovo potente strumento per aree cerebrali attive dell'immagine e per identificare le connessioni neurali in animali non-umani viventi. Limitato principalmente agli studi nei roditori e successivamente adattato per specie di uccelli, MEMRI recentemente è stato scoperto come una tecnica utile per indagini neuroradiologiche di animali invertebrati. Usando gamberi come sistema di modello, si evidenziano i vantaggi del MEMRI rispetto alle tecniche convenzionali per l'imaging di piccoli sistemi nervosi. MEMRI può essere applicato all'immagine sistemi nervosi degli invertebrati a relativamente alta risoluzione spaziale e consente la identificazione dell'attivazione neurale evocati stimolo non-invasivo. Dal momento che la selezione di specifici parametri di imaging è critica per il successo di micro-imaging in vivo, vi presentiamo una panoramica delle diverse condizioni sperimentali che sono più adatti per gli invertebrati. Confrontare gli effetti di hardware e software specifiche sulla qualità dell'immagine e anche fornire descrizioni dettagliate dei passaggi necessari per preparare gli animali per le sessioni di formazione immagine riuscite. Un attento esame della preparazione di hardware, software, esperimenti e campione sarà promuovere una migliore comprensione di questa tecnica di romanzo e facilitare gli studi futuri di MEMRI in altri laboratori.
