Настоящее исследование представляет прямолинейную парадигму для изучения поискового поведения, вызванного сахаром, у дрозофилы, впервые описанной Dethier2. Это врождённое поведение позволяет мухам участвовать в локальном поиске дополнительных пищевых ресурсов после встречи с пищевым вознаграждением. Наиболее важным аспектом экспериментального протокола является надлежащая мотивация мух. Во-первых, мухи должны находиться в состоянии голода, будучи лишенными пищи, но при этом имея доступ к воде, чтобы обеспечить проглатывание сахара. Для того, чтобы получить равномерное состояние голода во всех экспериментальных испытаниях, продолжительность, при которой выживает 90% населения, использовалась в качестве периода голодания. Важно отметить, что индукция поисковой реакции после кормления требует предоставления пищевого стимула достаточного качества, но недостаточно для полного насыщения мух. Таким образом, стандартизация концентрации и количества сахара, а также продолжительности голодания может занять много времени, но является обязательным условием для здорового и надежного поведения.
В этом исследовании 500 мМ, 0,2 мкл раствора сахарозы использовали в качестве стимула для голодающих мух. Потребление сахара вызывает характерное локальное поисковое поведение, характеризующееся повышенным поворотом и частыми возвратами к месту падения сахара (видео 1). И наоборот, голодные мухи, которые не обеспечены сахаром, не проявляют поискового отклика. Примечательно, что все параметры, связанные с поведением, включая длину пути, время пребывания, меандр и количество возвратов, были значительно ниже у некормленных мух. Ранее мы продемонстрировали, что проглатывание воды само по себе не вызывает поискового ответа9.
Эта установка предлагает экономичный и неприхотливый подход к изучению этого врожденного поведения. Несмотря на то, что в этом исследовании используется арена с подсветкой, верхнее освещение также может быть использовано при условии достаточного контраста между мухой и фоном. Используемое программное обеспечение для слежения основано на обнаружении движения мух на статическом фоне13. Настройки камеры и разрешения могут быть отрегулированы в зависимости от конкретного масштаба исследуемого поведения. Важно отметить, что эта методология позволяет изучать различные компоненты поведения при поиске пищи, включая сенсорные сигналы во время поиска пищи, вовлечение и кормление, локомоторный контроль поиска и процессы принятия решений, связанные с эксплуатацией и разведкой, среди прочего. Более того, эта парадигма облегчает исследование локального поиска, поведения, которое обычно наблюдается у различных таксонов в различных экологическихконтекстах. Изучение этого поведения у дрозофилы открывает возможности для научных исследований, направленных на понимание нейронных путей, участвующих в добывании пищи. Мы изучили локальный поиск у медоносных пчел и показали, что поведение имеет сходство с мухами 7,8.
Недавние исследования показали, что локальное поисковое поведение может быть вызвано оптогенетической активацией различных сенсорных нейронов сахара у мух 14,15,16. Тем не менее, остается неясным, в какой степени локальные поиски, наблюдаемые в этих исследованиях, точно отражают естественное поведение мух в ответ на фактическое потребление сахара. Пищевое поведение у мух жестко регулируется, и эти данные указывают на то, что активация глоточных рецепторов сахара инициирует поисковое поведение. Сенсилла вкуса предплюсны отвечает за обнаружение сахара и индуцирование рефлекса разгибания хоботка, в то время как пищевые рецепторы глотки определяют, следует ли продолжать кормление17,18. После попадания в организм раствор сахара проходит через пищевод в преджелудок и попадает в растение, при этом его расширение контролируется возвратным нервом19. Кроме того, стоит отметить, что некоторые из вышеупомянутых исследований включали в себя запряжение или удержание мух, в то время как этот метод позволяет животным свободно ходить на протяжении всего эксперимента. Мухи в наших экспериментах были достаточно мотивированы, чтобы оставаться и искать в пределах арены, не накрывая их крышкой.
Понимание сложного взаимодействия между нервными путями, генетическими факторами и сигналами окружающей среды, которые управляют поисковым поведением мух, может пролить свет на фундаментальные принципы обработки информации, обучения и формирования памяти. Кроме того, дисрегуляция пищевого поведения связана с различными расстройствами человека, включая расстройства пищевого поведения и ожирение. Обширный набор нейрогенетических инструментов, доступных у дрозофилы, предоставляет ценный ресурс для изучения поискового поведения, вызванного сахаром, и разгадки нейронных и генетических механизмов, лежащих в основе поиска пищи. В сочетании с оптогенетическими манипуляциями и функциональной визуализацией эта парадигма представляет собой мощный и многообещающий подход 20,21,22. Тем не менее, изменение настройки для манипулирования нейронной активностью в реальном времени с помощью оптогенетики может быть сложной задачей. Для наблюдения за нейронной активностью в мозге, когда муха выполняет поисковое поведение, потребуется другая установка, например, привязанная муха на мяче. Многие аспекты пищевого поведения, такие как регулирование кормления и процессы принятия решений, хорошо сохраняются у разных видов. Таким образом, информация, полученная при изучении нейронных механизмов поиска пищи у мух, может дать ценную информацию об аналогичных процессах у других организмов, включая человека.