多单位记录方法来描述蝗虫的神经活动（ Schistocerca美洲）嗅觉电路
2013年1月25日
我们证明细胞外的多单元的记录技术中的前三个阶段的无脊椎动物的嗅觉路径表征气味诱发反应的变化。这些技术可以很容易地适应以及其他神经系统检查合奏活动。
该程序的总体目标是记录来自昆虫嗅觉通路前三个信号处理中心的气味撤销的多单位神经活动。这是通过首先将蝗虫限制在定制设计的腔室中并稳定其一根触角以进行电生理记录来实现的。第二步是制造一个玻璃微电极并将其插入太阳的底部，以监测气味诱发的反应。
接下来记录来自蝗虫大脑的神经活动。遵循多步骤解剖程序以暴露神经组织，神经组织处理来自嗅觉感觉神经元的输入。最后一步涉及适当放置多电极阵列，以记录来自蝗虫和触叶以及蘑菇体的集成神经活动。
最终，此处演示的细胞外记录方法用于表征昆虫嗅觉途径前三个加工中心的气味诱发反应。虽然这种方法已被用于表征相对简单的无脊椎动物嗅觉系统中气味诱发的神经反应，但它也可以用于检查其他神经系统中的集合活动。这种方法的视觉演示至关重要，因为该程序的一些关键方面，例如电极放置和一些解剖步骤，很难学习。
此外，这些方法大多是定性的，随着时间的推移，不同的实验室对其进行了不同的完善。要开始此过程，请从拥挤的蝗虫群中选择一只翅膀完全长出的男女幼年蝗虫，但在交配阶段之前。接下来，通过截肢来约束蝗虫。
用组织粘合剂密封截肢部位。然后将蝗虫固定在定制设计的腔室中，并在其胸部周围覆盖一小块电工胶带。在解剖显微镜下，在蜡平台上做一个浅槽用于放置天线。
将天线放入凹槽中，并在天线的两端使用 bati 蜡稳定它。之后，将接地电极插入胸部。使用蜡染蜡密封切口部位并将地线固定到位。
接下来，将稳定的蝗虫天线放在隔振台上的立体显微镜下。将气味瓶的出口管线连接到气味输送管。将气味输送管放置在距离天线几厘米的范围内，通过真空漏斗去除输送的气味蒸气，该真空漏斗放置在蝗虫天线后面约 10 厘米处。
然后使用带有微量移液管的 burs 硅质玻璃毛细管制造玻璃电极，用蝗虫盐水极化填充玻璃电极。接下来，将玻璃电极放入连接到电动微型纵器的微型移液器支架中。确保记录 syn 的底部在显微镜下清晰可见。
轻轻地将电极插入 syn 的底座中。随后将信号放大 10， 000 倍。使用交流放大器。
过滤 0.3 到 10.0 kHz 之间的信号，并以 15 kHz 的采样率采集信号。使用数据采集系统，当电极位置适当时，可以检测到自发的神经活动。可以通过气味输送管传递气味脉冲来监测刺激诱发的反应。
靠近天线并跟踪细胞外活动的变化，遵循前面描述的约束程序。将蝗虫放置在定制设计的腔室中。通过在蝗虫头部周围制作一个蜡杯来开始解剖过程。
在蝗虫头部的两侧建造两个蜡塔，一直到触角的高度。接下来，将每个天线插入一小块紧密安装在橡胶垫圈中的聚乙烯管中。然后将垫圈连接到蜡塔上，使塑料管可以自由滑向或滑离天线的底部，同时防止天线移动。
然后在显微镜下，开始在蝗虫头部周围构建一个蜡杯，以便在解剖过程中和之后进行盐水灌注。蜡杯应从口器上方开始，包括两个蜡塔并延伸到复眼之外。蜡杯完全构建完成后，使用环氧树脂将天线的底部连接到塑料管的底端。
这将确保即使在去除周围的角质层后，触角也能保持在原位。从这一点开始，保持蜡杯装满盐水溶液。现在，删除两者之间的中心矩形区域。
天线。随后，去除邻近区域的角质层，而不会干扰触角基部的复眼或角质层。使用细镊子轻轻去除大脑周围的气袋和脂肪体。
蝗虫的大脑现在应该清晰可见了。处理嗅觉信息的大脑区域位于两者之间。天线轻轻拉动肠道并用细剪刀剪断。
然后取下翅膀，在直肠上方的腹部做一个小切口。用粗镊子拉动后肠，去除内脏。此步骤可确保肠道运动不会破坏准备工作的稳定性。
防止盐水泄漏。用缝合线将腹部系在切口部位的前方。接下来，使用一个由涂有细蜡层的细线环制成的小平台来提升大脑并稳定它以进行电生理学。
记录大脑由半透明护套保护，必须在记录前将其取下。为了削弱鞘，将蜡杯部分排干，并小心地将少量蛋白酶涂抹在大脑表面。施酶大约 5 到 10 秒后，用生理盐水彻底冲洗大脑。
然后用超细镊子非常轻柔地捏住并拉起护套，将其撕开并露出记录部位。在此过程中，将蝗虫制剂放在隔振台上的立体显微镜下。保持每小时约 40 毫升的恒定盐水灌注速率。
在整个实验过程中，使用浸入装满盐水的蜡杯中的氯化物银丝作为接地电极。准备类似于单传感器记录实验的气味输送设置。在实验之前，用金电镀电极，以达到 200 至 300 公斤范围内的阻抗。
使用 16 通道硅探针进行主神经元记录。在显微镜下。将电极靠近天线瓣表面放置，并使用手动微米纵器轻轻插入组织，在理想的记录位置，细胞外信号将被多个记录通道拾取，并且具有很高的信噪比。
对于 Kenyon 单元记录，按照电镀程序使用定制的双绞线 tero 对 tero 进行电镀。然后，硅探针将 tero 放在蘑菇体的表面上。由于肯尼亚细胞的 Samara 仅限于该区域的表层，因此主神经元和肯尼亚细胞记录都可以从相同的蝗虫制剂中同时进行。
确定记录位置后，等待至少 15 分钟以稳定电极。然后获取 15 kHz 的细胞外信号。在 0.3 到 6 kHz 之间过滤，并使用 16 通道交流放大器将其放大，包括自发和刺激诱发。
可以观察到来自天线叶中投射神经元的多单元神经活动。原始细胞外电压轨迹显示嗅觉受体神经元对两种不同气味的反应。此处显示了两个八进制乙醇和一个 H 乙醇。
此处显示了来自多单元天线瓣记录的代表性细胞外轨迹。可以在此电压轨迹中观察到源自不同主神经元的不同振幅的动作电位或尖峰。请注意，在灰色框指示的时间段内施加了 4 秒的气味脉冲。
此处显示了一个蘑菇体细胞外记录示例。与嗅觉受体神经元和主要神经元不同，昆虫蘑菇体内的 Kenyon 细胞具有较低的基线活性，并且以稀疏和选择性的方式对气味做出反应。为了从这些多单元记录中分离出单个单元响应，我们使用已发布的软件以离线方式执行尖峰排序程序。
主神经元和肯尼亚细胞刺突分选的示例在此处显示 观看此视频后。应该很好地了解如何进行细胞外多单位记录以表征沿插入嗅觉通路的前三个嗅觉中心的集合神经活动。
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概述
本研究展示了多单元细胞外记录技术的变体，以表征无脊椎动物嗅觉通路中的气味引发的反应。这些方法可以被调整用于检查其他神经系统中的集合活动。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 嗅觉处理
背景
- 了解昆虫如何处理嗅觉信息对于洞察神经机制至关重要。
- 多单元记录允许观察神经活动对刺激的反应。
- 像蝗虫这样的昆虫是研究嗅觉通路的有效模型。
- 先前的研究集中于单个神经元的反应，但集合活动提供了更广泛的视角。
研究目的
- 记录昆虫嗅觉通路中的气味引发的多单元神经活动。
- 探索记录技术的变体以获得更好的数据。
- 提供适应这些技术到其他神经系统的框架。
使用的方法
- 蝗虫被固定在一个定制设计的腔室中以保持稳定。
- 制造并插入玻璃微电极以监测反应。
- 使用多电极阵列从蝗虫大脑记录神经活动。
- 解剖程序暴露神经组织以进行有效记录。
主要结果
- 成功记录了蝗虫嗅觉中心的气味引发的反应。
- 证明了在这种情况下使用多单元记录的可行性。
- 提供了嗅觉处理集合活动的见解。
- 建立了一种可适应其他神经系统的方法。
结论
- 该研究推进了对昆虫嗅觉处理的理解。
- 记录技术的变体可以增强神经科学中的数据收集。
- 未来的研究可以在这些方法的基础上探索其他神经通路。
常见问题
Executive Industry Relevance
Understanding neural ensemble dynamics in model systems provides foundational insights for target validation in neuroscience drug discovery. Multi-unit recording techniques enable mechanistic de-risking by characterizing circuit-level responses to sensory stimuli, supporting predictive confidence in early-stage target engagement studies. This approach aids in triaging therapeutic hypotheses by linking neural activity patterns to behavioral outputs in disease-relevant systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through ensemble neural activity mapping in olfactory circuits.
- Operational Value: Supports biological de-risking by clarifying spatiotemporal firing patterns across principal neuron populations.
- Predictive Value: Enhances target confidence by linking odor-evoked responses to downstream processing in Kenyon cells.
Assay Development & Screening Readiness
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream compound evaluation via standardized extracellular recording.
- Operational Value: Ensures assay reproducibility through consistent electrode placement and signal acquisition protocols.
- Scalability: Facilitates platform reuse across neural systems with adapted microelectrode configurations.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Provides disease-relevant system insights by characterizing ensemble activity in olfactory memory and learning pathways.
- Operational Value: Enables continuity from discovery through preclinical validation via stable multi-unit recordings.
- Risk Mitigation: Supports predictive de-risking by isolating neural responses to controlled sensory stimuli.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis testing in sensory processing circuits, supporting lead identification through quantifiable neural readouts, and informing preclinical advancement decisions via ensemble activity profiling.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by monitoring odor-evoked multi-unit responses in antennal lobe and mushroom body.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized 16-channel silicon probe and twisted wire tetrode recordings with high signal-to-noise ratio.
- Analytics: Enables quantitative comparison of neural responses via extracellular voltage trace acquisition at 15 kHz sampling and 0.3–6.0 kHz filtering.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by characterizing sparse, selective Kenyon cell responses linked to olfactory memory.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable electrophysiology platform adaptable to other neural systems beyond olfaction.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through mechanistic de-risking of olfactory circuit engagement.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of multi-unit neural recordings.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions via reduced mechanistic ambiguity in target validation.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization based on ensemble neural response profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrophysiology, microsurgery, and neural tissue preparation.
- Dependent on vibration isolation tables, micro manipulators, and AC amplifiers with 10,000x gain.
- Necessitates cross-team standardization of electrode fabrication and saline perfusion protocols.
- Involves adaptation considerations for different model systems and brain region targeting.
- Limited by qualitative signal interpretation and lab-to-technique variability over time.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:11
Single Sensillum Preparation for Recording Odor-evoked Responses from Olfactory Receptor Neurons
4:47
Locust Dissection Procedure for Antennal Lobe and Mushroom Body Recordings
8:15
Multi-unit Recordings from the Antennal Lobe and the Mushroom Body
10:29
Results: Multi-unit Recording Methods to Characterize Neural Activity in the Locust Olfactory Circuits
11:50
Conclusion
