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Das Füttern von Tieren muss Eingaben aus mehreren sensorischen Modalitäten integrieren und geeignete Verhaltensstrategien auswählen, um ihre Umgebung erfolgreich zu navigieren. Verständnis, wie externe sensorische Eingaben empfangen und in neuronale Informationen umgesetzt werden, um die Aktionsauswahl zu leiten, ist ein zentrales Ziel im Bereich der Neurobiologie. Der genetisch tragbare Nematoden, C. elegans , ist ein attraktiver Modellorganismus, in dem die neuronalen Mechanismen der sensorischen Biologie und der multimodalen Integration untersucht werden können. Obwohl C. elegans nur 302 Neuronen hat, kann er zwischen einer Vielzahl von Umweltreizen einschließlich löslicher Verbindungen, flüchtiger Geruchsstoffe und Umgebungstemperatur 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 erkennen und unterscheiden . DasNematode C. elegans stützt sich stark auf seinen chemosensorischen Apparat, um Nahrungsmittelquellen zu lokalisieren und sich auf potenzielle Bedrohungen aufmerksam zu machen. So spielen Verhaltensassays, die entworfen sind, um die Reaktionen von Wildtyp- und Mutanten C. elegans auf chemische Reize zu untersuchen, eine entscheidende Rolle bei der Sezierung der genetischen, zellulären und neuronalen Mechanismen, die den bemerkenswerten sensorischen Fähigkeiten von C. elegans zugrunde liegen.
Um die Reaktion auf lösliche Verbindungen zu untersuchen, wurden drei Arten von Assays beschrieben - der Falltest, der Chemotaxisassay und der Retentionsassay. In dem Falltest wird ein kleiner Tropfen der Verbindung am Schwanz eines beweglichen Schneckers platziert und die Entscheidung des Wurms, sich umzukehren oder vorwärts zu bewegen, sobald die Flüssigkeit den vorderen sensorischen Apparat erreicht hat, wird erzielt 4 . Der Drop-Test erfordert wenig experimentelle Vorbereitung und ist nützlich, wenn die Stichprobengröße der Würmer klein ist, wie bei lasergestützten Würmern. Doch als nur ein wurmKann zu einem Zeitpunkt getestet werden und der Experimentator muss während der gesamten Dauer des Assays vorhanden sein, der Drop-Test kann zeitaufwendig sein. Der Falltest ist auch anfällig für Variationen in der Tropfenabgabe zwischen jedem Wurm innerhalb einer Probe, die die Gesamtergebnisse des Assays beeinflussen können. Eine weitere Einschränkung des Falltests ist, dass es nur verwendet werden kann, um die Reaktion des Wurms auf aversive Verbindungen zu untersuchen, da es nicht möglich ist, zwischen einer attraktiven oder neutralen Wirkung der Verbindung aus der Vorwärtsbewegung des Wurms zu unterscheiden.
Der Chemotaxis-Assay für lösliche Verbindungen beinhaltet im allgemeinen das Aufteilen einer Agarplatte in vier Quadranten, wobei die experimentelle Lösung in den Agar von zwei gegenüberliegenden Quadranten gemischt und die Kontrolllösung in die beiden anderen Quadranten 8 , 9 gemischt wird. Zu Beginn des Assays wird ein Tropfen Puffer, der Würmer enthält, in der Mitte der Platte platziert und die Anzahl der Würmer in Jeder Quadrant wird zu verschiedenen Zeitpunkten bewertet. Der Chemotaxis-Assay bietet eine größere statistische Leistung im Vergleich zum Falltest, da eine große Anzahl von Würmern in jedem Assay getestet wird. Eine Einschränkung dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß die Herstellung der Chemotaxis-Testplatten große Mengen der experimentellen Verbindung erfordert. Dies wird es schwierig machen, großräumige Verhaltensbildschirme durchzuführen, wenn ein komplizierter Reinigungsprozess mit begrenzten Ausbeuten erforderlich ist, um die interessierende Verbindung zu erhalten, wie im Fall der Ascarosid-Signalmoleküle 10 . Darüber hinaus ist das manuelle Zählen von Würmern während des gesamten Assays fehleranfällig und die Störung der Platten während des Zählvorgangs könnte die Ergebnisse beeinflussen.
Im Gegensatz zu den beiden vorgenannten Verfahren verwendet der Retentionsassay eine Machine Vision, die den Fehler während des Scoring-Prozesses minimiert und die Interferenz des Experimentators während des Assays reduziert > 11 Die computergesteuerte Analyse von Videoaufnahmen des Wurmverhaltens kann auch potenziell subtilere Verhaltensdynamiken aufdecken, die beim Scoring nur bei wenigen diskreten Zeitpunkten verpasst werden. In dem Retentionstest werden zwei Lösungspunkte auf gegenüberliegenden Seiten eines kleinen kreisförmigen bakteriellen Nahrungsmittelflecks hinzugefügt, gefolgt von der Platzierung einer kleinen Anzahl von Würmern in der Mitte des Nahrungsmittelflecks. Das Verhalten der Würmer wird dann aufgezeichnet, analysiert und ein Präferenzindexwert wird basierend auf der Gesamtzahl der Wurmpixel in jedem Lösungsbereich berechnet. Obwohl die Anwesenheit eines attraktiven Nahrungsmittelflecks ermöglicht, dass kleinere Populationen von Würmern in jedem Assay verwendet werden, wurde bisher gezeigt, dass das Vermeidungsverhalten für lösliche Repellanten 12 sensibilisiert wurde. Darüber hinaus zeigen Würmer eine photophobe Antwort auf kurzwelliges Licht und die Verwendung von Mikroskop-Lichtquellen, die weißes Licht in der Verhaltensaufzeichnung einrichten, können das Verhalten beeinflussenS = "xref"> 13
Der Zweck der in diesem Artikel diskutierten Methode ist die Aufzeichnung und Analyse von C. elegans ' Präferenz für lösliche Verbindungen unter Verwendung eines Populations-basierten Assays. Zu diesem Zweck integriert und verbessert das aktuelle Verfahren Aspekte aus allen drei der zuvor diskutierten Methoden. Es ermöglicht große Populationen von Würmern getestet werden und erfordert nur geringe Mengen der experimentellen Lösung in jedem Assay verwendet werden. Darüber hinaus wird der Assay innerhalb einer kundenspezifischen umschlossenen Verhaltenskammer mit Infrarot-LED-Hintergrundbeleuchtung durchgeführt, um die Auswirkungen von kurzwelligem Licht auf das Verhalten zu minimieren. Jede Kammer kann auch mit mehreren Mikroskopkameras ausgerüstet werden, was den experimentellen Durchsatz erhöht, ohne den Bankraum zu beeinträchtigen. Schließlich gibt die Videoanalyse-Software den Präferenzindexwert für jedes Video sowie einen begleitenden Wurmbelegungsplan aus, um die Dynamik der Populationsverhalten im Laufe der Zeit zu visualisieren. Der Kammeraufbau und aSsay-Protokoll kann weiter modifiziert werden, um multimodale Verhaltensreaktionen wie die Wirkung von Geruchsstoffen oder Temperaturen auf chemosensorische Verhaltensweisen zu untersuchen.
Dieser Artikel beschreibt die Konstruktion der Verhaltenskammer und des Testprotokolls. Es zeigt auch die Nützlichkeit dieses Verfahrens bei der Untersuchung der Reaktion von Wildtyp-Würmern und chemosensorischen defekten Mutanten auf die bekannten löslichen Repellanten, Kupferionen 4 . Schließlich ist der Videoanalyseprozess mit der mitgelieferten Software detailliert.