Ten artykuł opisuje udany system rejestracji z neuronów w centralnym kompleksie (CC) karalucha, Blaberus discoidalis, gdy owad chodzi po arenie i ma do czynienia z obiektami, które powodują, że się obraca, tuneluje pod nim lub wspina się na przeszkody. Przewody można również podłączyć do stymulatora, aby wywołać aktywność w otaczającym neuropilu, a w konsekwencji zmiany w zachowaniu.
W ciągu ostatniej dekady wiele uwagi poświęcono rolom, jakie odgrywają różne regiony mózgu w kontrolowaniu zachowania owadów. Duża część tego skupienia została skierowana w stronę neuropils w linii środkowej mózgu, które są zbiorczo określane jako kompleks centralny (CC). Postęp został osiągnięty w wyniku szerokiej gamy technik ukierunkowanych na pytania o rolę CC w zachowaniu. Techniki te obejmują zarówno manipulacje neurogenetyczne, głównie u Drosophila, w połączeniu z analizą behawioralną1-3, jak i techniki elektrofizjologiczne, które monitorują aktywność neuronalną w CC i próbują powiązać tę aktywność z parametrami istotnymi behawioralnie.
Techniki elektrofizjologiczne obejmują zapis wewnątrzkomórkowy z indywidualnie zidentyfikowanych neuronów4-9 oraz zapis zewnątrzkomórkowy, często z wielokanałowymi sondami10,11. Te dwie techniki są komplementarne. Zapis wewnątrzkomórkowy z ostrymi elektrodami lub plastrem całej komórki dostarcza bardzo szczegółowych danych na temat zidentyfikowanych neuronów, ale jest ograniczony do jednej lub dwóch komórek jednocześnie, wymaga ograniczonego ruchu lub nie wymaga go wcale i może być utrzymywany przez stosunkowo krótki okres czasu. Nagrania zewnątrzkomórkowe można łatwo ustawić, nie wymagają ograniczeń i mogą być przechowywane przez wiele godzin. Dzięki tetrodom wielokanałowym i cięciu klastrów można jednocześnie analizować dość duże populacje neuronów9,12. Podczas gdy łatka z całych komórek została z powodzeniem wykorzystana u owadów na uwięzi13, uważamy, że istnieje również zapotrzebowanie na techniki, które pozwolą nam rejestrować aktywność neuronalną w mózgu przez długi czas u swobodnie zachowujących się owadów, które radzą sobie z barierami w poruszaniu się do przodu.
Potrzeba nagrywania, gdy owad porusza się i podskakuje w górę i w dół, popchnęła nas w kierunku pozakomórkowych metod nagrywania. Odnieśliśmy duży sukces w nagrywaniu w preparatach powściągliwych za pomocą dostępnych na rynku 16-kanałowych sond krzemowych11, jednak niewielkie rozmiary nawet dużych karaluchów oznaczają, że sondy muszą być montowane poza ciałem. To, w połączeniu z delikatnością zębów sondy, sprawiło, że nie nadawały się one do przygotowania do swobodnego chodzenia. W dwóch poprzednich projektach użyliśmy wiązek cienkich drutów tworzących tetrodę, aby uzyskać podobne właściwości nagrywania, ale w bardziej wytrzymałym układzie. Te wiązki tetrody pozwoliły nam zarejestrować z uwiązanych karaluchów i powiązać aktywność jednostki CC ze zmianami prędkości chodzenia14 i skrętu wynikającymi z kontaktu anteny z prętem10.
Jakkolwiek użyteczne były i będą te preparaty na uwięzi, to jednak mają pewne ograniczenia. Po pierwsze, zachowania, które może wykonywać owad, są ograniczone do jednej płaszczyzny. Oznacza to, że z łatwością mogliśmy wywołać zmiany prędkości chodzenia lub skręcania, ale wspinanie się i drążenie tuneli nie było możliwe, przynajmniej przy typowym układzie uwięzi. Po drugie, nasze preparaty na uwięzi są "otwartą pętlą". Oznacza to, że nie pozwalają na normalne sprzężenie zwrotne związane z ruchem do systemu. Tak więc, gdy karaluch włączył naszą więź, jego świat wizualny nie został odpowiednio zmieniony. Możliwe jest zbudowanie systemów uwięzi w pętli zamkniętej, aby wprowadzić tego rodzaju sprzężenie zwrotne. Są one jednak ograniczone przez złożoność programowania i sprzętu symulowanego środowiska wizualnego. Niemniej jednak czuliśmy, że możemy ulepszyć nasze istniejące metody nagrywania na uwięzi, rejestrując zwierzę, które swobodnie porusza się po arenie lub torze i napotyka obiekty, tak jak robiłoby to w swoim naturalnym otoczeniu.
Chociaż bezprzewodowe systemy do rejestrowania aktywności mózgu15 byłyby idealne, obecne systemy mają ograniczenia w liczbie kanałów nagrywania, czasie pozyskiwania danych, żywotności baterii i wadze. W związku z tym zdecydowaliśmy się spróbować dostosować nasz system nagrywania na uwięzi do użytku w preparatach do swobodnego przemieszczania się. W miarę pojawiania się lepszych systemów bezprzewodowych, technikę tę można łatwo dostosować do takich urządzeń. System opisany w tym artykule jest lekki, działa bardzo dobrze i wydaje się, że ma niewielki szkodliwy wpływ na zachowanie karalucha. Dzięki niedrogiej, szybkiej kamerze i oprogramowaniu do cięcia klastrów, aktywność poszczególnych neuronów mózgowych może być powiązana z ruchem. W tym miejscu opisujemy przygotowanie drutów tetrody i ich wszczepienie do mózgu owada, a także techniki rejestrowania aktywności elektrycznej i ruchu oraz sposób, w jaki dane te można zebrać w celu późniejszej analizy.