Artykuł metodologiczny

Badanie habituacji u stentora coeruleus

DOI:

10.3791/64692

⸱

6 stycznia 2023

 ,  , 
1Department of Biochemistry and Biophysics, University of California San Francisco

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wprowadzamy metodę ilościowego określania habituacji Stentora za pomocą urządzenia połączonego z płytką mikrokontrolera, które może dostarczać impulsy mechaniczne o określonej sile i częstotliwości. Uwzględniamy również metody montażu aparatury i ustawienia eksperymentu w sposób minimalizujący perturbacje zewnętrzne.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Uczenie się jest zwykle związane ze złożonym układem nerwowym, ale jest coraz więcej dowodów na to, że życie na wszystkich poziomach, aż do pojedynczych komórek, może wykazywać inteligentne zachowania. Zarówno w systemach naturalnych, jak i sztucznych, uczenie się jest adaptacyjną aktualizacją parametrów systemu w oparciu o nowe informacje, a inteligencja jest miarą procesu obliczeniowego, która ułatwia uczenie się. Stentor coeruleus to jednokomórkowy organizm żyjący w stawie, który wykazuje habituację, formę uczenia się, w której reakcja behawioralna zmniejsza się po powtarzającym się bodźcu. Stentor kurczy się w odpowiedzi na stymulację mechaniczną, która jest pozorną reakcją ucieczki przed wodnymi drapieżnikami. Jednak powtarzające się perturbacje o niskiej sile wywołują habituację, o czym świadczy postępujące zmniejszanie prawdopodobieństwa skurczu. W tym miejscu przedstawiamy metodę ilościowego określania habituacji Stentora za pomocą aparatury połączonej z płytką mikrokontrolera, która może dostarczać impulsy mechaniczne o określonej sile i częstotliwości, w tym metody budowy aparatury i ustawiania eksperymentu w sposób, który minimalizuje zewnętrzne zakłócenia. W przeciwieństwie do wcześniej opisanych podejść do mechanicznej stymulacji Stentora, to urządzenie pozwala na zmianę siły stymulacji pod kontrolą komputera w trakcie pojedynczego eksperymentu, co znacznie zwiększa różnorodność sekwencji wejściowych, które można zastosować. Zrozumienie habituacji na poziomie pojedynczej komórki pomoże scharakteryzować paradygmaty uczenia się, które są niezależne od złożonych obwodów.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Uczenie się jest zwykle związane ze złożonym układem nerwowym, ale jest coraz więcej dowodów na to, że życie na wszystkich poziomach, aż do pojedynczych komórek, może wykazywać inteligentne zachowania. Zarówno w systemach naturalnych, jak i sztucznych, uczenie się to adaptacyjna aktualizacja parametrów systemu w oparciu o nowe informacje1, a inteligencja jest miarą procesu obliczeniowego, który ułatwia uczenie się2.

Stentor coeruleus to jednokomórkowy organizm żyjący w stawie, który wykazuje habituację, formę uczenia się, w której reakcja behawioralna zmniejsza się po powtarzającym się bodźcu3. Stentor kurczy się w odpowiedzi na stymulację mechaniczną3, co jest pozorną reakcją ucieczki przed wodnymi drapieżnikami. Jednak powtarzające się perturbacje o małej sile wywołują przyzwyczajenie, o czym świadczy postępujące zmniejszanie prawdopodobieństwa skurczu3. Przyzwyczajony Stentor nadal kurczy się po otrzymaniu mechanicznej stymulacji o dużej sile4 lub stymulacji fototycznej5. Te obserwacje, które są zgodne z klasycznymi kryteriami habituacji u zwierząt Thompsona i Spencera6, silnie sugerują, że pierwotny spadek reakcji skurczowej jest spowodowany uczeniem się, a nie zmęczeniem lub wyczerpaniem ATP. Jako komórka wolno żyjąca, Stentor może być badany bez większej ingerencji ze strony otaczających komórek, jak miałoby to miejsce w tkance wielokomórkowej. Kilka dodatkowych cech sprawia, że Stentor jest łatwym w obsłudze systemem do nauki uczenia się: jego duży rozmiar (1 mm), wymierna reakcja habituacji3, łatwość wstrzykiwania i mikromanipulacji7, w pełni zsekwencjonowany genom8 oraz dostępność narzędzi do interferencji RNA (RNAi)9. Wykorzystanie tego organizmu modelowego do badania uczenia się komórek bez mózgu lub układu nerwowego wymaga powtarzalnej procedury stymulacji komórek Stentora i pomiaru odpowiedzi.

Tutaj wprowadzamy metodę ilościowego określania habituacji Stentora za pomocą urządzenia połączonego z płytką mikrokontrolera, które może dostarczać impulsy mechaniczne o określonej sile i częstotliwości, w tym metody budowy aparatury i ustawienia eksperymentu w sposób, który minimalizuje zewnętrzne zakłócenia (Rysunek 1). Zrozumienie habituacji na poziomie pojedynczej komórki pomoże scharakteryzować paradygmaty uczenia się, które są niezależne od złożonych obwodów.

figure-introduction-1
Rysunek 1: Konfiguracja eksperymentu habituacji. Płytkę Petriego zawierającą Stentor umieszcza się na elastycznej metalowej linijce urządzenia habituacyjnego. Armatura urządzenia habituacyjnego uderza następnie w metalową linijkę z określoną siłą i częstotliwością, wytwarzając falę bodźca w poprzek pola komórek. Kamera mikroskopu USB rejestruje reakcje stentora na stymulację. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-introduction-2
Rysunek 2: Podsumowanie przebiegu eksperymentu habituacji. Rysunek przedstawia podstawowe kroki związane z badaniem Stentora za pomocą urządzenia habituacyjnego. Figura została stworzona przy użyciu BioRender.com. Na podstawie "Schematu blokowego procesu" autorstwa BioRender.com (2022). Pobrane z https://app.biorender.com/biorender-templates. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

UWAGA: Podsumowanie przebiegu eksperymentu habituacyjnego jest pokazane w Rysunek 2.

1. Montaż urządzenia habituacyjnego

  1. Podłącz sterownik silnika do silnika (patrz Rysunek 3).
    1. Podłącz dwa przewody oznaczone A z płyty sterownika do niebieskiego i czerwonego przewodu na silniku. Podłącz dwa przewody oznaczone literą B z płyty sterownika do zielonego i czarnego przewodu na silniku.
      UWAGA: Patrząc w dół na płytę sterownika od góry, z przewodami silnika u góry, cztery przewody wejściowe powinny łączyć się z przewodami silnika w następującej kolejności: niebieski, czerwony, i zielony.
  2. Zbuduj obwód płytki stykowej pokazany na Rysunek 4, zwracając szczególną uwagę, aby podłączyć diody LED we właściwej polaryzacji.
  3. Podłącz Vcc (+5 V) z płyty sterownika do górnej szyny białej płytki stykowej, a Gnd z płyty sterownika do dolnej szyny płytki stykowej.
  4. Podłącz masę płytki stykowej do bolca uziemiającego płytki mikrokontrolera. Podłącz odpowiednio zieloną diodę LED, czerwoną diodę LED, przełącznik i przycisk do cyfrowych pinów 8, 9, 10 i 11 płytki mikrokontrolera.
  5. Podłącz piny cyfrowe płytki mikrokontrolera 2 i 3 do przewodów płytki sterownika Step i Dir.
  6. Podłącz piny cyfrowe płytki mikrokontrolera 4, 5, 6 i 7 do przewodów płytki sterownika.
    1. Podłącz pin 4 do MS1, podłącz pin 5 do MS2, podłącz pin 6 do MS3 i podłącz pin 7, aby włączyć.
  7. Zasil płytę sterownika za pomocą zasilacza 12 V. Podłącz zasilanie 12 V do czarno-zielonej wtyczki adaptera podłączonej dwoma czerwonymi przewodami do płyty sterownika silnika.
    UWAGA: Nie należy podłączać zasilacza 12 V do wtyczki płytki mikrokontrolera.
  8. Pobierz program sterujący (https://github.com/WallaceMarshallUCSF/StentorHabituation/blob/main/stentor_habituator_stepper_v7.ino) na płytkę mikrokontrolera.
  9. Użyj USB, aby podłączyć płytkę mikrokontrolera do komputera, który będzie również służył jako źródło zasilania płytki mikrokontrolera.
  10. Sprawdź, czy kontrolki użytkownika działają.
    1. Upewnij się, że przełącznik suwakowy włącza i wyłącza tryb automatyczny. W trybie automatycznym system będzie wykonywał krok w regularnych odstępach czasu określonych przez użytkownika (patrz poniżej).
    2. Sprawdź, czy zielona dioda LED włącza się, gdy włączony jest tryb automatyczny.
    3. Sprawdź, czy czerwona dioda LED 1 s, zanim silnik zastosuje impuls. Czerwona dioda LED to lampka ostrzegawcza, która wskazuje, kiedy system ma zamiar dostarczyć impuls mechaniczny.
    4. Przetestuj czerwony przycisk, który uruchamia mikrokrok 1/16 za każdym naciśnięciem przycisku, niezależnie od tego, czy system jest w trybie automatycznym.

figure-protocol-1
Rysunek 3: Elementy urządzenia habituacyjnego. Cała oznakowana elektronika jest wymagana do montażu maszyny. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-2
Rysunek 4: Schemat elektroniki. To jest obwód na płytce stykowej. Przewody łączące się z płytką mikrokontrolera są ponumerowane zgodnie z opisem w protokole. D1 i D2 to odpowiednio czerwona i zielona dioda LED, która jest podłączona do masy za pomocą 330 Ω rezystorów. Dwa przełączniki są podciągnięte za pomocą rezystorów 10 KΩ. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Konfiguracja eksperymentu habituacji

  1. Zdobądź Stentora.
  2. Pokryj płytkę o średnicy 35 mm 0,01% roztworem poliornityny.
    1. Dodaj 3 ml 0,01% roztworu poliornityny na płytkę i pozostaw na noc.
    2. Umyj płytkę dwukrotnie wodą ultraczystą i raz pasteryzowaną wodą źródlaną (PSW) (Tabela materiałów).
  3. Dodaj 3,5 ml PSW do płytki o średnicy 35 mm.
  4. Umyj stentor w 6-dołkowej płytce (tabela materiałów).
    1. Dodaj 3 ml PSW do pierwszego dołka i 5 ml PSW do drugiego i trzeciego dołka. Użyj pipety P1,000, aby dodać 2 ml Stentora z naczynia hodowlanego do pierwszego dołka na 6-dołkowej płytce.
    2. Zidentyfikuj pojedynczy Stentor za pomocą mikroskopu stereoskopowego (Tabela Materiałów), a następnie użyj pipety P20, aby przenieść 100 Stentor z pierwszego dołka do drugiego dołka.
    3. Zidentyfikuj pojedynczy Stentor za pomocą mikroskopu stereoskopowego, a następnie użyj pipety P20, aby przenieść 100 Stentor z drugiej studzienki do trzeciej studzienki.
  5. Za pomocą pipety P200 przenieść 100 stentorów o łącznej objętości 500 μl z trzeciego dołka płytki 6-dołkowej do płytki 35 mm, tak aby końcowa objętość w płytce 35 mm wynosiła 4 ml.
  6. Przyklej kawałek (7 cm x 7 cm) białego papieru do metalowej linijki na urządzeniu habituacyjnym. Upewnij się, że lewa krawędź papieru znajduje się 2 cm od końca linijki znajdującej się najbliżej zwory.
  7. Użyj taśmy dwustronnej, aby przykleić dolną część płytki 35 mm do środka papieru o wymiarach 2 cale x 2 cale na linijce na urządzeniu habituacyjnym.
  8. Pozostaw płytkę 35 mm na urządzeniu habituacyjnym na co najmniej 2 godziny (czas ten można przedłużyć do nocy) z zamkniętą pokrywą. Przez cały ten okres aklimatyzacji utrzymuj płytkę w warunkach oświetlenia otoczenia, które odpowiadają eksperymentalnym warunkom światła (tj. Nie narażaj komórek na wahania światła/ciemności). Ponadto upewnij się, że płyta nie doświadcza żadnych zakłóceń mechanicznych spowodowanych przypadkowym przepychaniem.
  9. Wyśrodkuj kamerę mikroskopu USB (tabela materiałów) bezpośrednio nad płytką 35 mm Stentora. W razie potrzeby umieść podpórkę, taką jak pudełko na końcówki do pipet, pod kamerą mikroskopu uniwersalnej magistrali szeregowej (USB), aby wyregulować wysokość. Alternatywnie do regulacji wysokości można użyć stojaka pierścieniowego.
  10. Zainstaluj aplikację Webcam recorder na laptopie (Tabela materiałów) i użyj jej do wizualizacji komórek za pomocą wejścia mikroskopu.
    1. Otwórz aplikację Rejestrator kamery internetowej i wybierz mikroskop USB z menu rozwijanego. Dostosuj ostrość w kamerze mikroskopu USB tak, aby komórki były wyraźnie widoczne.
    2. Dostosuj położenie kamery mikroskopu USB, aby zmaksymalizować liczbę komórek w polu view.
  11. Otwórz monitor szeregowy płytki mikrokontrolera: wybierz opcję No Line Ending (Brak zakończenia linii) i ustaw ją na 9 600 bodów.
  12. Użyj polecenia l w programie płytki mikrokontrolera, aby obniżyć zworę tak, aby ledwo dotykała linijki. Użyj polecenia r, aby w razie potrzeby podnieść ramię, aby dostosować dokładną pozycję.
    UWAGA: Jeśli twornik znajduje się w znacznej odległości od linijki, wpisz polecenie d, aby wyłączyć prąd cewki silnika, aby ramię można było ręcznie przesunąć w kierunku linijki. Po ręcznym przesunięciu ramienia użyj polecenia e, aby włączyć prąd cewki silnika i utrzymać ramię zablokowane w pozycji. Po prawidłowym opuszczeniu przed rozpoczęciem eksperymentu, dolna końcówka twornika powinna znajdować się w odległości 1 cm od lewej krawędzi linijki. Armatura dostarczy impuls mechaniczny, uderzając w linijkę.
  13. Użyj polecenia i, aby zainicjować tryb automatyczny na urządzeniu habituacyjnym.
  14. Wprowadź rozmiar kroku w wierszu polecenia. Poziom 5 to najmniejszy stopień, a poziom 1 to największy krok. Poziom 4 to rozmiar kroku używany w eksperymentach z przyzwyczajeniem linii bazowej.
    UWAGA: Bodziec poziomu 5 powoduje przemieszczenie linijki w dół o ~0,5 mm; Poziom 4 powoduje przemieszczenie w dół o ~1 mm; Poziom 3 powoduje przemieszczenie w dół o ~2 mm; Poziom 2 powoduje przemieszczenie w dół o ~3-4 mm; a Poziom 1 powoduje przemieszczenie w dół o ~8 mm. Bodziec poziomu 5 powoduje skierowanie w dół szczytowej siły twornika na linijkę o ~0,122 N; Poziom 4 powoduje szczytową siłę skierowaną w dół wynoszącą ~0,288 N; a poziom 3 powoduje skierowaną w dół siłę szczytową ~0,557 N. Siły skierowane w dół generowane przez poziom 1 i poziom 2 są trudniejsze do empirycznego określenia ilościowego za pomocą dynamometru ze względu na znaczne oscylacje linijki, które występują po zetknięciu się twornika.
  15. Wprowadź czas między impulsami w minutach. Interwał stosowany w eksperymentach z habituacją wyjściową wynosi 1 min.
  16. Rozpocznij nagrywanie wideo za pomocą aplikacji do nagrywania kamery internetowej, naciskając czerwony przycisk nagrywania. Następnie przestaw przełącznik na aparacie habituacyjnym, aby rozpocząć eksperyment z pierwszym zautomatyzowanym mechanicznym dostarczaniem impulsów.

3. Analiza filmu z eksperymentu

  1. Bezpośrednio przed pojawieniem się pierwszego impulsu mechanicznego na filmie, zatrzymaj się i policz liczbę Stentora, które są zarówno zakotwiczone na dnie płytki 35 mm, jak i rozciągnięte w wydłużony, przypominający trąbkę kształt (Rysunek 5A, Wideo 1).
  2. Natychmiast po pierwszym impulsie policz liczbę Stentora, które są zarówno zakotwiczone na dnie płytki, jak i skurczone w kształt kuli (Rysunek 5B, Wideo 1).
    UWAGA: Skurczone komórki są łatwo odróżnialne od wydłużonych komórek, ponieważ Stentor skraca ich długość ciała o ponad 50% w ciągu 10 ms podczas skurczu3.
  3. Podziel drugie liczenie przez pierwsze, aby określić frakcję Stentora, która skurczyła się w odpowiedzi na bodziec mechaniczny
    4. .
  4. Powtórz kroki 3.1-3.3 dla wszystkich impulsów mechanicznych w filmie z eksperymentu.

figure-protocol-3
Rysunek 5: Stentor kurczy się po otrzymaniu bodźca mechanicznego. (A) Stentor jest w stanie wydłużonym i zakotwiczony na dnie płytki Petriego. (B) Stentor skurczył się po otrzymaniu mechanicznej stymulacji poziomu 4 z urządzenia habituacyjnego. Zdjęcia zostały wykonane za pomocą mikroskopu USB. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Wideo 1: Wideo z zakurczaniem się Stentora. Stentor co minutę otrzymuje bodziec mechaniczny poziomu 4 z urządzenia habituacyjnego. Komórki te nie zdążyły się jeszcze przyzwyczaić, więc kurczą się po otrzymaniu impulsu. Komórki znajdują się na płytce Petriego umieszczonej na szczycie urządzenia habituacyjnego. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Metoda opisana powyżej, wykorzystująca impuls mechaniczny poziomu 4 o częstotliwości 1 stuknięcia/min, powinna spowodować stopniowe zmniejszenie prawdopodobieństwa skurczu Stentora w ciągu 1 godziny. Wskazuje to na przyzwyczajenie (patrz Rysunek 6, Wideo 2).

figure-results-1
Rysunek 6: Podstawowe przyzwyczajenie. Prawdopodobieństwo skurczu Stentora stopniowo maleje w ciągu 1 godziny po otrzymaniu impulsów mechanicznych poziomu 4 z częstotliwością 1 stuknięcia/min (n = 22-27). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Wideo 2. Film z przyzwyczajonym Stentorem. Komórki otrzymują bodziec mechaniczny poziomu 4 po 1 godzinie odbierania impulsów mechanicznych o tej samej sile z częstotliwością 1 stuknięcia/min. Większość komórek przyzwyczaiła się do bodźców w ciągu godziny, a zatem nie kurczy się. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.

Zmiana siły i/lub częstotliwości dostarczania impulsów mechanicznych może zmienić dynamikę przyzwyczajenia Stentora. Na przykład, użycie impulsu poziomu 2 z częstotliwością 1 stuk/min wyklucza przyzwyczajenie w ciągu 1 godziny (patrz Rysunek 7). Impuls na poziomie 5 powinien wywołać skurcze u kilku lub zera Stentora.

figure-results-2
Rysunek 7: Brak przyzwyczajenia w ciągu 1 godziny dla silniejszych sił. Prawdopodobieństwo skurczu Stentora nie zmniejsza się znacząco w ciągu 1 godziny po otrzymaniu impulsów mechanicznych poziomu 2 z częstotliwością 1 stuknięcia/min (n = 7-33). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Najbardziej krytyczne kroki w protokole dotyczą zapewnienia, że Stentor pozostaje w optymalnych warunkach do wystąpienia skurczów. Reakcja skurczowa w teście habituacji wymaga, aby stentory były zakotwiczone na powierzchni za pomocą ich lepkiego uchwytu, ponieważ rzadko się kurczą, gdy swobodnie pływają. Jednak dolna powierzchnia płytki Petriego o średnicy 35 mm używanej do eksperymentów habituacyjnych zazwyczaj nie sprzyja zakotwiczeniu, chyba że jest pokryta poliornityną. Co więcej, Stentor nie może być narażony na żadne zakłócenia mechaniczne przez co najmniej 2 godziny przed rozpoczęciem eksperymentu habituacji, ponieważ Stentor zapominający skala czasowa wynosi 2-6 godzin3. Jeśli Stentor otrzyma stymulację mechaniczną w ciągu 2 godzin od czasu rozpoczęcia eksperymentu habituacji, istnieje możliwość, że ta wcześniejsza stymulacja wywoła niewielki poziom habituacji przed eksperymentem, zmniejszając w ten sposób prawdopodobieństwo skurczu po dostarczeniu przez urządzenie habituacyjne pierwszego impulsu mechanicznego. Wreszcie, na etapie analizy ważne jest, aby policzyć tylko liczbę Stentora , które kurczą się po impulsie - a nie przypadkowe spontaniczne skurcze, które występują przed dostarczeniem impulsu - aby uzyskać dokładny odczyt frakcji komórek, które skurczyły się w odpowiedzi na stymulację mechaniczną.

Protokół można łatwo modyfikować w celu zbadania różnych typów dynamiki habituacji poprzez zmianę siły i częstotliwości impulsów mechanicznych dostarczanych przez urządzenie habituacyjne. Daje to również możliwość zbadania innych rodzajów uczenia się, takich jak uwrażliwienie, które mogą wystąpić w Stentorze. Sam kod programu płytki mikrokontrolera można również dostosować, aby dostarczać różne wzory mechanicznych odczepów do Stentora.

Jednym z potencjalnych problemów, które należy rozwiązać za pomocą tego protokołu, jest niska częstotliwość zakotwiczenia Stentora , co może ograniczać liczbę Stentora , którą można zaobserwować w eksperymencie habituacji. Częstotliwość kotwiczenia jest czasami zmniejszona w kulturach Stentora , które nie były ostatnio karmione lub są skażone. Aby rozwiązać ten problem, należy umyć świeżą partię Stentora , aby rozpocząć nową kulturę i regularnie je karmić zgodnie z protokołem opisanym w Lin et al.10.

Protokół ten jest ograniczony tym, że tylko jedna płytka Stentor może być testowana na raz, co skutkuje pomiarami o stosunkowo niskiej przepustowości. Co więcej, obecne oprogramowanie nie pozwala na automatyzację analizy obrazu pojedynczej komórki. Większość pozyskanych danych dotyczy zatem poziomu populacji. Przyszłe modele urządzenia habituacyjnego i narzędzia do analizy obrazu mogą ułatwić wysokoprzepustowe eksperymenty na pojedynczych komórkach.

Habituacja w Stentor była wcześniej badana przy użyciu metod opisanych przez Wood3, ale ten nowy protokół pozwala na automatyzację eksperymentów. Automatyzacja nie tylko pozwala badaczowi na powtarzalne dostarczanie impulsów mechanicznych o określonej sile i częstotliwości, ale także ułatwia długoterminowe eksperymenty z przyzwyczajeniem, ponieważ urządzenie może być pozostawione włączone bez nadzoru przez wiele dni. Co więcej, użycie silnika krokowego zamiast solenoidu zastosowanego w eksperymentachWooda3 zmniejsza ryzyko rozmagnesowania w czasie, a także pozwala na zmianę siły bodźca w trakcie jednego eksperymentu.

Badanie habituacji komórkowej może ujawnić kliniczne spostrzeżenia dotyczące stanów takich jak zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi (ADHD) i zespół Tourette'a, w których habituacja jest upośledzona11. Mechanizmy habituacji stentorów mogą również ujawnić nowe niesynaptyczne paradygmaty uczenia się, niezależne od złożonych obwodów komórkowych. Wreszcie, spostrzeżenia na temat uczenia się pojedynczych komórek mogą zainspirować metody przeprogramowania komórek w tkankach wielokomórkowych – to kolejna potencjalna droga do walki z chorobami.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dziękujemy Tatyanie Makushok za niezliczone dyskusje na temat nauki Stentora. Praca ta została sfinansowana z grantu NSF MCB-2012647 oraz z grantu NIH R35 GM130327, a także z nagrody I2CELL przyznanej przez Fundację Fourmentin-Guilbert.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
0,01% Poliornityna Millipore SigmaP4957Służy do powlekania płytki Petriego
35 mm płytki PetriegoBenz Microscope Optics Center Inc.L331Zawiera Stentor podczas eksperymentów
6-dołkowa płytkaStemCell Technologies38016Służy do mycia Stentor
Aluminiowa płytka stykowa, 4" x 24" x 1/2" (x1)ThorlabsMB424Służy do budowy urządzenia habituacyjnego
Duża łatwa w obsłudze sterownik Płytka sterownika silnika krokowego (x1)SparkfunROB-12859Służy do budowy urządzenia
habituacyjnegoSzyna konstrukcyjna, 1" x 5'' (x2)NewportNewport CR-1Służy do budowy urządzenia habituacyjnego
LaptopApple Storehttps://www.apple.com/macbook-air-m1/Podłącz laptopa do mikroskopu USB, aby wizualizować eksperymenty
Duży kątownik kątowy (x1)ThorlabsAP90RLSłuży do budowy urządzenia habituacyjnego
Płytka mikrokontroleraArduinoA000066Służy do sterowania urządzeniem habituacyjnym
Nema 17 Silnik krokowy bipolarny 59Ncm 2A  84uncja  48mm 4-odprowadzeniowe Stepperonline.com5-17HS19-2004S1Służy do budowy urządzenia habituacyjnego
Pasteryzowana woda źródlanaCarolina132458Media do eksperymentów Stentor
Nawias kątowy (x3)ThorlabsAP90Służy do budowy urządzenia habituacyjnego
Mikroskop stereoskopowy Stemi 2000ZeissSłuży do wizualizacji Stentora podczas etapów mycia
Stentor coeruleusKarolina131598Są to komórki używane do eksperymentów habituacyjnych
Mikroskop USBCelestron44308Służy do wizualizacji i nagrywania eksperymentów Rejestrator
kamery internetowejApple Storehttps://apps.apple.com/us/app/webcam-recorder/id1508067444?mt=12Zainstaluj tę aplikację, aby nagrywać filmy z eksperymentów

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Dussutour, A. Learning in single cell organisms. Biochemical and Biophysical Research Communications. 564, 92-102 (2021).
  2. Sternberg, R. J. Intelligence. Dialogues in Clinical Neuroscience. 14 (1), 19-27 (2012).
  3. Wood, D. C. Parametric studies of the response decrement produced by mechanical stimuli in the protozoan, Stentor coeruleus. Journal of Neurobiology. 1 (3), 345-360 (1969).
  4. Tang, S. K. Y., Marshall, W. F. Cell learning. Current Biology. 28 (20), 1180-1184 (2018).
  5. Wood, D. C. Stimulus specific habituation in a protozoan. Physiology and Behavior. 11 (3), 349-354 (1973).
  6. Thompson, R. F., Spencer, W. A. Habituation: A model phenomenon for the study of neuronal substrates of behavior. Psychological Review. 73 (1), 16-43 (1966).
  7. Slabodnick, M. M., Marshall, W. M. Stentor coeruleus. Current Biology. 24 (17), 783-784 (2014).
  8. Slabodnick, M. M., et al. The macronuclear genome of Stentor coeruleus reveals tiny introns in a giant cell. Current Biology. 27 (4), 569-575 (2017).
  9. Slabodnick, M. M., et al. The kinase regulator Mob1 acts as a patterning protein for Stentor morphogenesis. PLoS Biology. 12 (5), 1001861(2014).
  10. Lin, A., Makushok, T., Diaz, U., Marshall, W. F. Methods for the study of regeneration in Stentor. Journal of Visualized Experiments. (136), e57759(2018).
  11. McDiarmid, T. A., Bernardos, A. C., Rankin, C. H. Habituation is altered in neuropsychiatric disorders-A comprehensive review with recommendations for experimental design and analysis. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 80, 286-305 (2017).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

uczenie pojedynczej kom rkidynamika habituacjistymulacja mechanicznareakcja behawioralnaaparat sterowany mikrokontroleremprawdopodobie stwo skurczuuczenie poprzez sensytyzacjmikroskop USBorganizm stawowy

Powiązane artykuły