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Research Article
Andrea Soto-Padilla1,2, Rick Ruijsink3, Mark Span4, Hedderik van Rijn*4, Jean-Christophe Billeter*1
1Groningen Institute for Evolutionary Life Sciences,University of Groningen, 2Department of Cell Biology, University of Groningen,University Medical Center Groningen, 3Ruijsink Dynamic Engineering, 4Department of Psychology,University of Groningen
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Nous présentons ici un protocole pour déterminer automatiquement la performance locomotrice de la drosophile aux changements de température à l’aide d’une arène programmable à température contrôlée qui produit des changements de température rapide et précis dans le temps et l’espace.
Température est un facteur environnemental omniprésent qui influe sur les espèces distribuent et se comportent. Différentes espèces de mouches à fruit drosophile ont des réponses concrètes aux changements de température selon leur tolérance physiologique et l’adaptabilité. Drosophile mouches possèdent également un système devenu fondamentale pour comprendre les bases neurales de la température de transformation en ectothermes thermosensibles. Nous présentons ici une arène à température contrôlée qui permet des changements de température rapides et précis avec contrôle temporel et spatial pour étudier la réponse de mouches individuels aux changements de température. Les mouches individuels sont placés dans l’arène et exposées aux températures préprogrammées défis, tel que progressive uniforme augmente de température pour déterminer les normes de réaction ou de températures distribuées spatialement en même temps afin de déterminer les préférences. Les personnes sont suivies automatiquement, ce qui permet la quantification de la vitesse ou l’emplacement de préférence. Cette méthode permet de quantifier rapidement la réponse sur une large gamme de températures afin de déterminer les courbes de performance de température chez la drosophile ou d’autres insectes de la même taille. En outre, il peut être utilisé pour des études génétiques pour quantifier les préférences de la température et les réactions des mutants ou mouches de type sauvage. Cette méthode peut aider à découvrir la base de la spéciation thermique et adaptation, ainsi que les mécanismes neuronaux derrière la transformation de la température.
La température est un facteur environnemental constant qui influe sur les organismes fonctionnent et comportent1. Différences de latitude et altitude conduisent à des différences dans le type de climats organisme sont exposés, qui se traduit par une sélection évolutive pour leurs réponses à température2,3. Organismes réagissent à différentes températures moyennant des adaptations morphologiques, physiologiques et comportementales qui maximisent le rendement dans leurs environnements particuliers4. Par exemple, chez la drosophile Drosophila melanogaster, les populations des différentes régions ont préférences de température différente, dimensions corporelles, developmental fois, longévité, fécondité et performance marche à différentes températures2 ,5,6,7. La diversité observée entre les mouches d’origines différentes s’explique en partie par la variation génétique et expression de gène en plastique8,9. De même, Drosophila espèces provenant de régions différentes répartir différemment entre les gradients de température et montrent les différences de résistance à la chaleur extrême et essais de froid10,11,12.
Drosophile est récemment devenu le modèle de choix pour comprendre les bases génétiques et neurales de température perception13,14,15,16,17. De façon générale, les mouches adultes perçoivent la température par le biais de capteurs de température périphérique chauds et froids dans les antennes et capteurs de température dans le cerveau13,14,15,16 , 17 , 18 , 19 , 20. les récepteurs de la périphérie pour les températures chaudes expriment Gr28b.d16 ou21de la pyrexie, tandis que la périphérie froides récepteurs sont caractérisés par des Brivido14. Dans le cerveau, la température est traitée par les neurones exprimant TrpA115. Des études comportementales sur les mutants de ces voies sont améliorent notre compréhension de la façon dont la température est traitée et donnent un aperçu des mécanismes qui diffèrent entre les populations de Drosophila provenant de différentes régions.
Nous décrivons ici une arène à température contrôlée qui produit des changements de température rapides et précis. Les enquêteurs peuvent préprogrammer ces changements, qui permet des manipulations de température standardisées et reproductibles sans intervention humaine. Les mouches sont enregistrés et suivis avec un logiciel spécialisé pour déterminer leur position et leur vitesse à différentes phases d’une expérience. La principale mesure présentée dans le présent protocole est la vitesse de marche à des températures différentes, parce que c’est un indice écologiquement pertinent de performance physiologique qui permet d’identifier une adaptabilité thermique individuel5. Ainsi que des mutants de récepteur de température, cette technique peut aider à révéler les mécanismes d’adaptation thermique aux niveaux cellulaires et biochimiques.
1. préparation du milieu alimentaire mouche
2. préparation des mouches
3. cadre de lumières
4. température contrôlée Arena
5. la température des expériences comportementales
6. lunette Digital video suivi et analyse des données
L’arène à température contrôlée (Figure 1 a) se compose de trois tuiles de cuivre dont la température peut être contrôlée individuellement grâce à un circuit programmable. Chaque tuile cuivre possède un capteur de température qui donne une rétroaction au circuit programmable. Le circuit déclenche une alimentation pour augmenter la température de chaque tuile. Des éléments thermo-électriques passives agissent comme des éléments de chauffage constante pour maintenir la température désirée, et un dissipateur de chaleur refroidi par un ventilateur fournit un refroidissement constant. L’ampleur du changement de température détermine la vitesse du processus de manière non linéaire. Une augmentation de 2 ° C nécessite seulement 0,1 s et une augmentation de 18 ° C il faut 4 s. Un écran connecté au circuit programmable (Figure 1) informe l’utilisateur de la température mesurée par les capteurs de température dans chacune des tuiles. Les tuiles en cuivre sont entourées d’un anneau d’aluminium constamment chauffé à 50 ° C (Figure 1 b et 1C) de semi-conducteurs à la périphérie. Cet anneau forme les bords de l’arène de voler (Figure 1), la zone dans laquelle les mouches doivent être placées. L’arène de voler est couvert par un couvercle en verre siliconé (Figure 1 a et 1C), qui offre un espace de 3 mm haute qui s’assure que les mouches peuvent marcher mais pas voler. À côté de l’arène de voler sont deux LEDs rouges (Figure 1) qui peuvent être programmées pour marquer les différentes phases expérimentales. Par exemple, pour les résultats affichés dans la Figure 2 a, chaque LED est associé avec une température différente, alors que dans la Figure 2 b, chaque LED indique 60 s. Le logiciel FlySteps peut enregistrer lorsque chacun des indicatifs LED est allumé, et le chercheur peut ensuite utiliser ces informations pour déterminer automatiquement les phases expérimentales basées sur la température ou le temps.
L’arène de température contrôlée peut être utilisé pour comparer la réponse comportementale de mouches de différents fonds génétiques aux changements de température dynamique. Par exemple, les mouches provenant de différentes espèces peuvent être exposés à augmentez la température (Figure 3) pour comparer les différences dans la performance thermique. La vitesse de toutes les espèces augmente à mesure que la température augmente jusqu'à atteindre un point d’une performance maximale, après quoi il a diminué et ont péri. Cependant, chaque espèce a une courbe de réponse particulière avec des vitesses de réaction maximale spécifique et tolérances thermiques. Les rapports précédents ont montré que la drosophile provenant de différentes espèces diffèrent entre le moment du développement, la longévité, la fécondité, dimensions du corps, communication sexuelle et température tolérance3,6,7 ,8,22. Ainsi, notre description de locomotion propres à chaque espèce dans un gradient de température ajoute à cet ensemble de travaux.
L’arène de température contrôlée permet également d’étudier la réponse au conditionnement des expériences basées sur la température. La forme la plus simple de cette approche est un paradigme de conditionnement opérant dans lequel les mouches sont formés à préférer un côté de l’arène sur l’autre, par échauffement du côté qui sera évité23,24,25. Nous avons exposé des mouches à 40 ° C au milieu et une des tuiles côté, tout en laissant les autre carreaux de côté à un confortable 22 ° C (Figure 4). Mouches de type sauvage a rapidement arrêté se déplaçant le long de la scène et est resté à l’endroit confortable. En revanche, le mutant de mémoire classique cancre gardé explorant l’arène et passée moins de temps que les témoins à l’endroit confortable. Les différences entre les performances des mouches sauvage et des mutants de cancre s’agrandissait lorsque toutes les tuiles ont été placées à 22 ° C et des comparaisons ont été faites entre les groupes de traitement. Des mutants de cancre a également montrent une plus grande différence entre les phases de formation et de test en comparaison avec les mouches de type sauvage (Figure 4). Ces résultats suggèrent un effet de mémoire sur restant dans l’emplacement confortable.
Combinaisons de température et l’emplacement sont également utiles pour comprendre la fonction des récepteurs de température différente lors des changements de la dynamique de la température. Nous avons exposé des mutants de d. melanogaster Gr28b.d et TrpA1GAL4 individuels à l’augmentation de la température (2 ° C augmenter toutes les 60 s) tout en fournissant un endroit confortable à 22 ° C (Figure 5). L’emplacement confortable déplacé de gauche à droite et vice versa, par itération. Les résultats montrent que les mutants de Gr28b.d de récepteur de température périphérie se comportent comme le contrôle, car ils passent plus de temps à l’endroit confortable lorsque la température augmente. Cependant, cerveau température récepteur TrpA1GAL4 des mutants ne sont pas affectés par l’augmentation de la température et ne changent pas leurs emplacements dans l’arène. L’augmentation et la diminution de la courbe de TrpA1GAL4 mutants montrent l’effet chez les mouches qui se trouvaient déjà dans l’emplacement confortable avant qu’il soit confortable et est resté là pendant cette phase. La cohérence des pics et les vallées de la courbe de TrpA1GAL4 suggèrent que ces mouches sont restés encore pendant la majeure partie de l’expérience ; par conséquent, ils ont été comptés constamment lorsque leur emplacement était celui considéré comme confortable. Cette conclusion a été confirmée par un examen visuel des vidéos enregistrées. Ces résultats appuient précédents rapports physiologiques suggérant cette perception de la périphérie de changements rapides et grands ne dépend pas de le Gr28b.d17 et que les mouches possèdent un mécanisme central principal pour détecter la température basée sur TrpA1 14,21.

Figure 1 : diagramme de température contrôlée-arène. (A) une vue latérale de l’arène à température contrôlée. Un circuit programmable connecte un capteurs de puissance d’alimentation et de la température à résistances sous tuiles en cuivre pour contrôler leur température. Tuiles sont constamment refroidis par un dissipateur de chaleur relié à un ventilateur. Un anneau d’aluminium chauffée sur laquelle repose un couvercle en verre entoure les tuiles. (B) thermiques de montrant les tuiles fixé à 24 ° C (haut) et des carreaux de côté à 24 ° C avec une tuile moyenne à 30 ° C (en bas). Vue de dessus A (C) de l’arène. Une caméra enregistre les tuiles en cuivre, anneau en aluminium et LED rouges, puis détermine automatiquement les phases expérimentales. Un écran dans le coin de la boîte, non enregistrée par la caméra, affiche la température actuelle de la tuile. (D) l’anneau de lumière : deux bandes de LED blancs chauds à l’intérieur d’une boîte en bois, couvert de livre blanc assurer éclairage constant et symétrique de la scène entière. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : mouches doivent s’acclimater à l’arène, avant de commencer le protocole température. (A) seul mouches mâles ont été présentés à l’arène et a permis d’explorer à une constante de 16 ° C pendant 1 min, après quoi la température a commencé à augmenter. (B) single mouches exposés à 16 ° C 20 ° C et 24 ° C (aucune différence de groupe ; bidirectionnelle ANOVA F (2 570) = 4.156, p = 0,162) ont une locomotion plus élevée au début de l’expérience qu’après 5 min (bidirectionnel RM ANOVA F (9 570) = 7.803, p < 0,0001). Les données sont la moyenne et l’écart-type de la moyenne (± SEM) des 20 mouches femelles vierges âgés de 5 à 7 jours testé sur plusieurs jours. Astérisque indique une différence significative entre les groupes (*** p < 0,0001 ; Tukey du test de comparaison multiple, p = 0,05). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Locomotion de 5 espèces de drosophile , exposés à des températures progressivement croissantes. Chaque mâle vole de tempérée, tropicale (bleu), (rouge), et espèce cosmopolite de drosophile (brun) ont été exposés à un gradient croissant de température (2 ° C toutes les 60 s) entre 16 et 46 ° C. Les 7 premières minutes étaient constamment à 22 ° C pour permettre des mouches à la découverte de l’arène. Espèces diffèrent significativement (bidirectionnel RM ANOVA F(4,70) = 28.46, p < 0,001). (a) d. melanogaster (brun ; rempli de cercles) a été plus rapide lorsque introduit dans l’arène. (b) d. yakuba (rouge ; vide carrés) a été plus rapide que la température a augmenté. (c) d. suzukii (brun carré rempli) était plus lent que les autres mouches cosmopolites au point maximum de performance. (d) d. simulans (brun, vider les cercles) était en décroissance au point maximal de D. melanogaster. Chaque point représente la moyenne (± SEM), des mouches mâles 15 5 à 7 jours testés sur plusieurs jours. Signification est indiquée par (♦ = différence de tous, p < 0,0001 ; † = différence de tout sauf d. melanogaster, p < 0,0001 ; • = différence de d. melanogaster, p < 0,01 ; ¢ = différence de d. melanogaster, p < 0,001 ; = différence entre groupes nommés, p < 0,0001 ; Tukey du test de comparaison multiple, p = 0,05). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : l’arène de température contrôlée peut être utilisé pour le conditionnement opérant. Souche de Canton-S de d. melanogaster (sauvage ; noir bordure) et dnc1 (cancre; bordure rouge) mutants ont été formés à préférer une tuile latérale à 22 ° C après réchauffement au milieu et en face de tuiles latérales à 40 ° C pendant 4 min (formation, ne Pattern). Mémoire des zones chauffés est ensuite testé en définissant toutes les tuiles à 22 ° C (test ; modèle de grille). Les mouches ont été conditionnés à préférer les carreaux sur la gauche dans la moitié des expériences, puis les carreaux sur la droite dans l’autre moitié. Le pourcentage du temps total à l’intérieur de la tuile à 22 ° C au cours de la formation et les tests a été mesuré pour comparer les performances. Groupes ne différait (aller simple ANOVA F(3,76) = 23.23, p < 0,0001), avec un imbécile spectacle pire que sauvage dans l’ensemble. Les données sont moyenne (± SEM) des mouches femelles vierges 20 5 à 7 jours testés sur plusieurs jours. Astérisques indiquent les différence de signification entre les groupes (*** p > 0,0001 ; *** p > 0,001 ; ** p > 0.01 ; Tukey du test de comparaison multiple, p = 0,05) s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : réponse de mutants de température à la température quand un endroit confortable est fourni. Mutants de température Gr28b.d (vert ; places) répondent en tant que contrôles (w1118, black ; cercles) en augmentant le pourcentage de temps dans la zone confortable lorsque la température augmente (bidirectionnel RM ANOVA F (1,38) = 0.5107, p = 0,479). TrpA1GAL4 mutants (jaune ; triangles) sont différents des témoins (w1118, noir), comme elles n’augmentent pas le temps dans la zone confortable lorsque la température augmente (bidirectionnel RM ANOVA F (1,38) = 1,670, p = 0,019). Les données sont moyenne (± SEM), des mouches mâles 20 5 à 7 jours testés sur plusieurs jours. TrpA1GAL4 est significativement différente de la Gr28b.d et le contrôle (p < 0,05 ; Tukey du test de comparaison multiple, p = 0,05). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier concurrentes.
Nous présentons ici un protocole pour déterminer automatiquement la performance locomotrice de la drosophile aux changements de température à l’aide d’une arène programmable à température contrôlée qui produit des changements de température rapide et précis dans le temps et l’espace.
Ce travail a été soutenu en partie par une bourse d’études du comportement et des programme de neurosciences cognitives de l’Université de Groningue et une bourse d’études supérieures de la Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) du Mexique, accordée à Andrea Soto-Padilla et une subvention de la Fondation John Templeton pour l’étude du temps attribué à Hedderik van Rijn et Jean-Christophe Billeter. Nous sommes également reconnaissants à Peter Gerrit Bosma pour sa participation à l’élaboration du Traqueur de FlySteps .
Les scripts TemperaturePhases, FlySteps et FlyStepAnalysis se trouve comme information supplémentaire et dans le lien temporaire et rendu publics suivant :
https://dataverse.nl/privateurl.XHTML?Token=c70159ad-4D92-443D-8946-974140d2cb78
| Arduino Due | Arduino | A000062 | Software RUG |
| Electronics Board | Ruijsink Dynamic Engineering | FF-Main-02-2014 | |
| Alimentation Boost | XP-Power 48. V 65 W | ECS65US48 | réglé sur 53 volts |
| Alimentation Chauffage des carreaux | XP-Power 15. V 80 W | VFT80US15 | |
| Alimentation Refroidissement | XP-Power 15. V 130 W | ECS130U515 | |
| Eléments Peltier | Marlow Industries | RC12-4 | 2 éléments, alimentation DC contrôlée |
| Dissipateur thermique | Fisher Technik | LA 9/150-230V | Découplé pour vibration |
| Capteurs de température | Spécialités de mesure | MCD_10K3MCD1 | Micro Thermistance |
| Sonde Bloc/tuile en cuivre | Ruijsink Dynamic Engineering | FF-CB-01-2014 | |
| Bague Auminum | Ruijsink Dynamic Engineering | FF-RoF-02-2015 | |
| Tesa 4104 ruban blanc 25 x 66 mm | RS Components | 111-2300  ; | Ruban conducteur blanc |
| LED rouges | Lucky Ligt | ll-583vc2c-v1-4da | Longueur d’onde entre 625 nm, 20 mAmp et 6 V |
| Bande LED blanc chaud | Ledstripkoning | HQ-3528-SMD | 60 LEDs par mètre |
| Alimentation de commutation | Générique | T-36-12 | |
| Logitech c920 | Logitech Europe S.A | PN960-001055 | |
| QuickTime Player | Enregistrement sur ordinateur | Apple | programme |
| Logiciel d’analyse de suivi | R | Packages : pacman | |
| Logiciel d’analyse de suivi | MATLAB | ||
| Imagerie thermique | FLIR T400sc | ||
| Graphs and Statisticts Software | Graph Pad Prism | ||
| Sigmacote | Sigma-Aldrich | SL2-100ML | Agent de siliconation |
| Flacons d’élevage de mouches | Flystuff | 32-130 | 6oz Bouteille de stock de drosophile |
| Flypad | Flystuff | 59-114 | |
| Flacons d’élevage de mouches | Dominique Dutscher | 789008 | Tubes de drosophile étroit 25x95 mm |
| Incubateur | Sanyo | MIR-154 | |
| Plaque chauffante magnétique | Heidolph | 505-20000-00 | MR Hei-Standard |
| Agar | Caldic Ingrédients B.V. | 010001.26.0 | |
| Gézon de glucose | & wel | 1019155 | Dextrose/Druivensuiker |
| Sucrose | Van Gilse | Sucre cristallisé | |
| Semoule de maïs | Flystuff | 62-100 | |
| Germe de blé | Gezond& wel | 1017683 | |
| Farine de soja | Flystuff | 62-115 | |
| Mélasse | Flystuff | 62-117 | |
| Levure sèche active | Red Star | ||
| Tegosept | Flystuff | 20-258 | 100 % |