本方案描述了对黑腹果蝇(Drosophila)唇瓣味觉神经元动作电位反应进行的细胞外记录。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本方案描述了对黑腹果蝇(Drosophila)唇瓣味觉神经元动作电位反应进行的细胞外记录。
利用电生理技术可以深入研究昆虫的外周味觉反应。本文所述方法可使研究人员直接且定量地测量昆虫对味觉刺激的响应,从而反映昆虫神经系统从环境中味觉刺激所接收到的感觉输入。本实验方案详细阐述了实施该技术的全部关键步骤。文中明确了电生理记录装置组装过程中的关键环节,例如必要设备的选择以及适宜记录环境的设置。我们还介绍了如何制备合适的参考电极和记录电极,以及味觉刺激物溶液,以完成记录前的准备工作。我们详细描述了昆虫样本的制备方法,包括将玻璃参考电极插入果蝇体内以固定其喙部的操作步骤。文中展示了味觉神经元在受到糖类和苦味化合物刺激后所产生的电信号轨迹。该实验方案的部分操作具有较高的技术难度,因此我们提供了对一些常见技术问题的详尽说明,例如系统中信号缺失或噪声过强等问题,并提出了可能的解决方案。该技术存在一定的局限性,例如难以施加时间上复杂的刺激、无法在刺激呈现前立即观察到背景放电活动,或难以方便地使用水不溶性味觉化合物。尽管如此,该技术(包括本方案中提及的一些小的变体)仍是记录黑腹果蝇(Drosophila)神经元对味觉化合物响应的标准且广泛接受的实验方法。
味觉使昆虫能够检测大量可溶性化学物质,在识别营养物质或拒绝有害或有毒物质方面发挥着重要作用。味觉还被认为通过信息素的检测在配偶选择中发挥作用1-5。这些重要而多样的功能使得昆虫味觉系统成为研究感觉系统如何将环境线索转化为相应行为输出的一个极具吸引力的研究对象。
基本单位 黑腹果蝇 味觉系统的味觉毛或感觉器。分子通过感觉器顶端的小孔进入感觉器2,6. 感觉器分布于唇瓣、足、翅缘和咽部6. 唇瓣上的感器数量和位置具有固定模式。根据长度,感器可分为三种形态类型:长型(L)、中等型(I)和短型(S)感器7,8每个感受器含有两个(I型)或四个(L型和S型)味觉感受神经元(GRNs)9不同的味觉受体神经元(GRNs)对不同类别的味觉刺激产生反应:苦味、糖、盐和渗透压7,10 并表达不同亚群的味觉受体8,11-13只有I型和S型感器含有对苦味有反应的味觉感受神经元8,10味觉受体神经元(GRNs)投射至食道下神经节(SOG),其被味觉分子激活的信号被传递至更高级的中枢神经系统进行解码,从而引发行为反应。6神经元数量相对较少,且易于进行分子和行为学分析,这使得 黑腹果蝇 味觉系统是研究一般性味觉系统的理想模型。通过基因突变或GAL4-UAS表达系统对该系统进行操作的相对简便性,也使其成为一项重要的研究工具14,15.
由于这些感受器突出于唇瓣表面,因此非常适合作为电生理学研究的理想靶点。可通过细胞外记录来监测味觉受体神经元(GRNs)的放电活动。传统上采用侧壁记录法,即通过将玻璃电极插入感受器内以记录神经元活性26。然而,该方法技术难度较高,且难以对每一份样本进行长时间记录。随后,尖端记录法逐渐成为首选方法9,16,该方法使用一个电极同时递送味觉刺激物并测量神经元的反应。该技术已被广泛用于研究黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)8,10,17,18以及其他多种昆虫物种的味觉系统19-23。味觉放大器(tastePROBE amplifier)的开发极大推动了该技术的应用,该设备通过补偿参考电极与昆虫感受器之间较大的电位差,克服了尖端记录法的主要技术障碍,使得GRN的动作电位无需过度放大或滤波即可被准确记录24。另一项重要进展是使用三乙醇胺柠檬酸盐(tricholine citrate)作为记录电解质25。TCC可抑制对渗透压敏感的GRN反应,且不会激活对盐敏感的GRN,从而显著简化了苦味和糖类味觉刺激物所引发反应的分析过程25。
在此我们描述如何进行尖端记录 果蝇 唇瓣感器的电生理记录目前在Carlson实验室中进行。本实验方案将介绍如何搭建合适的电生理记录装置、如何准备果蝇样本以及如何开展味觉记录。我们还展示了一些通过记录特定亚群感器所获得的代表性数据 黑腹果蝇 感受器,以及使用该技术时可能遇到的一些常见问题和潜在解决方案。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
以下方案符合耶鲁大学的所有动物护理指南。
1. 试剂与仪器准备


2. Drosophila 准备

图3. 记录前果蝇的准备。 (A)参考电极插入果蝇背部胸部的位置。白色箭头指示参考电极。(B)参考电极的中间位置:电极已穿过颈部和头部,但喙尚未完全伸出。(C,D)参考电极处于最终位置的果蝇,电极尖端位于喙盘内,且喙完全伸出。点击此处查看高清图像。
3. 唇瓣感器的记录

图 4. 果蝇记录实验。 (A)左侧为果蝇唇瓣制备样本,右侧为记录电极对准接触位置,高倍放大下观察。 (B)记录电极与唇瓣上单个感觉毛接触,高倍放大下观察。 点击此处查看高清图像。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
图5A 显示了L型感器对糖类物质蔗糖的反应。同一感器对苦味化合物小檗碱无反应。图5B 显示,含有对苦味敏感神经元的I型感器在响应小檗碱时产生较大振幅的动作电位,而在响应蔗糖时产生较小振幅的动作电位。L型感器对溶剂对照TCC仅有微弱的基础反应,而I型感器对TCC几乎无反应(图5)。有关唇瓣味觉受体神经元(GRNs)对盐和水反应的更多信息,请参见Hiroi10。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
由于形态和解剖结构的差异,唇瓣上的感器在记录信号的难易程度上有所不同。有时某个感器对任何味觉刺激物均无反应,即使该刺激物已知可引发阳性反应。这种情况的发生频率因感器类型而异。L型感器的反应通常最为稳定,且因其长度较长而相对容易接触。一般来说,S型感器的反应也较稳定,但由于其较短的长度以及在唇瓣上的位置,实现良好接触较为困难。I型感器的接触难易程度取决于制备样本的角度,可能较易接近,但其无反应的情况更为常见。在任意一只果蝇的制备样本中,I型感器无反应的比例可能高于L型或S型感器。遗传背景也会影响味觉反应的稳定性。例如,某些转基因果蝇的反应稳定性可能低于野生型,推测原因是转基因影响了果蝇的整体健康状况。我们观察到,w-突变型果蝇尤其难以进行有效记录。
一个常见的技术问题是信号缺失,即 未观察到任何峰电位(图6A)。首先,有时某个特定的感器可能无反应,而同一只果蝇上属于同一类别的其他感器却可能有反应。其次,记录电极或参考电极中可能存在气泡。如果怀疑是记录电极的问题,可通过简单地取出并重新填充玻璃电极,轻轻...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了NRSA博士前资助1F31DC012985(授予R.D.)以及美国国立卫生研究院(NIH)对J.C.的资助。
我们感谢林内亚·韦斯博士(Dr. Linnea Weiss)对文稿提出的有益意见,感谢瑞安·约瑟夫博士(Dr. Ryan Joseph )在图表整理方面提供的帮助,以及弗雷德里克·马里昂-波尔博士(Dr. Frederic Marion-Poll)提供的宝贵技术建议。同时,我们还要感谢四位审稿人所提出的建设性意见。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 体视变焦显微镜 | Olympus | SZX12 DFPLFL1.6x PF 目镜:WHN10x-H/22 | 配备长工作距离台式支架,可实现约 150 倍放大 |
| 防震台 | Kinetic Systems | BenchMate2210 | |
| 微操纵器 | Narishige | NMN-21 | |
| 磁力支架 | ENCO | 型号 #625-0930 | |
| 参比电极夹 | Harvard Apparatus | ESP/W-F10N | 可安装在 5 ml 移液管上以扩展操作范围 |
| 银丝 | World Precision Instruments | AGW1510 | 直径 0.3–0.5 mm |
| 铁架台 | 通用型 | ||
| 出液塑料管 | 通用型,直径 1 cm | ||
| 柔性塑料管 | Nalgene | 8000-0060 | VI 级,内径 1/4 英寸 |
| 500 ml 锥形瓶 | 通用型,带侧臂 | ||
| 水族泵 | Aquatic Gardens | Airpump 2000 | |
| 光纤光源 | Dolan-Jenner Industries | Fiber-Lite 2100 | |
| 白色卡片/纸 | Whatman | 1001-110 | |
| 数字采集系统 | Syntech | IDAC-4 | 替代方案:National Instruments NI-6251 |
| 前置放大器 | Syntech | DTP-1 | 味觉探针 |
| 味觉探针放大器 | Syntech | DTP-1 | 味觉探针 |
| 鳄鱼夹 | Grainger | 1XWN7 | 任何品牌均可 |
| 绝缘电线 | 通用型 | ||
| 金连接针 | World Precision Instruments | 5482 | |
| 个人计算机 | Dell | Vostro | 需确认与数字采集系统及软件的兼容性 |
| 采集软件 | Syntech | Autospike | Autospike 适用于 IDAC-4;也可使用 LabView 配合 NI-6251 |
| 铝箔和/或法拉第笼 | 用于电磁噪声屏蔽 | ||
| 硼硅酸盐玻璃毛细管 | World Precision Instruments | 1B100F-4 | |
| 拉针仪 | Sutter Instrument Company | Model P-87 Flaming/Brown 微量移液管拉针仪 | |
| Beadle 和 Ephrussi 林格液 | 参见实验方案部分的配方 | ||
| 三氯柠檬酸,65% | Sigma | T0252-100G | |
| 体视显微镜 | Olympus | VMZ 1x–4x | 可实现 10–40 倍放大 |
| 冰桶 | 通用型 | ||
| p200 移液器吸头 | 通用型 | ||
| 脊髓穿刺针 | Terumo | SN*2590 | |
| 1 ml 注射器 | Beckton-Dickenson | 301025 | |
| 果蝇吸取器 | 由 P1000 移液器吸头、柔性塑料管和网筛组装而成 | ||
| 模型黏土 | 通用型 | ||
| 镊子 | Fine Science Tools By Dumont | 11252-00 | #5SF(超细尖头) |
| 10 ml 注射器 | Beckton-Dickinson | 301029 | |
| 塑料管 | Tygon | R-3603 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。