果蝇在扭矩仪上的操作性学习

摘要

利用扭矩计测量被束缚的果蝇的偏航扭矩，可使神经科学家对实验动物的刺激条件实现精确控制。结合果蝇中独特的遗传学工具，该范式被广泛应用于多种神经生物学研究。

摘要

在扭矩仪上进行实验时，果蝇饲养于标准果蝇培养基中，环境条件为25°C、60%湿度，并维持12小时光照/12小时黑暗的光照周期。通过标准化的繁殖方案确保幼虫密度适宜且获得年龄匹配的群体。实验前一天，将经低温麻醉的果蝇用胶水将其头部和胸部固定于一个三角形钩状结构上。果蝇通过夹具连接至扭矩仪，其试图进行的飞行动作将被记录为围绕其垂直体轴的角动量。将果蝇置于圆柱形全景显示器的中心，以实现定空飞行状态。模拟信号通过模数转换卡输入计算机，记录偏航扭矩信号以供后续分析。计算机还可控制多种刺激，通过将这些刺激与偏航扭矩信号建立反馈回路，使果蝇能够自主调控刺激。惩罚刺激通过调节红外激光加热实现。

方案

果蝇培养基

果蝇食物的成分对学习能力至关重要（Guo 等，1996）：

• 水 1000 ml
• 玉米粉 180 g
• 大豆粉 10 g
• 酵母 18.5 g
• 琼脂 7.5 g
• 糖蜜 40 g
• 糖浆（甜菜糖）40 g
• 尼泊金 2.5 g

每个小瓶均提供少量新鲜的活酵母糊以及一片滤纸，以增加果蝇和蛹的附着表面。

果蝇繁殖与发育时期确定

以下操作每天进行一次，以获得精确发育阶段且在适当密度下培养的果蝇。收集自前一天上次操作以来所有新羽化的果蝇用于繁殖和实验。将不含任何存活蛹的最老旧的培养管丢弃。将羽化后第四天的果蝇转移至新的培养管中，过夜产卵。每管雌性果蝇的数量应约为20只，可根据培养管大小和所用品系进行调整。理想的密度应足够高，以确保在幼虫阶段培养基液化，同时又足够低，以保证所有幼虫在首批果蝇羽化前已完成化蛹。将前一天用于产卵的果蝇移除并丢弃。

果蝇样品制备

果蝇在25°C、60%湿度、12小时光照/12小时黑暗循环条件下，饲养于上述标准玉米粉/糖蜜培养基中。实验前一天，将24-48小时龄的果蝇通过低温麻醉短暂固定后，用胶水（SuperGlue UV玻璃胶，505127A，Pacer Technology，Cucamonga，Ca.，USA）将其头部和胸部粘附于三角形铜钩（直径0.05 mm）上。随后，将果蝇单独置于含有少量蔗糖颗粒的小型湿润培养室中过夜饲养。

仪器设备

实验装置的核心部件是力矩补偿器（力矩计）（Götz, 1964）。它用于测量果蝇因意图飞行动作而围绕其垂直身体轴产生的角动量。果蝇如上所述被粘附在钩子上，再通过夹具连接到力矩计，使其在圆柱形全景环境（ arena，直径58 mm）中心实现固定飞行，该环境由后方均匀照明。光源为100 W、12 V的钨碘灯。为了实现 arena 的绿色和蓝色照明，光线分别透过单色宽带柯达Wratten明胶滤光片（#47和#99）。滤光片可通过快速电磁阀在0.1秒内更换。此外，也可通过蓝色-绿色滤光片（Rosco“surfblue”No. 5433）或不使用任何滤光片，使 arena 获得“日光”照明。本研究中使用的Rosco蓝绿色滤光片的透射光谱与Schott（Mainz）生产的BG18滤光片等效，其特性介于柯达蓝色和绿色滤光片之间（Brembs and Hempel de Ibarra, 2006；Liu et al., 1999）。arena 可通过计算机控制的电动机围绕果蝇旋转。在这种“飞行模拟器”条件下，arena 的角速度与果蝇的偏航力矩成正比，但方向相反（耦合因子K=-11°/s•10⁻¹⁰Nm）。这使得果蝇能够稳定全景图像并控制其角方向。这种虚拟的“飞行方向”（即 arena 位置）通过一个圆形电位计（Novotechnik, A4102a306）持续记录。模拟-数字转换卡（PCL812；Advantech Co.）将 arena 位置和偏航力矩信号输入计算机，用于连续存储轨迹数据（采样频率20 Hz），以便后续分析。惩罚通过从后上方对果蝇头部和胸部施加可调节的红外激光（825 nm，150 mW）热量实现。激光以脉冲形式发射（脉冲宽度约200 ms，频率约4 Hz），并降低其强度以确保果蝇存活。

实验

模式学习

在传统的模式学习实验中（Dill 和 Heisenberg，1995；Dill 等，1993，1995；Liu 等，2006；Liu 等，1998；Liu 等，1999；Wolf 和 Heisenberg，1991），四个黑色 T 形图案以交替方向（即两个正立、两个倒置）均匀分布在实验 arena 的壁上（从果蝇位置观察，图案宽度 ψ=40°，高度 θ=40°，条形宽度=14°）。计算机程序将 arena 的 360° 划分为四个虚拟的 90° 象限，各象限中心由图案标示。果蝇通过偏航力矩控制图案的角位置（飞行模拟器状态）。在训练期间，当某一图案方向出现在果蝇前方视野时，即施加热刺激作为惩罚。每组实验中，对各个图案的强化程度始终保持相等。在测试阶段，热刺激永久关闭，记录果蝇对图案的偏好。

颜色学习

颜色学习的实施方法如前所述（Brembs 和 Heisenberg，2000；Brembs 和 Hempel de Ibarra，2006；Brembs 和 Wiener，2006；Wolf 和 Heisenberg，1997）。实验 arena 被划分为四个虚拟的 90° 象限，每个象限的中心由四条相同的垂直条纹标示（宽度 ψ=14°，高度 θ=40°）。果蝇通过其偏航力矩控制这四条相同条纹的角位置，控制方式如上文所述的 T 形图案。当某一虚拟象限边界经过果蝇前方某一点时，整个 arena 的照明颜色即发生改变。在训练阶段，热惩罚与其中一种颜色关联呈现；在测试阶段，热惩罚永久关闭，记录果蝇对颜色的偏好。当然，颜色也可与图案结合，用于复合条件化训练（Brembs 和 Heisenberg，2001）。

偏航力矩学习

偏航力矩学习的实施方法如前所述（Brembs 和 Heisenberg，2000；Heisenberg 和 Wolf，1993）。将果蝇自发产生的偏航力矩范围划分为“左”和“右”两个区域，分别大致对应向左或向右的转向。实验 arena 的壁面上无任何图案。在训练阶段，当果蝇的偏航力矩处于某一特定区域时施加热刺激，当力矩转入另一区域时则关闭热刺激。在测试阶段，热刺激始终关闭，记录果蝇对偏航力矩区域的选择情况。

复合学习

复合学习是偏航力矩学习的延伸，如前所述（Brembs 和 Heisenberg，2000）。基本原理是在一个实验中将偏航力矩学习与颜色学习相结合，其中操作性条件刺激（偏航力矩）和经典条件刺激（颜色）具有等效的预测作用。在训练过程中，当果蝇的偏航力矩进入与惩罚相关联的区域时，果蝇会受到加热。每当果蝇切换偏航力矩区域时，不仅温度发生变化， arena 的颜色也随之改变（从绿色变为蓝色或反之）。因此，偏航力矩区域和颜色均作为热刺激的等效预测因子。在测试阶段，热刺激被永久关闭，仅记录果蝇对偏航力矩区域或颜色的选择行为。

讨论

该实验装置将对实验条件的精确控制与先进的遗传模式生物相结合。利用本演示中所述的方法，可研究多种行为特征的分子与神经生物学基础，包括但不限于自发行为产生的机制、操作性与经典条件反射、模式识别、颜色视觉以及航向控制。

讨论

该实验装置将对实验条件的精确控制与先进的遗传模式生物相结合。利用本演示中所述的方法，可研究多种行为特征的分子与神经生物学基础，包括但不限于自发行为产生的机制、操作性与经典条件反射、模式识别、颜色视觉以及航向控制。