Questo protocollo descrive un test comportamentale per la registrazione del comportamento di ricerca indotto dallo zucchero utilizzando Drosophila melanogaster. Il test può essere utilizzato per studiare i comportamenti legati all'alimentazione e al foraggiamento, nonché i meccanismi neuronali sottostanti.
Articolo metodologico
Monitoraggio del comportamento di ricerca locale indotto dallo zucchero in Drosophila
In questo articolo
Sommario
Abstract
Il comportamento di foraggiamento è essenziale per la sopravvivenza degli organismi in quanto consente loro di individuare e acquisire risorse alimentari essenziali. Nella Drosophila, la fame innesca un distinto comportamento di ricerca in seguito al consumo di piccole quantità di una soluzione zuccherina. Questo rapporto presenta una semplice configurazione sperimentale per studiare il comportamento di ricerca indotto dallo zucchero con l'obiettivo di scoprire i meccanismi sottostanti. Piccole quantità di soluzione zuccherina concentrata suscitano un comportamento di ricerca prolungato nei moscerini. È stato stabilito il coinvolgimento dell'integrazione del percorso in questo comportamento, poiché le mosche utilizzano la loro traiettoria per tornare alla posizione dello zucchero. I risultati più recenti forniscono prove di modulazione temporale nell'inizio e nell'intensità del comportamento di ricerca dopo l'assunzione di zucchero. Abbiamo anche utilizzato questa configurazione per l'attivazione artificiale di specifici neuroni recettori del gusto nella faringe, che suscita il comportamento di ricerca. Il toolkit neurogenetico di Drosophila offre una vasta gamma di strumenti e tecniche che possono essere combinati con il paradigma del comportamento di ricerca indotto dallo zucchero per studiare i meccanismi neurali e genetici alla base del foraggiamento. La comprensione delle basi neurali del comportamento di ricerca guidato dalla fame nei moscerini contribuisce al campo della neurobiologia nel suo complesso, offrendo approfondimenti sui meccanismi regolatori che governano i comportamenti alimentari non solo in altri organismi ma anche negli esseri umani.
Introduzione
Il comportamento di ricerca del cibo e di foraggiamento è una strategia di sopravvivenza fondamentale esibita dagli organismi in tutti i taxa. Negli insetti sono stati identificati due tipi di comportamenti di foraggiamento: la ricerca di cibo indotta dalla fame e la ricerca locale post-pasto1. Quando hanno fame, gli insetti si affidano a segnali sensoriali per localizzare le fonti di cibo. Dopo aver incontrato e consumato un piccolo appezzamento di cibo, iniziano un comportamento di ricerca locale caratterizzato da percorsi contorti e girando intorno alla posizione del cibo.
Il comportamento di ricerca indotto dallo zucchero, una particolare forma di ricerca locale, è stato studiato per la prima volta oltre 60 anni fa, dal biologo americano Vincent Dethier in blowflies2. Quando muoiono di fame, alle mosche viene presentata una piccola quantità di zucchero in modo tale che non le sazi, iniziano una ricerca locale. Il tipico comportamento di ricerca è caratterizzato da una camminata altamente tortuosa con bassa locomozione e alta velocità di virata e ritorni alla posizione della goccia di zucchero. Studi successivi avevano indagato questo comportamento nei moscerini domestici e nei moscerini della frutta 3,4. L'inizio, l'intensità e la durata della ricerca sono regolati dallo stato interno dell'animale (ad esempio, deprivazione e motivazione) e da fattori esterni come la disponibilità e la qualità delle risorse 1,5,6.
I progressi nelle tecnologie di tracciamento hanno fornito ai ricercatori strumenti preziosi per catturare e analizzare il comportamento all'interno di arene controllate. Qui, presentiamo un paradigma comportamentale per tracciare le mosche che camminano liberamente dopo l'ingestione di zucchero. Questa semplice configurazione consente lo studio del comportamento di ricerca indotto dallo zucchero in Drosophila catturando e analizzando il movimento della mosca in risposta alla soluzione di zucchero concentrata fornita in un'arena. Utilizzando una tecnologia di tracciamento avanzata e tecniche di analisi dei dati, i modelli locomotori, l'esplorazione spaziale e le dinamiche di risposta agli stimoli zuccherini sono stati quantificati con successo.
Utilizzando questo saggio, è stato dimostrato sperimentalmente che la ricerca indotta dallo zucchero comporta l'uso dell'integrazione del percorso e può essere separata spazialmente-temporalmente dall'assunzione di zucchero 7,8. Inoltre, è stato dimostrato che il comportamento può essere innescato dall'attivazione dei neuroni gustativi faringei9. Recenti risultati mostrano che lo stimolo dello zucchero non è un meccanismo di rilascio innato, ma anche modulatorio, e controlla l'inizio del comportamento temporalmente8. Utilizzando questo paradigma, abbiamo studiato questo comportamento anche nelle api mellifere (Apis mellifera)7,8.
L'obiettivo finale di questa ricerca è quello di svelare i circuiti neurali e le nuove componenti genetiche coinvolte nella regolazione del comportamento di ricerca attraverso manipolazioni genetiche mirate e tecniche di neuroimaging. I comportamenti di ricerca del cibo si sono dimostrati paradigmi sperimentali altamente efficaci per lo studio della navigazione e della memoria spaziale negli insetti. Questi comportamenti forniscono un'opportunità unica per indagare la percezione sensoriale, i processi decisionali e la coordinazione motoria coinvolti nella ricerca di fonti di cibo gratificanti nei moscerini. Inoltre, i risultati di questi studi hanno implicazioni più ampie per la comprensione dei comportamenti alimentari in altri organismi, compresi gli esseri umani, poiché molti meccanismi genetici e neurali fondamentali sono evolutivamente conservati. La disregolazione dei comportamenti alimentari è associata a vari disturbi neurologici e metabolici10. Pertanto, i meccanismi neurali e genetici alla base del comportamento di ricerca nei moscerini possono offrire nuove strade per comprendere e potenzialmente affrontare queste complesse sfide per la salute umana.
Protocollo
Per il presente studio sono stati utilizzati moscerini maschi adulti del ceppo wild-type Drosophila melanogaster Canton-S (CS).
1. Preparazione sperimentale
- Allevamento di mosche
- Raccogliere i maschi adulti che emergono entro un periodo di 12 ore e mantenerli su terreni standard (preparati in casa) per 48 ore a 25 °C con il 75% di umidità relativa in un ciclo luce/buio di 12 ore.
NOTA: La composizione del terreno di Drosophila utilizzata era (per 1 L di terreno) farina di mais (80 g), D-glucosio (20 g), zucchero (40 g), agar (8 g), lievito in polvere (15 g), acido propionico (4 mL), metil 4-idrossibenzoato (1,25 g in 3 mL di etanolo) e acido ortofosforico (600 μL) (vedi Tabella dei materiali). Il periodo di alimentazione iniziale assicura che le mosche abbiano accesso a cibo e sostanze nutritive sufficienti prima della fase di fame. Mentre sia i maschi che le femmine suscitano il comportamento di ricerca, ma il tempo di fame è più consistente tra i moscerini maschi. Inoltre, le mosche femmine cambiano le loro preferenze alimentari dopo l'accoppiamento11.
- Raccogliere i maschi adulti che emergono entro un periodo di 12 ore e mantenerli su terreni standard (preparati in casa) per 48 ore a 25 °C con il 75% di umidità relativa in un ciclo luce/buio di 12 ore.
- Procedura di inedia
- Dopo il periodo di alimentazione, fai morire di fame le mosche di cibo ma con accesso all'acqua.
NOTA: Per standardizzare lo stato di fame tra le prove e i ceppi, si suggerisce di determinare la durata della sopravvivenza del 90% della popolazione in condizioni di fame di cibo. Sulla base di questo risultato, i moscerini CS sono stati affamati per 28 ore (Figura 1A) poiché i ritmi circadiani e altri fattori possono influenzare il comportamento di ricerca12. Sono stati misurati anche i cambiamenti circadiani delle attività di ricerca dei moscerini in diversi momenti della giornata (Figura 1B). Abbiamo notato una riduzione dell'attività di ricerca relativa durante la notte rispetto alla fase di luce nei moscerini. - Calcola la tolleranza alla fame di cibo privando di cibo le mosche di due giorni. Metti 15-20 mosche in una fiala con carta velina imbevuta sul fondo. Questo funge da substrato e garantisce che le mosche abbiano accesso all'acqua per tutto il periodo di fame.
- Contare il numero di mosche durante il periodo di fame di cibo a intervalli regolari di 1 ora. La durata alla quale il 90% delle mosche affamate è sopravvissuta è stata utilizzata come periodo di fame (Figura 1A). Utilizzare più repliche (3-4 per ogni ceppo) per ridurre al minimo l'impatto delle singole variazioni e fornire una valutazione più affidabile della tolleranza alla fame.
NOTA: La tolleranza alla fame di cibo di ciascun ceppo è stata determinata al fine di stabilire uno stato di fame standardizzato tra diversi ceppi ed esperimenti. Contando le mosche sopravvissute a questi intervalli, è possibile monitorare il tasso di sopravvivenza nel tempo e determinare per quanto tempo ogni ceppo potrebbe tollerare la privazione del cibo prima di soccombere alla fame.
- Dopo il periodo di alimentazione, fai morire di fame le mosche di cibo ma con accesso all'acqua.
- Procedura per la registrazione del comportamento
- Trasferire le singole mosche affamate in piccoli tubi (Figura 2A). Fallo in gruppi di 5-6 mosche per ridurre al minimo il tempo di isolamento. Testando singole mosche, isolando ogni mosca, qualsiasi cambiamento o azione osservata può essere attribuita alla mosca specifica osservata, piuttosto che essere influenzata dalle interazioni con altre mosche.
- Utilizzare piastre di Petri da 90 mm come arena per i saggi comportamentali (è possibile utilizzare piastre di Petri più grandi. Non c'è stata alcuna differenza nel comportamento nelle piastre di Petri con diametro maggiore). Illuminare l'arena dal basso con un pannello di LED bianchi freddi montati in superficie (Figura 2B,C). Per mantenere un ambiente visivo uniforme e ridurre al minimo le distrazioni esterne, circondare l'arena sperimentale con un tubo bianco in cloruro di polivinile (altezza 51,5 mm, diametro interno 114 mm).
NOTA: Questo tubo funge da barriera, impedendo a qualsiasi stimolo visivo proveniente dall'esterno dell'arena di influenzare il comportamento della mosca. Riducendo le distrazioni esterne, ci si può concentrare esclusivamente sull'interazione della mosca con la fonte di cibo, mantenendo la coerenza per tutta la durata dell'esperimento. - Usa un'intensità luminosa di 320 lux al centro dell'arena.
- Posizionare 0,2 μL di soluzione zuccherina al centro dell'arena. Negli esperimenti riportati è stata utilizzata una soluzione di saccarosio 500 mM, ma questo può essere variato. Introdurre la mosca nell'arena utilizzando una provetta da micro centrifuga da 2 mL (diametro interno 8,7 mm, lunghezza ridotta a 5 mm imbottitura di cotone sul fondo; Figura 2A) ospitando una singola mosca capovolta sopra la goccia di zucchero.
- Una volta che la mosca inizia a ingerire la gocciolina, rimuovi il contenitore per mosche, dando alla mosca un accesso illimitato alla fonte di cibo.
- Filma la posizione 2D dell'arena con una telecamera dall'alto.
NOTA: Flea3 (Point Grey, obiettivo da 1214 mm, vedi Tabella dei materiali) è stato utilizzato per il presente studio e registrato a 40 fotogrammi al secondo (fps). Tuttavia, è possibile utilizzare qualsiasi fotocamera che fornisca un buon contrasto con lo sfondo. Si può registrare a 30-60 fps, a seconda della natura dell'esperimento. Registra in .avi formato poiché è compatibile con il software di tracciamento. - Registra la prova fino al momento in cui la mosca è fuggita dall'arena. Le mosche camminavano liberamente e non c'era alcun coperchio sull'arena.
- Permettendo alla mosca di decidere quando smettere di cercare, volare via o camminare verso la periferia dell'arena, osserva il comportamento naturale della mosca e la strategia di ricerca del cibo. Pulisci le piastre di Petri con etanolo al 70% tra una prova e l'altra e asciugale completamente oppure usa una nuova capsula di Petri.
NOTA: È importante condurre tutti gli esperimenti tra le 2 e le 6 ore dopo l'accensione delle luci, quando le mosche mostrano livelli di attività costantemente elevati. Questo lasso di tempo assicura che le mosche siano in uno stato attivo, massimizzando le possibilità di osservare il loro comportamento naturale di ricerca del cibo e riducendo l'impatto di altri fattori che possono influenzare il loro comportamento, come i ritmi circadiani. L'assetto comportamentale è stato alloggiato all'interno di una stanza a temperatura e umidità controllate. L'arena è stata collocata su un tavolo privo di vibrazioni. Questa configurazione sperimentale ha comportato l'isolamento e il test di singole mosche per la loro risposta allo zucchero. Alle mosche affamate è stata somministrata una goccia di zucchero e il loro comportamento è stato videoregistrato (Figura 2B,C, Video 1). Gli esperimenti sono stati condotti durante un periodo di tempo specifico in cui i moscerini mostravano livelli di attività elevati e costanti.
- Analizzare le traiettorie seguendo il passaggio 2 per determinare il comportamento di ricerca.
2. Analisi delle traiettorie per la ricerca locale
- Analizzare i video registrati utilizzando il software Ctrax11 (vedere la tabella dei materiali).
NOTA: Il software traccia e converte la posizione della mosca nel video in coordinate x, y, consentendo il tracciamento e l'analisi precisi dei suoi movimenti. Fare riferimento al file supplementare 1 per i dettagli su come utilizzare Ctrax. - Dividi le traiettorie in due fasi: la fase iniziale di alimentazione e la fase di ricerca. Definisci la fine dell'alimentazione e l'inizio della camminata come mosche che si muovono a una velocità >4 mm s-1 in tre fotogrammi consecutivi.
NOTA: Al termine dell'alimentazione, il resto della traiettoria è stato utilizzato come risposta di ricerca delle mosche. Questo studio ha utilizzato VirtualDub (vedi Tabella dei materiali) per rimuovere la fase di alimentazione dai video prima del tracciamento. - Quantificare la ricerca in base ai seguenti parametri:
- Lunghezza del percorso: Questo parametro rappresenta la distanza percorsa dalla mosca dal suo punto di partenza durante la ricerca del cibo (in mm).
- Tempo di permanenza: Il tempo trascorso dalle mosche che camminano durante la ricerca (in s). Indica la durata della ricerca e la persistenza della mosca nella ricerca del cibo.
- Meandro: calcola questo come rapporto dividendo la linea d'aria (la distanza tra il primo e l'ultimo punto del percorso) del percorso per la lunghezza totale del percorso e sottraendo da 1. Valori elevati di meandro indicano una maggiore tortuosità nella traiettoria.
- Numero di resi: utilizza l'algoritmo sviluppato per identificare e contare il numero di resi utilizzando due cerchi concentrici.
NOTA: Un cerchio interno che indica l'origine della ricerca, Rin (2,5 mm) e il cerchio esterno che indica la distanza minima Rout (4 mm) che la mosca ha dovuto allontanarsi dall'origine. Un ritorno è stato definito come un movimento fuori dal cerchio esterno (Rout) e poi tornare nel cerchio interno (Rin). - Tasso di attività: Espresso in percentuale, calcola il tasso di attività determinando il tempo durante la ricerca del cibo quando la velocità di camminata della mosca supera i 2 mm/s. Questo parametro riflette il livello di attività e di coinvolgimento della mosca nella ricerca del cibo. Distingue i raccoglitori attivi dagli individui meno attivi.
NOTA: MATLAB e Python sono stati utilizzati nel presente studio per un'ulteriore analisi delle traiettorie. Gli script sono accessibili qui: https://github.com/eagermeagre/sugar_elicited_search. La procedura di analisi prevede l'utilizzo del software Ctrax per tracciare i movimenti della mosca e determinare parametri come la durata della ricerca del cibo, la lunghezza totale del percorso, il tempo di ricerca, il meandro, il numero di ritorni e il tasso di attività. Questi parametri forniscono preziose informazioni sul comportamento della mosca e sull'efficienza del foraggiamento durante gli esperimenti di ricerca del cibo registrati.
Risultati
I moscerini dovevano essere affamati per il periodo stimato dalla tolleranza alla fame di cibo e la risposta allo zucchero è stata testata individualmente (Figura 1A e Figura 2A). Il comportamento è stato registrato all'interno di una stanza a temperatura e umidità controllate. Per gli esperimenti riportati sono stati utilizzati 0,2 μL di soluzione di saccarosio 500 mM. La goccia di zucchero è stata posizionata al centro dell'arena e le mosche sono state introdotte nello zucchero (Figura 2B). Il comportamento è stato registrato fino a quando le mosche non sono scappate dall'arena. I video sono stati analizzati per estrarre le coordinate x,y e le traiettorie delle mosche. Diversi parametri sono stati utilizzati per quantificare la risposta comportamentale: lunghezza del percorso, tempo di permanenza, meandro, numero di ritorni e tasso di attività.
L'assunzione di zucchero nelle mosche affamate porta a una ricerca locale con un percorso tortuoso e anelli (Figura 3A,C). Come controllo negativo, sono state registrate mosche affamate che non sono state presentate con zucchero8. Queste mosche, quando sono state introdotte nell'arena vuota, non hanno iniziato una ricerca e sono fuggite dall'arena (Figura 3B,D). Questo gruppo è indicato come mosche non nutrite. I parametri di ricerca: lunghezza del percorso, tempo di permanenza, meandro e numero di ritorni erano significativamente più bassi nei moscerini non nutriti rispetto ai moscerini a cui era stato dato un calo di zucchero (Figura 4A-D).
Figura 1: Curve di inestia del ceppo selvatico CS. (A) Curva di fame che mostra il tasso di sopravvivenza per i maschi e le femmine CS wild-type. (B) Cambiamenti circadiani delle attività di ricerca delle mosche in diversi momenti della giornata. Le barre di errore rappresentano S.E.M. (n = 10). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Configurazione sperimentale che include il calcolo della tolleranza alla fame, le procedure di registrazione del comportamento e l'analisi della traiettoria. (A) La tolleranza alla fame di cibo è stata determinata per stabilire uno stato di fame standardizzato. Per la registrazione del comportamento, i singoli moscerini sono stati isolati in piccoli tubi prima dell'esperimento. L'arena comportamentale, una capsula di Petri da 90 mm, è stata illuminata uniformemente dal basso. Una goccia di soluzione zuccherina è stata posta al centro e alle mosche è stato dato libero accesso alla fonte di cibo. (B) Il comportamento è stato registrato fino a quando le mosche non sono fuggite dall'arena. L'analisi video ha utilizzato il software Ctrax per il tracciamento e MATLAB/Python per l'analisi della traiettoria. (C) Fotografia dell'allestimento sperimentale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Necessità dell'assunzione di zucchero per avviare la ricerca locale. (A) Traiettorie individuali di mosche alimentate con 500 mM, 0,2 μL di soluzione zuccherina. (B) Traiettorie individuali di mosche a cui non è stato somministrato zucchero. (C) Sovrapposizione delle traiettorie di ricerca delle mosche del gruppo di controllo (n = 11). (D) Sovrapposizione delle traiettorie delle mosche (n = 11) a cui non è stato somministrato zucchero. Tutte le traiettorie sono normalizzate al punto di partenza della camminata. Questa figura è adattata da Shakeel e Brockmann8. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Riduzione dei parametri comportamentali nei moscerini non nutriti. (A-D) La lunghezza del percorso, il tempo di permanenza, il meandro e il numero di ritorni erano inferiori per i moscerini affamati a cui non è stata data una ricompensa in zucchero rispetto ai moscerini di controllo a cui è stata somministrata una ricompensa in zucchero. **p < 0,001, ***p < 0,0001, ****p < 0,00001, test della somma dei ranghi di Wilcoxon. Questa figura è adattata da Shakeel e Brockmann8. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Video 1: Comportamento di ricerca di una mosca con traiettoria in tempo reale del percorso. Clicca qui per scaricare questo video.
File supplementare 1: istruzioni dettagliate per il tracciamento del file video utilizzando CTRAX. Fare clic qui per scaricare il file.
Discussione
L'attuale studio introduce un paradigma semplice per studiare il comportamento di ricerca indotto dallo zucchero in Drosophila, descritto per la prima volta da Dethier2. Questo comportamento innato permette alle mosche di impegnarsi in una ricerca locale di ulteriori risorse alimentari in seguito all'incontro di una ricompensa alimentare. L'aspetto più cruciale del protocollo sperimentale consiste nel motivare adeguatamente le mosche. In primo luogo, le mosche devono essere in uno stato di fame, essendo state private del cibo pur avendo accesso all'acqua, per garantire l'ingestione di zucchero. Al fine di ottenere uno stato di fame uniforme in tutte le prove sperimentali, la durata alla quale il 90% della popolazione sopravvive è stata utilizzata come periodo di fame. Fondamentalmente, l'induzione di una risposta di ricerca dopo l'alimentazione richiede la fornitura di uno stimolo alimentare di qualità sufficiente ma non sufficiente per saziare completamente le mosche. Pertanto, standardizzare la concentrazione e la quantità di zucchero e la durata della fame potrebbe richiedere molto tempo, ma è indispensabile per un comportamento robusto e affidabile.
In questo studio, una soluzione di saccarosio da 500 mM, 0,2 μL è stata impiegata come stimolo per le mosche affamate. L'assunzione di zucchero evoca un caratteristico comportamento di ricerca locale caratterizzato da un aumento del comportamento di rotazione e frequenti ritorni alla posizione della goccia di zucchero (Video 1). Al contrario, le mosche affamate che non sono provviste di zucchero non riescono a mostrare una risposta di ricerca. In particolare, tutti i parametri relativi al comportamento, tra cui la lunghezza del percorso, il tempo di permanenza, il meandro e il numero di ritorni, erano significativamente più bassi nei moscerini non nutriti. Abbiamo precedentemente dimostrato che l'ingestione di acqua da sola non suscita una risposta di ricerca9.
Questa configurazione offre un approccio economico e a bassa manutenzione per lo studio di questo comportamento innato. Mentre in questo studio viene utilizzata un'arena retroilluminata, è possibile utilizzare anche l'illuminazione dall'alto, purché vi sia un contrasto sufficiente tra la mosca e lo sfondo. Il software di tracciamento utilizzato si basa sul rilevamento del movimento della mosca su uno sfondo statico13. Le impostazioni della telecamera e della risoluzione possono essere regolate in base alla scala specifica del comportamento in esame. È importante sottolineare che questa metodologia consente lo studio di varie componenti del comportamento di foraggiamento, tra cui l'attenzione sensoriale durante il foraggiamento, l'impegno e l'alimentazione del cibo, il controllo locomotorio della ricerca e i processi decisionali associati allo sfruttamento e all'esplorazione, tra gli altri. Inoltre, questo paradigma facilita l'indagine della ricerca locale, un comportamento che è comunemente osservato in diversi taxa in vari contesti ecologici6. Lo studio di questo comportamento nella Drosophila, apre la strada all'indagine scientifica volta a comprendere i percorsi neurali coinvolti nel foraggiamento. Abbiamo studiato la ricerca locale nelle api mellifere e abbiamo dimostrato che il comportamento assomiglia alle mosche 7,8.
Studi recenti hanno dimostrato che il comportamento di ricerca locale può essere innescato dall'attivazione optogenetica di vari neuroni sensoriali dello zucchero nei moscerini 14,15,16. Tuttavia, non è chiaro fino a che punto le ricerche locali osservate in questi studi rappresentino accuratamente il comportamento naturale delle mosche in risposta all'effettiva assunzione di zucchero. Il comportamento alimentare è strettamente regolato nei moscerini e questi risultati indicano che l'attivazione dei recettori faringei dello zucchero avvia il comportamento di ricerca. I sensilla del gusto tarsale sono responsabili del rilevamento dello zucchero e dell'induzione del riflesso di estensione della proboscide, mentre i neuroni del gusto faringeo determinano se l'alimentazione deve procedere17,18. Una volta ingerita, la soluzione zuccherina viaggia attraverso l'esofago fino al proventricolo ed entra nella coltura, con la sua espansione monitorata da un nervo ricorrente19. Inoltre, vale la pena notare che alcuni degli studi sopra citati hanno coinvolto l'imbrigliamento o il confinamento delle mosche, mentre questo metodo consente agli animali di camminare liberamente per tutta la durata dell'esperimento. Le mosche nei nostri esperimenti erano sufficientemente motivate a rimanere a cercare all'interno dell'arena senza l'imposizione di un coperchio.
Comprendere l'intricata interazione tra percorsi neurali, fattori genetici e segnali ambientali che governano il comportamento di ricerca nei moscerini può far luce sui principi fondamentali dell'elaborazione delle informazioni, dell'apprendimento e della formazione della memoria. Inoltre, la disregolazione del comportamento di foraggiamento è stata implicata in vari disturbi umani, tra cui i disturbi alimentari e l'obesità. L'ampia gamma di strumenti neurogenetici disponibili in Drosophila fornisce una risorsa preziosa per studiare il comportamento di ricerca indotto dallo zucchero e svelare i meccanismi neurali e genetici alla base del foraggiamento. In combinazione con la manipolazione optogenetica e l'imaging funzionale, questo paradigma presenta un approccio potente e promettente 20,21,22. Tuttavia, modificare la configurazione per la manipolazione in tempo reale dell'attività neuronale con l'optogenetica potrebbe essere difficile. Per monitorare l'attività neuronale nel cervello mentre una mosca sta eseguendo il comportamento di ricerca, sarà necessaria una configurazione diversa, come la mosca legata su una palla da battistrada. Molti aspetti del comportamento di foraggiamento, come la regolazione dell'alimentazione e i processi decisionali, sono altamente conservati in tutte le specie. Pertanto, le informazioni acquisite dallo studio dei meccanismi neurali del foraggiamento nei moscerini possono fornire preziose informazioni su processi simili in altri organismi, compresi gli esseri umani.
Dichiarazioni
L'autore (o gli autori) dichiarano di non avere potenziali conflitti di interesse in relazione alla ricerca, alla paternità e/o alla pubblicazione di questo articolo.
Ringraziamenti
Ringraziamo Ravikumar Boyapati per l'aiuto nell'allestimento dell'arena. Questo lavoro è finanziato dalla sovvenzione Wellcome trust DBT Intermediate India Alliance (numero di sovvenzione IA/I/15/2/502074) a P.K. M.S. è stato finanziato da una borsa di studio dell'Indian Council of Medical Research (ICMR). A.B. è stato finanziato da fondi istituzionali NCBS-TIFR (n. 12P4167) e dal Dipartimento dell'Energia Atomica, Governo dell'India (n. 12-R& D-TFR-5.04-0800 e 12-R& D-TFR-5.04-0900).
Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 2 mL tubo Eppendorf | Sigma Aldrich | BR780546 | Utilizzato per introdurre la mosca alla goccia di zucchero |
| Agar | SRL | 9002-18-0 | |
| Lente azzurra | https://www.rmaelectronics.com/azure-photonics-azure-1214mm/ | ||
| Camera | Logicool, Giappone | ||
| Farina di mais | disponibile | ||
| localmenteSoftware Ctrax | https://ctrax.sourceforge.net/ | ||
| D-glucosio | SRL | 50-99-7 | |
| Flea3 | Sony | https://www.flir.com/products/flea3-usb3/?vertical=machine+vision&segment=iis | |
| tubo di vetro | Borosil | Utilizzato per alloggiare le mosche individualmente | |
| Kimwipe | Kimberly-Clark | 34155 | Utilizzato per fornire l'accesso all'acqua per le mosche durante la fame di cibo |
| Pannello | realizzato su misura in officina | ||
| Misuratore di luce | TENMARS | TM-203 | |
| Metil 4-idrossibenzoato | Fisher Scientific | 99-76-3 | |
| Acido ortofosfotico | SRL | 7664-38-2 | |
| Piastra di Petri (90 mm) | Tarsons | 460090 | |
| Acido propionico | SRL | 79-09-4 | |
| Saccarosio | Qualigens | Q28105 | |
| Zucchero | disponibile | ||
| VirtualDub | https://www.virtualdub.org/ | ||
| Tubo in cloruro di polivinile bianco (diametro interno 67 mm & volte; altezza 100 mm) | realizzato su misura in officina | ||
| Lievito in polvere | SRL | REF-34266 |
Riferimenti
- Jander, R. Ecological aspects of spatial orientation. Annu Rev Ecol Evol Syst. 6 (1), 171-188 (1975).
- Dethier, V. G. Communication by insects: Physiology of dancing. Science. 125 (3243), 331-336 (1957).
- White, J., Tobin, T. R., Bell, W. J. Local search in the housefly Musca domestica after feeding on sucrose. J. Insect Physiol. 30 (6), 477-487 (1984).
- Bell, W. J., Cathy, T., Roggero, R. J., Kipp, L. R., Tobin, T. R. Sucrose stimulated searching behaviour of Drosophila melanogaster in a uniform habitat: modulation by period of deprivation. Animal Behav. 33, 436-448 (1985).
- Dethier, V. G. Microscopic Brains. Science. 143 (3611), 1138-1145 (1964).
- Bell, W. J. Searching behavior patterns in insects. Annu Rev Entomol. 35 (1), 447-467 (1990).
- Brockmann, A., et al. Sugar intake elicits intelligent searching behavior in flies and honey bees. Front Behav Neurosci. 12, 280(2018).
- Shakeel, M., Brockmann, A. Temporal effects of sugar intake on fly local search and honey bee dance behaviour. J Comp Physiol A Neuroethol Sens Neural Behav Physiol. , (2023).
- Murata, S., Brockmann, A., Tanimura, T. Pharyngeal stimulation with sugar triggers local searching behavior in Drosophila. J Exp Biol. 220 (Pt 8), 3231-3237 (2017).
- Nishijo, H., Ono, T. Neural mechanisms of feeding behavior and its disorders new insights into metabolic syndrome. IntechOpen. , (2021).
- Carvalho, G. B., Kapahi, P., Anderson, D. J., Benzer, S. Allocrine modulation of feeding behavior by the sex peptide of Drosophila. Curr Biol. 16 (7), 692-696 (2006).
- Xu, K., Zheng, X., Sehgal, A. Regulation of feeding and metabolism by neuronal and peripheral clocks in Drosophila. Cell Metab. 8 (4), 289-300 (2008).
- Branson, K., Robie, A. A., Bender, J., Perona, P., Dickinson, M. H. High-throughput ethomics in large groups of Drosophila. Nat Methods. 6 (6), 451-457 (2009).
- Corfas, R. A., Sharma, T., Dickinson, M. H. Diverse food-sensing neurons trigger idiothetic local search in Drosophila. Curr Biol. 29 (10), 1660-1668.e4 (2019).
- Behbahani, A. H., Palmer, E. H., Corfas, R. A., Dickinson, M. H. Drosophila re-zero their path integrator at the center of a fictive food patch. Curr Biol. 31 (20), 4534-4546.e5 (2021).
- Titova, A. V., et al. Displacement experiments provide evidence for path integration in Drosophila. J Exp Biol. 226 (12), jeb245289(2023).
- Stocker, R. F. The organization of the chemosensory system in Drosophila melanogaster: a review. Cell Tissue Res. 275 (1), 3-26 (1994).
- LeDue, E. E., Chen, Y. C., Jung, A. Y., Dahanukar, A., Gordon, M. D. Pharyngeal sense organs drive robust sugar consumption in Drosophila. Nat Commun. 6, 6667(2015).
- Gelperin, A. Abdominal sensory neurons providing negative feedback to the feeding behavior of the blowfly. Zeitschrift für vergleichende Physiologie. 72 (1), 17-31 (1971).
- Simpson, J. H., Looger, L. L. Functional imaging and optogenetics in Drosophila. Genetics. 208 (4), 1291-1309 (2018).
- DeAngelis, B. D., Zavatone-Veth, J. A., Gonzalez-Suarez, A. D., Clark, D. A. Spatiotemporally precise optogenetic activation of sensory neurons in freely walking Drosophila. Elife. 9, e54183(2020).
- Grover, D., Katsuki, T., Li, J., Dawkins, T. J., Greenspan, R. J. Imaging brain activity during complex social behaviors in Drosophila with Flyception2. Nat Commun. 11 (1), 623(2020).
Ristampe e permessi
