通过生理学和解剖学技术,研究甲壳动物步行足中关节本体感受器和肌肉张力感受器的功能与结构。
通过生理学和解剖学技术,研究甲壳动物步行足中关节本体感受器和肌肉张力感受器的功能与结构。
这些实验步骤的主要目的是为了教学和科研,演示如何记录负责本体感觉的活体初级感觉神经元的活动,这些神经元可感知关节位置与运动以及肌肉张力。通过基础的神经生理学仪器记录甲壳动物本体感受器和张力感受器的电活动,同时使用换能器测量刺激运动神经所引发的力。此外,我们还演示了如何对神经元进行染色,以快速评估其解剖结构或进行永久固定。染色结果揭示的解剖学结构代表了大多数甲壳动物中弦音器官的典型特征。通过比较张力神经反应与本体感觉反应,可有效作为教学工具,帮助确定这些感觉神经元的功能定义以及解剖结构与功能之间的关联。本文介绍了三种染色技术,供研究人员和教师根据各自实验室条件选择最合适的方法。
本体感觉是指对肢体位置和运动的感知,它使机体能够实现协调的运动行为。本体感受器包括感知位置(静态)和运动(运动觉)的受体。在昆虫和甲壳类动物中,弦音器官是向中枢神经系统(CNS)提供此类信息的结构1。并非所有的弦音器官都跨越关节,但由于它们附着在跨越关节的骨针(类似肌腱的结构)上,因此仍能监测关节运动,这些骨针会随着骨骼肌的收缩和关节的活动而移动。蟹的腿部有六个关节,每个关节含有一到两个弦音器官2。典型的弦音器官由60至100个或更多的感觉神经元组成,这些神经元嵌入一条弹性细丝中,能够传递关节的静态位置、运动方向和速度信息3-6。来自各关节和腿部弦音器官的输入信号在中枢神经系统中被整合处理,从而使动物实现协调的运动。
等长收缩和等张收缩期间,腿部肌肉产生的力由与肌纤维及其附着于腱膜的结构相关的张力感受器检测7-9。 在接下来的甲壳动物步行腿实验方案中,我们介绍了记录本体感觉初级感觉神经元以及响应肌纤维产生之力的神经元的方法。同时介绍了一种激活腿部运动并量化力量生成的技术,以及可用于表征这些周围神经系统结构排列的解剖学技术。
以下演示的实验步骤可用于分析支配弹性索和腱膜上两类感受器的神经元,其结构与功能均与其在弦音器弹性索和腱膜上的位置相关。作为示例,我们采用基节-指节(propodite-dactylopodite,PD)弦音器,该器官跨越蟹腿最远端的节段3尽管详细的电生理学研究始于20世纪30年代并持续至今,但关于各关节本体感受器的节段性连接及其在肌肉协调控制中的作用,部分机制已逐渐明确10-16。 建立本体感受器官、肌肉与神经系统之间的结构-功能关系,将有助于进一步明确这些器官的作用。例如,标记插入到骨腱中的张力感受神经元的胞体及其远端末梢,可揭示其相对于肌纤维的位置。8,17-21.
我们介绍了三种可用于甲壳类动物腿部的染色技术,适用于科研或教学实验室。亚甲蓝染色可为肌肉和神经提供良好的对比度,推荐作为学生学习解剖学的简便技术。具备荧光显微镜设备的实验室可通过将神经短暂暴露于活体染料4-di-2-ASP,实现更具选择性的神经元染色。第三种方法是CoCl2逆向填充,该方法可对神经元进行染色并固定,无需荧光成像。尽管该染色过程耗时且劳动强度较大,但对已填充的神经具有高对比度和高特异性。这些技术可联合用于比较各类弦音器官,不仅可在同一肢体或不同肢体之间进行比较,也可在不同甲壳类和昆虫物种之间进行比较20-22。用于生理记录和解剖染色的蓝蟹(C. sapidus)在美国南部和东南部沿海地区广泛可得。该物种代表了大多数蟹类中常见的弦音器和张力神经排列方式。西海岸的实验室则更倾向于使用体型更大的邓杰内斯蟹(Cancer magister)进行此类实验。
1. 从柄节-指节(PD)神经分离并记录电活动




2. 监测力生成的同时记录张力神经的电活动


3. 甲壳类步行足外周神经系统结构的染色



当通过完全伸展关节来拉伸PD器官时,PD神经在运动过程中表现出强烈的放电活动,如图10中第一秒所示。当关节保持在伸展位置静止时,仍存在部分放电活动,这些活动来源于对静态位置敏感的神经元(图10所示记录的后半部分)。位移过程中会诱发神经反应,而放电主要发生在弦音器纤维被拉伸期间(图11)。
通过排序尖峰的相对幅度,可进一步分析这些尖峰。该方法可用于展示在不同位置或运动类型中被募集的多种感觉神经元群体。5典型的振幅范围为0.25–1.5 mV,但这些数值取决于电阻(即 吸吮电极密封的紧密性。不同大小范围的尖峰频率也可用图形表示以进行分析。
通过将不同刺激频率下开肌产生的力对应的电压-时间轨迹相互叠加,可以进行比较(图13A和B)。该方法也可用于在每一给定刺激频率下,针对每个关节位置进行分析。随后可将张力神经的活动与在每个刺激频率及每个关节位置下产生的相对力大小进行关联分析。与PD神经类似,在开肌收缩时可观察到多种幅度的动作电位(图13C)。
通过亚甲蓝染色可清晰观察到步行足中神经元的解剖结构(图14)。注意靠近腱膜的弹性弦音器及其附近的张力感受神经元。该图中还可观察到多个不同直径且具有特定位置的神经元胞体。图15展示了张力神经和伸肌运动神经的完整走行路径。利用4-Di-2-ASP(图16)和CoCl2(图17)逆行填充技术,可更清晰地显示PD神经中的单个神经元。在高倍镜下,可观察到感觉末梢位于支持性的栓状体内部(图16B)21,22,26。

图 10. 移动并在 0° 位置保持。动态神经元在关节运动期间放电稳定,而当关节保持张开状态时,静态敏感神经元产生动作电位。点击此处查看高清图像。

图11. 从完全屈曲到伸展(90-0°)位置的快速开启和关闭。 点击此处查看大图。

图 12. 从 PD 神经记录到的细胞外尖峰信号。关节先完全伸展,然后迅速移动至半屈曲位置并保持静止。注意运动期间的神经活动增强,而在静止时活动减弱。点击此处查看高分辨率图像。

图13. 关节完全屈曲状态下,不同刺激频率产生的相对作用力。(A)显示了每种刺激频率下力传感器记录的电压-时间轨迹。(B)将A图中的轨迹以不同颜色叠加,便于比较。(C)当运动神经以80 Hz频率刺激时,从张力神经记录到的电活动电压-时间轨迹。注意刺激伪迹呈现出的规律性模式,并与神经活动进行对比。同时注意神经反应具有不同的振幅。点击此处查看高清大图。

图14. 步行足制备样品的亚甲蓝染色图。图中显示了单个神经元胞体,其感觉末梢伸入弹性纤维内。靠近腱膜处可见一条张力神经元。 点击此处查看高清大图。

图15. 从远端发出的张力神经(红色箭头)与运动神经(绿色箭头)汇合。 点击此处查看大图。

图16. (A) 使用4-Di-2-ASP对Cancer magister的PD神经进行逆向填充。(B) 感觉末梢的高倍放大图像。点击此处查看高分辨率图像。

图17. 经 CoCl2 充填并处理的神经元(A)。所示染色标本的描记轮廓(B)。点击此处查看高清图像。
| 生理盐水 | g/L |
| NaCl | 27.29 |
| KCl | 0.81 |
| MgSO4•7H2O | 4.81 |
| CaCl2•2H2O | 1.85 |
| Na2SO4•10H2O | 0.97 |
| Dextrose (D-Glucose) | 1.982 |
| HEPES acid | 0.476 |
| HEPES salt | 2.08 |
| 用 NaOH 或 HCl 调节至 pH 8.1 |
表1. 蟹生理盐水配方。
本系列实验的目的在于:1)讲授并展示从可识别的本体感受器官和张力神经进行细胞外记录的基本原理;2)强调解剖定位在特定感觉系统生理功能研究中的重要性。该实验方法所采用的动物模型成本低廉,且在神经生理学教学实验室中相对易于实施。
弦音器官的神经元具有两种特定的功能类型:一类对运动产生反应,另一类对静态位置产生反应。对多种弦音器官进行的单细胞记录,无论检测的是哪个关节,均证实了这一情况3,5。事实上,与龙虾触角关节相关的弦音器官也表现出相同的两种感觉类型和基本解剖结构27。 除了存在两种神经元类型(运动型和位置型)外,这些神经元在其各自的弹性纤维上具有相同的解剖排列方式。位于纤维近端、体积较大的细胞体通常属于对动态运动敏感的神经元;而传递静态位置信号的神经元则具有较小的细胞体,位于远端。这些细胞呈紧张性活动。掌指关节(PD关节)仅包含一个弦音器官,而在腕掌关节(CP关节)和前臂腕关节(MC关节)中则各有两个弦音器官。
为了对蓝蟹(C. sapidus)的本体感受结构进行电生理记录,解剖时需采用一种允许关节在自然位置下活动的策略。步足中张肌的张力神经是一条非常纤细的神经,由多个神经元组成。若操作不慎,在解剖过程中可能损伤该张力神经,以及支配待刺激肌肉的运动神经。为了获得最佳记录效果,需根据神经的大小定制吸吮电极。在学生实验室内,使用30–40倍放大倍数的解剖显微镜和低端显微操作器即可方便地进行记录。
未来值得探索的与混合型弦音器官相关的实验,可包括在不同物种生命周期的各个阶段,研究其在腿部再生过程中的结构与生理特征,以此作为对先前使用Cancer magister19,26所开展的初步研究的后续工作。尚待解决的问题包括:1)再生神经元的分布与组织是否依赖于动物在肢体再生时的年龄;2)再生肢体中轴突向中枢神经系统(腹神经索)的投射是否具备功能,还是需要一定时间及关节活动才能建立功能性连接;3)当肢体发生自切时,位于自切平面近端的被切断轴突会发生何种变化?28
甲壳动物会顺应环境条件及其周围温度的变化,但目前尚不清楚当神经元活动随温度变化而改变时,它们如何在神经回路内维持协调性。缓慢的温度变化可能使动物有一定时间进行适应,而快速的温度变化则可能无法实现这种适应。 由于代谢和行为引起的pH值或渗透压的生理变化31,或环境影响可能对参与本体感受的神经回路造成类似的挑战。这些甲壳动物制备标本非常适合用于研究此类问题,因为其功能在单细胞水平上已有充分表征。
在本实验方案中,我们展示了张力感受神经元在监测伸肌产生的力方面的生理学重要性。通过染色技术,可将这些张力感受器定位至其在腱膜内的具体位置。这些神经元与哺乳动物类似,能够在不同强度下检测力的大小,并随着力的增加募集更多的神经元参与响应。其放电频率与运动神经元的刺激频率相关,直至感受器达到接收饱和状态。采用快速释放实验方案,在趾节关节屈曲状态下,张力活动迅速消失,但当关节完全伸展并重新建立张力后,该活动随即恢复。这是一种经典的实验方法,用于演示张力感受器所测得的力的变化。可在制备的标本上施加多种神经调质,以观察其对力的产生及神经元反应的影响。其中一个关键问题是神经反应在中枢神经系统中如何被处理和整合,并进一步影响运动神经元的活动。我们所展示的技术手段有助于深入研究张力(感觉)神经元与运动神经元环路的功能,即 信号在完整腿部中从神经节传向肌肉,再由肌肉传回神经节的过程。
所展示的染色步骤对于理解支配本体感受器官的感觉神经元的生理特性至关重要。根据功能和胞体大小,这些神经元在蟹腿内不同弦音器官中的解剖排列相似。目前尚不清楚其他甲壳类物种或昆虫中是否存在类似的神经元排列。结合单细胞水平的生理记录与位置定位,可建立直接的结构-功能关系。利用氯化钴(CoCl2)染色和固定技术长期保存解剖结构,使得研究者能够重复测量并评估其结构排列。
本体感受和骨骼肌张力感知是使节肢动物在多种骨骼肌构型下能够协调行为并对外部和内部环境产生反应的两种感觉模式。龙虾腹部的肌肉感受器器官是另一个被充分记录的实验模型(参见Crawdad项目;http://www.crawdad.cornell.edu/),可用于教学,每个腹部半体节仅包含两个神经元23。 能够从单个神经元到感觉神经束进行记录,可提供更详细的机制信息,有助于理解感觉接收的基本原理。这些相对简单的甲壳类动物模型可用于研究本体感受和张力监测的基本机制,并有望揭示实现本体感受与其他感觉输入中枢整合的神经回路9-12, 32, 33。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
作者感谢 Hyewon Cooper 提供的艺术贡献。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 硅胶 | Dow Corning | 182 硅胶试剂盒 | |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| 氯化钾 | Sigma-Aldrich | P9333 | |
| 氯化钙2 | Sigma-Aldrich | C5670 | |
| HEPES 酸 | Sigma | 3375 | 游离酸,结晶状 |
| HEPES 碱 | Sigma | ||
| D-葡萄糖 | Sigma | G7021 | |
| 硫酸镁4•7H2O | Sigma | M2643 | |
| 硫酸钠2SO4•10H2O | Sigma | 246980 | |
| Bouin’s 溶液固定剂 | Sigma | HT10-1-32 | 注意:危险品(需特殊运输费用) |
| 氯化钴2 | Sigma | 注意:危险品。请根据当地及联邦法规妥善处理。 | |
| 亚甲蓝氯化物 | Matheson Co., Inc | 碱性蓝 9,C.I. 52015 | |
| 4-Di-2-ASP | Molecular Probes | 4-(4-二乙氨基苯乙烯基)-N-甲基吡啶碘化物 | |
| 漂白剂 | Sigma-Aldrich | 用于氯化银丝 | |
| 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | 221465 | 用于调节 pH |
| 盐酸 | Sigma-Aldrich | H1758 | 用于调节 pH |
| 材料 | |||
| 解剖工具 | World Precision Instruments | 套装 | |
| 细胞内电极探针 | |||
| 法拉第笼 | |||
| 昆虫针 | Fine Science Tools, Inc | 26001-60 | |
| 解剖显微镜(100倍) | |||
| 光纤灯 | |||
| 小型可调反射镜 | 用于将光束导向样本 | ||
| 玻璃电极 | Sigma-Aldrich | CLS7095B5X | 每盒200支,吸电极 |
| 显微操作器 | World Precision Instruments | MD4-M3-R | 可固定于底座或金属杆上 |
| 抬高式样本台 | |||
| 银丝(10/1,000 英寸) | A-M Systems | 782500 | |
| 计算机 | 任意厂商 | ||
| 交流/直流差分放大器 | A-M Systems | Model 3000 | |
| PowerLab 26T | AD Instruments | 27T | |
| 力传感器 | AD Instruments | 0-50g | MLTF050/ST |
| 前置放大头段 | AD Instruments | 随交流/直流放大器附带 | |
| LabChart7 | AD Instruments | ||
| 电极导线 | 任意厂商 | ||
| 玻璃工具 | 自制 | 用于操作神经 | |
| 电缆和连接器 | 任意厂商 | ||
| 带橡胶球的移液管 | Fisher Scientific | 13-711-7 | 每盒500支 |
| 烧杯 | 任意厂商 | ||
| 石蜡或油泥 | 任意厂商或本地商店 | ||
| 刺激器 | Grass Instruments | SD9 或 S88 | |
| 吸电极用塑料尖端 | 本地五金店(Watt’s 品牌) | ¼ 英寸外径 × 0.170 英寸内径 | 切成小段,在火焰上拉细,并修剪尖端至合适尺寸 |