مقالة منهجية

التحقق من صحة نظام الضغط العالي باستخدام تخدير الزينون لذبابة الفاكهة الميلانوغاستر

DOI:

10.3791/69671

⸱

فبراير 20, 2026

 , 
1Clore Laboratory, University of Buckingham

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الغازات التي تبدو غير ضارة عند ضغط الغلاف الجوي يمكن أن تحفز سلوكيات مثل التخدير في ظروف الضغط العالي. غرف الضغط عالية الضغط التقليدية مكلفة وتتطلب جهدا كبيرا. تقدم هذه الدراسة طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة لفحص تأثيرات الزينون على ذبابة الفاكهة الميلانوغاستر عند ضغوط متوسطة أقل من 4 طبقات جوية.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في ظروف الضغط العالي، قد تثير تركيزات الغازات المحيطة المرتفعة مجموعة من الاستجابات السلوكية لدى حيوانات مختلفة. جزء كبير من هذه السلوكيات يمثل تغيرات في الحالات الإدراكية التي لا تزال غير مفهومة جيدا. ومن الأمثلة البارزة على ذلك التخدير العام. التأثير السلوكي لعدة غازات في حالات الضغط العالي في التخدير العام، أو التخدير، كان بحثا علميا طويل الأمد، رغم الاستخدام المتكرر لهذه الأدوية في الطب. يعتبر الزينون، المصنف كغاز نبيل وعامل مخدر، من أكثر الخيارات أمانا للتخدير العام لدى البشر. ومع ذلك، لا يخدر الذباب في ظروف نورموبار. هنا، أنشأنا إعدادا تجريبيا بسيطا يزيد الضغط المحيط حتى ~3 atm ويسمح بدراسة تخدير الزينون في أحد أشهر الكائنات النموذجية، ذبابة الفاكهة الميلانوغاستر. يسهل هذا الإعداد التجريبي دراسة الغازات الأخرى وتأثيرها تحت ظروف الضغط العالي.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الطرفان المتطرفان للتأثيرات السلوكية اللذان لوحظتا في الحيوانات في ظروف الضغط العالي هما التشنجات بواسطة الأكسجين والنروجين 1,2. ومن الغريب أن هناك اضطرابات معرفية مثل الهلوسات وضعف الذاكرة تم الإبلاغ عنها مع النيتروجين والهيدروجين عند قيم الضغط قبل مستوى فقدان الوعي 3,4. تم الإبلاغ عن التخدير الناتج عن الزينون، الكريبتون، وأكسيد النيتروز في ظروف الضغط العالي قبل 5,6.

يعد التخدير العام حجر الزاوية في الطب وظاهرة ذات أهمية علمية كبيرة. على الرغم من استخدامه الطويل والواسع، لا يزال فهمنا محدودا حول كيفية تحفيز بعض المواد الكيميائية على الغياب المؤقت للحركة والذاكرة والألم والوعي7. زينون، كونه غازا نبيلا، يمكن تعيينه كأكثر أعضاء غريبة بين عوامل التخدير. يعتبر خيارا آمنا للتخدير، حيث يوفر تحفيز وتعافي سريعا، مع اضطراب فسيولوجي طفيف، وآثار جانبية خفيفة فقط مثل الغثيان بعد العملية 8,9.

نظرا للأهمية الطبية للتخدير والخصائص الكيميائية غير العادية للزينون، تهدف هذه الدراسة إلى دراسة التخدير الناتج عن الزينون باستخدام نموذج حيواني بسيط ذبابة الفاكهة الميلانوغاستر. تم إجراء مجموعة متنوعة من الدراسات البحثية باستخدام ذباب الفاكهة لدراسة التخدير العام، مع العديد من الترتيبات المقترحة واستخدام أنواع مختلفة من المخدرات المتطايرة 10,11,12,13. ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ عن تخدير الزينون في ذبابة الفاكهة. في الظروف الطبيعية، لا يحفز الزينون التخدير في ذبابة الفاكهة، المعروفة عادة باسم ذباب الفاكهة. لمعالجة هذا القيد، تقدم هذه الدراسة نظاما عالي الضغط يسمح بالتحكم في التحكم في الضغط المحيط بين 1 و4 جو. هناك عدة دراسات استخدمت غرف الضغط العالي للإجابة على أسئلة مماثلة14,15. ومع ذلك، تستفيد معظم غرف الضغط العالي التجارية من مواد متينة ومقاومة للتسرب، لكنها ذات حجم كبير (~3 لتر) وهي معقدة منهجية في التشغيل ومكلفة. بدلا من ذلك، الطريقة الموصوفة في هذا المقال بسيطة وغير مكلفة، مما يسمح باستكشاف تأثيرات الغازات المختلفة وتركيباتها. يوفر هذا النموذج إعدادا مناسبا لنماذج الحيوانات الصغيرة مثل D. melanogaster وC. elegans.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تحضير ذبابة الفاكهة الميلانوغاستر

  1. اجمع 20 ذبابة أنثى و20 ذبابة ذكر تتراوح أعمارهم بين 1-3 أيام لكل تجربة باستخدام ثاني أكسيد الكربون2.
  2. يستريح الذباب المختار في قارورة مع الطعام لمدة لا تقل عن 24 ساعة قبل التجربة عند درجة حرارة ~22 درجة مئوية.

2. توصيل المخدر

  1. انقل الغازات من أسطوانات الغاز في الحاويات إلى أكياس الغاز المقاومة للتسرب للاستخدام التجريبي. لنقل الغاز المباشر من الحاوية إلى الأكياس، استخدم أنابيب السيليكون.
  2. قم بتثبيت أنبوب سيليكون بقطر 25 مم (3.4 مم) على حقنة البولي بروبيلين. ثم قم بتوصيل حقنة البولي بروبيلين بأكياس الغاز وإلى الصنبور الثلاثي. للتوضيح، سيتم الإشارة إلى حقنة البولي بروبيلين باسم الحقنة #1 في بقية النص.

3. تجميع نظام الضغط العالي (الشكل 1)

  1. ضع طاولة إضاءة LED في وضع الوضع الأفقي على الطاولة (الحافة الطويلة أفقية على سطح الطاولة).
  2. ضع مضخة الحقن بجانب أحد الجوانب القصيرة لطاولة إضاءة LED، لضمان أن اتجاه المضخة يسمح للحقنة التجريبية بالامتداد فوق الإضاءة الخلفية.
  3. حدد موقع الكاميرا فوق الإعداد لتغطية المنطقة التي تقع فيها الحقنة التجريبية.
  4. اقطع أنبوب سيليكون طوله 75 مم (قطر 3.4 مم). وصل الصنبور ثلاثي الاتجاهات إلى المانو ميتر باستخدام أنبوب السيليكون من الفوهة المركزية.
  5. استخدم مشابك نابض الخرطوم على الفوهة من جانب جهاز القياس والصنبور ثلاثي الاتجاهات لضمان إحكام الأنبوب.
  6. باستخدام الزر المميز بسهم مزدوج في وحدة التحكم في مضخة الحقن، اضبط السرعة إلى 80 مم/م ومدة الدوران إلى 38 ثانية للضغط أو إزالة الضغط التلقائي للمكبس.

4. إجراء تخدير الزينون

  1. حدد الضوء المحيط في غرفة التجربة وشغل طاولة إضاءة LED واضبط السطوع على المستوى 3. هذا يساعد في زيادة التباين في الفيديو.
  2. أزل مكبس حقنة البولي كربونات. أدخل كمية صغيرة من القطن في حلمة الحقنة لمنع الذباب من الهروب. للتوضيح، سيتم الإشارة إلى حقنة البولي كربونات باسم الحقنة #2 في بقية النص.
  3. لنقل 40 ذبابة من القارورة إلى الحقنة #2، أولا قم بإزالة غطاء القارورة وضع برميل الحقنة عموديا فوق القارورة. يجب أن تندمج حافة البرميل مع أعلى القارورة للسماح للذباب بالدخول إلى ماسورة الحقنة. لف الهيكل 180° واضغط على الركب. هذا سيضع الذباب في أسفل فوهة الحقنة. أعد المكبس. ضع الحقنة مع الذباب داخل مضخة الحقن.
  4. وجه علامات ماسورة الحقنة على الجانب لرؤية الذباب بشكل أفضل من منظور الكاميرا.
  5. ثبت الحقنة من السبطانة ورأس المكبس إلى مضخة الحقن باستخدام البراغي القابلة للتعديل.
  6. أزل القطن من طرف الحقنة #2 وقم بتوصيله بصنبور ثلاثي الاتجاهات.
  7. ابدأ تسجيل الفيديو. شغل جهاز قياس المناورة. قم بتدوير صمام الإيقاف لتوصيل المانومتر بالحقنة #2 وتأكد من 0 كيلوباسكال ضغط في الحقنة باستخدام المنومتر.
  8. قم بتدوير الأنبوب الثلاثي إلى الوضع الجانبي للسماح بتبادل الهواء مع الحقنة قبل التجربة.
  9. انقل المكبس من 20 إلى 2 مل عبر خيار التحكم اليدوي في مضخة الحقن، المصممة لتسهيل الخيار الأسرع.
  10. استنشق 18 مل من غاز التخدير من كيس الغاز إلى الحقنة #1. وصل الحقنة #1 بالنقر ثلاثي الاتجاه من منفذ قفل اللور. لتقييم الحجم الصحيح، فإن 18 مل من غاز المخدر في خليط إجمالي 20 مل، سيعطي نسبة الغاز 90٪. يمكن تغيير ذلك وفقا لنسبة الغاز النهائية المطلوبة.
  11. أعد المكبس إلى خط 20 مل باستخدام الخيار اليدوي لمضخة الحقن.
  12. قم بتدوير صمام الإيقاف لتوصيل المنيومتر بالحقنة #2. عادة، يظهر المنومتر ضغط ~-3 كيلوباسكال بعد تعبئة المخدر.
  13. حرك المكبس تلقائيا، مع ضبط إعدادات السرعة والوقت على 80 مم/ث و38 ثانية. من المتوقع أن تصل المضخة إلى قضيب السبطانة بسعة 5 مل خلال 38 ثانية. عندما يتوقف المكبس، يجب أن يكون الضغط الأقصى ~200 كيلو باسكال.
  14. اترك المكبس في موقع 5 مل لمدة 20 ثانية. لاحظ الضغط الذروي.
  15. انقر على الحقنة لإخراج أي ذباب متشبث بالمكبس، مما يجعله يستقر بلا حركة في القاع.
  16. ابدأ عملية إزالة الضغط التلقائي في نهاية العشرين ثانية. أنهي التجربة عندما تعود المكبس إلى قضيب 20 مل. لاحظ الضغط النهائي لجهاز التحكم في التسرب.

5. تحليل البيانات

ملاحظة: في هذه التجربة، تم استخدام ظهور التخدير كنقطة نهاية. تم قياس حركات الذباب منذ وقت بدء فك ضغط المكبس. تم تطوير طريقتين مختلفتين للتحليل: تحليل البكسلات وتتبع الذباب. كل طريقة تحليل لها عيوبها، والتي يتم توضيحها في النقاش.

  1. تحليل البكسل
    1. استخدم ScreenFlow لتحرير الفيديوهات. اقتصاص كل فيديو حسب منطقة الاهتمام (ROI)، أي أول 5 مل من ماسورة الحقنة.
    2. قم بتقليص الفيديو إلى أول 20 ثانية بعد فك ضغط الحقنة. تصدير الفيديوهات المعدلة كصور متحركة. قم بتكرار الصورة المتحركة (GIF).
    3. باستخدام فيجي، قم بإزالة الإطار الأول من نسخة مكررة وإزالة الإطار الأخير من النسخة الأخرى. لتحقيق ذلك، اختر تحرير الصورة > الفيديو > حذف الإطارات.
    4. اجعل كل ملف GIF ثنائي في فيجي بحيث يظهر الذباب كالأبيض على خلفية سوداء. لتحقيق ذلك، اختر عملية > ثنائية > جعل الثنائي.
    5. افتح كلا الصورتين في فيجي. احسب فرق البكسل بين صور GIF. لتحقيق ذلك، اختر عملية > حاسبة الصور. هذه العملية ستنتج صورة GIF بفرق البكسل.
    6. احفظ صورة GIF لفرق البكسل. حلل الجسيم في صور GIF المختلفة. للقيام بذلك، اختر تحليل > تحليل الجسيمات في فيجي. قم بضبط عتبات حجم البكسلات لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
    7. بعد تحليل الجسيمات، تخرج فيجي CSV مع اختلافات بكسل لكل إطار. احفظ ملف CSV. يمكن استخدام بيانات CSV لرسم الحركة لكل إطار. استخدم الحركة التراكمية عبر الإطارات لتحديد الفروق الإحصائية بين التجارب.
  2. تتبع الذباب
    ملاحظة: في طريقة تتبع الذباب، تم استخدام تقنية الذكاء الاصطناعي لاكتشاف وتتبع مركز كتلة كل ذبابة في فيديوهات التجربة. تم دمج نموذجين لهذا الغرض: YOLO (تنظر مرة واحدة فقط) للكشف وMASA (مطابقة أي شيء عن طريق تقسيم أي شيء) للتتبع. تم تنفيذ النماذج على Google Colab باستخدام وحدة معالجة رسومات Tesla T4.
    1. قم بتثبيت مكتبة Ultralytics YOLO في Colab، ثم قم بتحميل نموذج yolo11n.pt. استخدم أداة التعليق على رؤية الحاسوب (CVAT) لتدوين التعليقات على الذباب في إطارات مستخرجة من الفيديوهات، ثم تصدير مجموعة البيانات بصيغة YOLO للتدريب. يتم وصف إجراءات التثبيت والتدريب التفصيلية في المستودع الإلكتروني.
    2. قم بتثبيت مستودع MASA في Google Colab ودمج فلتر Kalman لإجراء تتبع الكائنات عبر الإطارات المتتالية. دمج نموذج الكشف المدرب YOLO مع إطار تتبع MASA.
    3. استخدم FixTrack لمراجعة المقاطع الموسيقية التي تولدها خط أنابيب MASA+YOLO المدمج يدويا. تحديد ودمج المقاطع المجزأة بشكل خاطئ أو تصحيح عدم تطابقات الهوية للحصول على مسارات مستمرة للذباب الفردي. يتم وصف إجراءات التثبيت والتدريب التفصيلية في مستودع FixTrack.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تسمح الطريقة الموضحة في هذه الورقة بمراقبة كل من توقيت ومدى النشاط الحركي في الذباب تحت ظروف الضغط العالي الضغط. يسمح هذا التكوين لغازات مثل الزينون وأكسيد النيتروز، اللذين لا تمتلكان خصائص تخدير في الظروف العادية، بإنتاج التخدير في ذبابة الفاكهة الميلانوغاستر. لإثبات ذلك، جربنا تركيزات مختلفة من الزينون والهواء. بدأنا في تأسيس العملية باستخدام 90٪ زينون و10٪ هواء. ثم أظهرنا حساسية المنهجية من خلال مقارنة الفروقات التي تم قياسها عندما زادت كمية غاز التخدير وانخفضت بنسبة 5٪. يوضح...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هذا الإعداد البسيط ومنخفض التكلفة يجعل اختبارات السلوك عالي الضغط في ذبابة الفاكهة متاحة على نطاق واسع، مما يتيح تجارب سريعة وقابلة للتكرار دون الحاجة إلى أوعية ضغط متخصصة. ومع ذلك، هناك بعض القيود. واحدة من التنازلات المهمة هي انخفاض الضغط الأقصى مقارنة بالإعدادات الحالية. أعلى ضغط يمكننا تحقيقه بهذا الإعداد هو ~4 ضغط جوي، بينما يقال إن أوعية الضغط المستخدمة في ذبابة الفاكهة تصل إلى ضعف ذلك تقريبا، ويمكن أن تصل أنظمة الفئران إلى 100 ضغط جوي16,17...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفون لا يذكرون أي تضارب مصالح.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد حظيت هذه الدراسة بدعم مالي من مؤسسة TBD (Tiny Blue Dot). نشكر جينيفر صن وتينغ ليو من Google DeepMind على مساعدتهما وإرشادهما في التتبع.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
أكياس الغاز محكمة الإغلاق (0.5 لتر)تقني7440440
الكاميراآبلآيفون 15
مشابك خرطوم النوابض ذات السلكين المزدوجخريطة المصادرA24120200UX2109
خليط طعام ذبابة الفاكهةالزراعة المتقدمةDM900
ذبابة الفاكهة الميلانوغاسترداروين بيولوجياLZ-210
أنبوب الحقنأيتوسيرلياB09M8G5BQ8
طاولة إضاءة LEDلايريM1-3878368
المانوميتردوايرأوميغا477AV-8
صامولة ضغط معدنية ثلاثية الاتجاهات سيغما ألدريتش  Z182184
حقنة البولي كربونات (20 مل)DMC MedicalFD-1031NS
حقنة البولي بروبيلين (20 مل)BD301031
أنابيب السيليكون
غاز زينونغازات تشنغدو تايو الصناعية

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bert, P. Barometric Pressure: Researches in Experimental Physiology. , College Book Company. Columbus, Ohio. (1943).
  2. Grover, C. A., Grover, D. H. Albert Behnke: nitrogen narcosis. J Emerg Med. 46, 225-227 (2014).
  3. Rostain, J. C., Lavoute, C., Risso, J. J., Vallée, N., Weiss, M. A review of recent neurochemical data on inert gas narcosis. Undersea Hyperb Med. 38, 49-59 (2011).
  4. Clark, J. E. Moving in extreme environments: inert gas narcosis and underwater activities. Extrem Physiol Med. 4, 1(2015).
  5. Lawrence, J. H., Loomis, W. F., Tobias, C. A., Turpin, F. H. Preliminary observations on the narcotic effect of xenon with a review of values for solubilities of gases in water and oils. J Physiol. 105, 197-204 (1946).
  6. Miller, K. W., Paton, W. D., Smith, E. B., Smith, R. A. Physicochemical approaches to the mode of action of general anesthetics. Anesthesiology. 36, 339-351 (1972).
  7. Mashour, G. A., Forman, S. A., Campagna, J. A. Mechanisms of general anesthesia: from molecules to mind. Best Pract Res Clin Anaesthesiol. 19, 349-364 (2005).
  8. Sanders, R. D., Franks, N. P., Maze, M. Xenon: no stranger to anaesthesia. Br J Anaesth. 91, 709-717 (2003).
  9. Law, L. S. C., Lo, E. A. G., Gan, T. J. Xenon anesthesia: A systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials. Anesth Analg. 122, 678-697 (2016).
  10. Krishnan, K. S., Nash, H. A. A genetic study of the anesthetic response: mutants of Drosophila melanogaster altered in sensitivity to halothane. Proc Natl Acad Sci U S A. 87 (21), 8632-8636 (1990).
  11. Zalucki, O., Day, R., Kottler, B., Karunanithi, S., van Swinderen, B. Behavioral and electrophysiological analysis of general anesthesia in 3 background strains of Drosophila melanogaster. Fly (Austin). 9, 7-15 (2015).
  12. Daplan, E., Turin, L., Skoulakis, E. M. C. Measuring the anesthetic response to chloroform and isoflurane in general anesthesia mutants in Drosophila melanogaster. Anesthesia Res. 2, 12(2025).
  13. Rodriguez, E., Peng, B., Lane, N. Anaesthetics disrupt complex I-linked respiration and reverse the ATP synthase. Biochim Biophys Acta Bioenerg. 1866, 149511(2025).
  14. Wlodarczyk, A., McMillan, P. F., Greenfield, S. A. High pressure effects in anaesthesia and narcosis. Chem Soc Rev. 35, 890-898 (2006).
  15. Koblin, D. D., et al. Minimum alveolar concentrations of noble gases, nitrogen, and sulfur hexafluoride in rats: helium and neon as nonimmobilizers (nonanesthetics). Anesth Analg. 87, 419-424 (1998).
  16. Thomas, J. J., Baxter, R. C., Fenn, W. O. Interactions of oxygen at high pressure and radiation in Drosophila. J Gen Physiol. 49, 537-549 (1966).
  17. Kent, D. W., Halsey, M. J., Eger, E. I. 2nd, Kent, B. Isoflurane anesthesia and pressure antagonism in mice. Anesth Analg. 56, 97-101 (1977).
  18. Gunning, C. FixtrackV2 at SingleVid. , Github. (2025).
  19. Allada, R., Nash, H. A. Drosophila melanogaster as a model for study of general anesthesia: the quantitative response to clinical anesthetics and alkanes. Anesth Analg. 77, 19-26 (1993).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Hyperbaric PressureXenon AnesthesiaDrosophila MelanogasterAnesthetic GasesBehavioral ResponsePressure ChamberVideo AnalysisPixel DifferenceFly MovementModel Organisms

مقالات ذات صلة