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Neuroscience

Quantitative Analyse der Kletter Defekte in einem Drosophila Modell von neurodegenerativen Erkrankungen

Published: June 13, 2015 doi: 10.3791/52741

Abstract

Locomotive Mängel von neurodegenerativen Erkrankungen resultiert, kann ein später Beginn Symptom der Krankheit, nach Jahren der subklinischen Degeneration und damit aktuelle therapeutische Behandlungsstrategien sind nicht kurativ. Durch die Verwendung von Voll Exoms Sequenzierung, eine zunehmende Anzahl von Genen identifiziert worden, eine Rolle in menschlichen Fortbewegung spielt. Trotz der Identifizierung dieser Gene, ist es nicht bekannt, wie diese Gene sind entscheidend für die normale Bewegungsfunktion. Daher ist ein zuverlässiger Test, der Modellorganismen verwendet, um die Rolle dieser Gene, um neue Targets von therapeutischem Interesse zu identifizieren aufzuklären, ist mehr denn je erforderlich. Wir haben eine sensibilisierte Version der negativen geotaxis Assay, der zum Nachweis von Mängeln milder früheren ermöglicht, und die Fähigkeit hat, diese Mängel über der Zeit erfasst gestaltet. Der Test wird in einem Glas durchgeführt Meßzylinder, der mit einem Wachsbarriere-Film abgedichtet ist. Durch die Erhöhung der Schwellenabstand um 17,5 c bestiegen werdenm und die Erhöhung der Versuchsdauer bis 2 Minuten haben wir eine größere Empfindlichkeit beim Nachweis von mild Mobilitätsstörungen beobachtet. Der Test wird kostengünstig und erfordert keine umfangreiche Ausbildung zu hoch reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Dies macht es eine ausgezeichnete Technik für das Screening von Wirkstoffkandidaten in Drosophila-Mutanten mit Bewegungsfehler.

Introduction

Verheerenden neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson-Krankheit, amyotrophe Lateralsklerose und Spastische Paraplegie werden zunehmend anerkannt. Leider sind die meisten dieser neurodegenerativen Erkrankungen noch ohne Behandlungen. Die weit verbreitete klinische Anwendung von genomweiten, unvoreingenommene Gentests wie Voll Exom-Sequenzierung hat zu einer wachsenden Anzahl von Genen geführt, dass in der menschlichen Bewegungsapparates verwickelt. Trotz dieser Fortschritte die pathologische Progression von früh bis spät Bühnen, in weiter Ferne in dieser Erkrankungen. Drosophila stellt ein mit den genetischen Werkzeuge zum Studium Gen Anforderung in einer kontrollierten Art und Weise räumlich und zeitlich. Darüber hinaus hat Drosophila nützlich beim Screening Medikamenten für neurologische Erkrankungen wie der Parkinson-1, Alzheimer-2, geistiger Behinderung und Epilepsie 3,4 5,6 ua bewährt. Unser Ziel war es, eine kostengünstige Entwicklungund zuverlässigen Assay, der Analyse mit hohem Durchsatz, die noch ausreichend empfindlich gegenüber kleinen Änderungen in der Motorleistung zu detektieren würde ermöglichen würde.

Es gibt verschiedene Tests verwendet, um die Effekte der genetischen Mutation und / oder Umgebungsbedingung auf Drosophila Kletterverhalten zu quantifizieren. Die meisten der Tests zu profitieren auf die natürliche Tendenz von Fliegen zu klettern, als negative Geotaxis oder Kletter Assay bekannt. Benzer 7 vorgeschlagen 1967, dass der Gegenstrom-Vorrichtung für die Untersuchung der Phototaxis verwendet könnte auch zur Gravitaxis untersuchen. Seitdem haben Ganetzki 8 und viele andere 9 -12 auf der ersten Test gebaut. Das Prinzip ist, um eine bekannte Anzahl der Fliegen in einem Fläschchen zu stellen und tippen Sie auf die Fläschchen kräftig gegen eine harte Oberfläche, wodurch die Fliegen an den Boden des Fläschchens fällt. Da es ein angeborenes Verhalten, werden die Fliegen versuchen, auf der Oberseite des Fläschchens, der Schwerkraft entgegengesetzt zu klettern. Dieser Test ist quantitativ und measures, wie viele Fliegen haben während einer vorgegebenen Zeit an einer Markierung auf dem Fläschchen kletterte. Messung der Geschwindigkeit anstatt der gesamten Anzahl der Fliegen Steigen zu einem verlässlichen Parameter und in Fällen, wo die Anzahl der Fliegen Kriterien nicht signifikant war 13 gezeigt Defekten.

Die Steig Assay in der Studie von vielen neurodegenerativen Erkrankungen einschließlich Parkinson-Krankheit 14 bewährt. Allerdings haben wir festgestellt, dass Lok Mängel möglicherweise nicht nachweisbar sein zum Zeitpunkt, wo Neurodegeneration ist bereits in pathologischen Studien 14 zu sehen. Somit kann die Verwendung des herkömmlichen Assay die Fähigkeit, die frühen Stadien der Krankheit zu untersuchen Pathogenese begrenzen. Das Aussehen der Lokomotive Defekte während späteren Phasen der Pathologie kann eine Krankheit, deren Progression zu fortgeschritten für komplette Rettungs reflektieren.

Dies wirft ein mögliches Problem mit der Empfindlichkeit des traditionellen Kletter Assay. Der potenzielle Unfähigkeit des tradinalen Klettern Assay zu mild Lokomotive Mängel erkennen kann, um die Höhe, auf die die Fliegen sind erforderlich, um zu klettern zurückzuführen. Die herkömmlichen Assay 15,16 misst die Anzahl der Fliegen, um erfolgreich über eine Höhe von 2 bis 5 cm steigen in 10 bis 20 Sekunden.

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Protocol

Forschung an Drosophila melanogaster wurde in Übereinstimmung mit der Universität Forschungs Richtlinien Albertas.

1. Fly-Sammlung

  1. Sammeln Sie 20 Fliegen mit CO 2 (g) Betäubung und in eine 25 mm x 95 mm Sammelgefäß haltige Speisen.
  2. Shop Stechflaschen mit Fliegen horizontal zu vermeiden Trapping Fliegen in allen Flüssigkeiten, die in den Boden anreichern kann das Fläschchen.
  3. Entfernt inkubiere für mindestens 21 Stunden bei 22 ° C bei 45% Luftfeuchtigkeit in einem Brutschrank für ca. 15 Stunden. Stellen Sie den Inkubator mit einem 12 Stunden Licht: Dunkel-Zyklus.

2. Climbing Assay

  1. Am nächsten Morgen, Transfer 20 Fliegen aus einer Ampulle in einen 250-ml-Glasmesszylinder. Markieren Sie die Position des Zylinders, um sie konstant zu halten jeden Tag. Verwenden Sie einen Glaszylinder pro Genotyp um eine Kreuzkontamination zwischen den Genotypen zu verhindern. Waschen Sie am Ende jedes Experiments und rotate sie zwischen den Genotypen.
    1. Führen die Versuche im Umgebungslicht (oder rotes Licht, wenn es einen potentiellen Defekt in Vision) bei der Temperatur und Feuchtigkeit von 22 ° C bzw. 40%. Um zirkadianen Rhythmus verwechseln zu vermeiden, führen Sie immer Experimente zur gleichen Tageszeit.
  2. Verschließen Sie die Oberseite des Zylinders mit einer Sperrfolie (Wachsfilm), um das Entweichen jeglicher Fliegen zu verhindern (Abbildung 2).
  3. Richten Sie die Videokamera auf einem Stativ. Fokus-Kamera auf der Linie 190 ml der 250 ml-Messzylinder (17,5 cm).
  4. Die Anzahl der toten Fliegen am Boden des Zylinders und in der Lebensmittelfläschchen. Tragen Sie diese Nummer als die Sterblichkeit.
  5. Sehr leicht den Zylinder gegen einen geschlossenzelligen Schaumpolster wiederholt tippen mit genügend Kraft, um die Fliegen an der inneren Bodenfläche zu verdrängen. Tippen Sie auf 5 bis 10 mal, während mit der anderen Hand auf Rekord auf der Kamera drücken.
  6. Drücken Sie die "Record" Taste an der Kamera.
  7. Starten Sie das video Kameraaufnahme und auf den Zylinder, sechs Mal in einem ausgeprägten nicht-rhythmische Muster.
  8. Leiten jeden Versuch für 2 min von der Zeit die Fliegen letzten abgegriffen und notieren Sie die Anzahl der Fliegen der Höhe von 17,5 cm (190 ml) zu jedem gewählten Zeitpunkt (zu quantifizieren alle 10 sec) überqueren. Hinweis: Das ml Markierung auf dem Zylinder wird von einem Zylinder-Modell zum anderen variieren je nach Durchmesser. Um Fehler zu vermeiden, messen Sie die Höhe an jedem Zylinder verwendet.
  9. Sobald die Studie beendet ist, entsorgen Sie fliegt in 95% Ethanol.
  10. Wiederholen Sie die Schritte 2,1-2,9, bis alle Wiederholungen wurden mit frischen Fliegen jedes Mal getestet.
    Hinweis: Obwohl 5 Wiederholungen können genug mit einer Mutation, die eine starke Wirkung auf die Fortbewegung ist, wird 10 biologischen Replikate von 20 Fliegen (200 entfernt) empfohlen, um kleinere Unterschiede zu erkennen.
  11. Bei Beendigung des Versuchs, wäscht die Zylinder im Labor Spül- und Trocken O / N wiederverwendet werden.

3. Analyse

  1. Analyze Videos von jeder fliegen Studie. Jede 10 Sekunden, notieren Sie die Gesamtzahl der Fliegen, die die Ziellinie passieren.
    1. Wenn eine Fliege klettert wieder nach unten und fällt, Datensatz, der als -1 fliegen und zählen Sie die nächste Fliege, um die Ziellinie als die gleiche Anzahl wie die Fliege, die wieder nach unten stieg oder fiel überqueren. Zum Beispiel, wenn der 15. fly unter die Ziellinie, die nächste Fliege, die Linie (16. Fliegen) gilt als der 15. Fliege und nicht der 16. überqueren.
  2. Subtrahiere die Mortalität aus der Gesamtzahl von Fliegen (20), um die Anzahl der Fliegen, die in der Studie bleiben erhalten. Zu jedem Zeitpunkt, erhalten die Fraktion von Fliegen über der Ziellinie.
  3. Zeichnen Sie jeden Prozentsatz zu jedem Zeitpunkt (siehe Abbildung 3).
  4. Analysieren Sie die Leistung am 120 s Datenpunkt und führen Sie Student t-Test bei 2 Gruppen vorhanden sind oder ANOVA und einen Post-Test für multiple Vergleiche (mit Bonferroni Modifikation für geplante und ungeplante Tukey für Zusammenarbeitmparisons). Der Kolmogorov-Smirnov-Tests 17 wird auch durchgeführt, um Normalität und gleiche Varianz zu ermitteln, sondern auch, um die Verteilungen des Mutanten-Gruppe an die Steuerung zu vergleichen.
  5. Um die Daten über Alterung zu präsentieren, zeichnen den Prozentsatz von Fliegen Klettern bei 120 sec mit Fliegen unterschiedlichen Alters (2 Tage, 1 Woche, 2 Wochen), um zu sehen, ob es eine fortschreitende Defizit (Abbildung 4).

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Representative Results

Klettern ist eine starke und reproduzierbare Verhalten. Tatsächlich erreichen einen Tag alt Wildtyp-Fliegen die Zielentfernung Kletterleistung schnell (25-30 sec). Mutierten Fliegen präsentieren ein Leistungsbereich von mild (oder verzögert) die Unfähigkeit, die dem Ziel klettern abzuschließen. Wir veranschaulichen dies hier mit zwei verschiedenen mutierten Allelen. Die erste ist eine schwere Allel des Gens Spastin durch eine vollständige Löschung des Spastin Gen (Spas 5,75) 18 verursacht. In dieser Zeile (Spas 5.75 mit TM6b) einen Tag alt Fliegen nicht WT Steigleistung zu erreichen, auch nach 2 min. Diese Mutantenlinie präsentiert mit schweren Defekten auch bei Verwendung der Glasmethode (1A, B). Der Vorteil der hier vorgestellte Verfahren wird noch deutlicher beim Studium einer Mutante für das gleiche Gen, jedoch mit einer unvollständigen Löschung von der gleichen Gruppe (Spas 17-7 mit TM3) 18 veröffentlicht. In diesem Fall wird die Leistung bis zu 8 Tagen normal ist (1C-F (Figur 3) oder genetische Interaktion. Für ein weiterer Beweis, gehören Rettung des Verhaltensphänotyp mit dem Ausdruck einer Wildtyp-Protein für das Gen untersucht. Für Interaktionsstudien, zu vergleichen, Fliegen, die heterozygot für beide Mutationen von Interesse mit Fliegen, die nur eine Mutation von Interesse sind. Der Test ermöglicht auch, die Progression des Kletter Defekt über die Zeit einen wichtigen Aspekt bei der Modellierung progressive Bewegungsapparates (4) überwachen. Darüber hinaus, 2 min zu ermöglichen, besser zu sehen, das Fortschreiten von Klettern in schweren Mutanten.


Abbildung 1. Vergleich verschiedener Kletter Assays. Für schwere Mutationen unterschiedliche Grade der Kletter Defekt kann mit verschiedenen Methoden, aber milder Mutationen gesehen werden möglicherweise nicht mit einigen Tests nachgewiesen werden. Um dies zu demonstrieren wir verwendet zwei veröffentlichten Mutantenlinien für das Gen Spastin:. Spastin 5-75, die eine vollständige Löschung des Spastin Gen und Spastin 17-7, die eine teilweise Löschung des Spastin Gen enthält (A) Zunächst wird Steigen bewertet indem er fliegt an die Spitze eines leeren Essen Fläschchen. Die Anzahl der Fliegen an der Spitze nach 18 sec aufgezeichnet. Mit diesem Protokoll eine deutliche Mangel in Spast 5-75 zu sehen / TM6b im Vergleich zu Wildtyp-Kontrollen (n = 10, p <0,001). (B) Als nächstes Kletterleistung wird mit dem hier beschriebenen Verfahren beurteilt. Klettern ist auch d Umfang erfolgreich in der gleichen Genotyp Spast 5-75 / TM6b. Der Leistungsunterschied ist hochsignifikant (N = 5, p <0,001), aber der Leistungsabstand größer ist. Mutationen gezeigt, dass geringere Wirkung gedacht haben (zB enthält Spast 17-7 eine partielle Deletion Spastin Gen) kann der hier vorgestellte Methode Zylinder empfindlicher sein. (C) kein signifikanter Defekt wird mit 3 Tage alt spast 17-7 beobachtet / TM3 mit dem Fläschchen-Methode (N = 5). (D) keine signifikanten Defekt mit 3 Tage alten spast 17-7 / TM3 mit dem Zylindermethode (n = 5). (E) eine nicht-statistische Tendenz merkt 8 Tage alt spast 17-7 / TM3 Line (N = 5). (F), sondern eine Signifikanz wird 8 Tage alt spast 17-7 / TM3 mit dem für die gleiche Anzahl von Wiederholungen dargestellt Zylinder-Methode (N getestet beobachtet = 5, p <0,001).rget = "_ blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. Schematische Darstellung der Versuchsanordnung. 20 Fliegen in einem Glaszylinder eingesetzt und dann mit einer Wachssperrfilm bedeckt. Die Fliegen werden dann auf den Boden und die Anzahl der Fliegen Überqueren der Mittellinie wird mit einer Kamera für 120 sec aufgezeichnet abgegriffen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3. Repräsentative Ergebnisse der Kletter Experiment. Der Prozentsatz von Fliegen Durchgang durch die Schwellenwertlinie wird alle 10 Sekunden über die durati vertretenon des Assays. In diesem Experiment 3 genetisch geeignete Kontrollen (Wildtyp, UAS Spas -RNAi / +, Elav-GAL4 / +) an transgenen Fliegen, die sowohl UAS und Gal4 Komponenten (Elav-GAL4 / UAS Spas -RNAi) verglichen. Die UAS Spas-RNAi ist aus VDRC # 108739. Diese Darstellung ermöglicht die Beurteilung der Geschwindigkeit der Klettern für jeden Genotyp. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 4
Abbildung 4. Repräsentative Graphen für die alternde Profil. Da viele Bewegungsapparates sind progressiv, ist es wichtig, die Entwicklung im Laufe der Zeit zu porträtieren. In diesem Diagramm werden WT Fliegen um heterozygote Mutanten (Heilbäder / WT) und trans-heterozygoten Mutanten (spast5-75 / spast17-7) in 2 Tagen (A) und 8 Tagen (B) im Vergleich(N = 10, p <0.001). Ergebnisse werden auch im Laufe der Zeit für die 120 Sekunden dargestellt. Zeitpunkt (C). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Drosophila hat bereits bewiesen, dass ein ausgezeichnetes Modell der Parkinson-Krankheit 14 und andere neurodegenerative Erkrankungen 1,2 sein. Zusätzlich zu den genetischen Werkzeugen von Drosophila, wird dessen Genom sehr für Gene in neurologischen Erkrankungen beteiligten 19 konserviert. Das Aufkommen der genomweite genetische Screening-Methoden (einschließlich ganze Exoms Sequenzierung) wird sich wahrscheinlich fortsetzen, um eine größere Liste der Kandidatengene mit menschlichen Bewegungsstörungen verbunden sind. Die Entwicklung von Behandlungen für diese Bedingungen werden Tiermodelle erfordern zum Verständnis der Pathologie in den frühen Stadien der Neurodegeneration zu erhöhen. Die Verwendung von Drosophila und der negativen Geotaxis Assay stellt eine kostengünstige und zuverlässige Methode, um Gene in Lokomotive Mängel beteiligt Phänotyp für Rettungs identifizieren und anschließend Bildschirm Wirkstoffkandidaten. Dies erhöht die molekulare elektrophysiologische und Abbildungs ​​Beweise tHut kann auch im gleichen Tiermodell erhalten werden. Unter Verwendung der Kletter Assay, andere haben erfolgreich reproduziert Motorfehlern Fliegen mutierte Gene für menschliche Fortbewegung zu stören. Dennoch hat der bisherigen Forschung gezeigt, dass krankhafte Veränderungen könnte die Erkennung von Bewegungsfehlern von mehreren Tagen 14 vorausgehen. Dieses Phänomen ist auch in menschlichen neurodegenerativen Zuständen, wo wir subklinischer Veränderungen sprechen beobachtet. Wir glauben, dass durch das Verständnis und die Behandlung dieser subklinische Veränderungen, Krankheit Änderung würde stark verbessert werden.

Wir stellen Ihnen hier ein Modell, das die Erkennung von mild Mängel, die Fortbewegung mit dem Verständnis der Passage aus "präsymptomatischen symptomatische" von neurodegenerativen Pathologie mit einem Drosophila Modell helfen können ermöglicht. Viele Gruppen haben eine kurze Kletter Abstand (5-10 cm) verwendet, aber wir erhöht den Abstand auf 17,5 cm, wie in Palladino et al. 20. Obwohl dieser Unterschiedzwischen Steighöhen können kleinere scheint, wurde die Zunahme der Höhe bestimmt, um den Assay Schwierigkeit zu erhöhen, wodurch in der Identifizierung der vergleichsweise geringen Steig Defekte unterstützt wird. Außerdem wählten einige Verfahren, um die Oberseite des Zylinders mit einem faseroptischen Leuchte eingeschaltet, um die Vorteile der phototaxic Reaktion adulter Drosophila nehmen. Jedoch kann die Lichtquelle Lichtreflexion innerhalb des Zylinders zu bewirken; Somit wird ein diffuser Kopffluoreszenzlichtquelle stattdessen verwendet. Zusätzlich können Mutationen in Genen Neurodegeneration Augenfunktion beeinflussen und damit vorzuspannen, die Ergebnisse. Die Erhöhung der Stichprobengröße von 10 bis 20 Fliegen erhöht die statistische Aussagekraft der einzelnen Studien. Zunächst konnten wir diese Zahl auf bis zu 30 Fliegen, aber es wurde später um Überbelegung und Interaktionseffekte zwischen Fliegen minimieren reduziert. Die Proben werden nach einmaligem Gebrauch weggeworfen werden, anstatt für vier Wiederholungsversuche pro Probe durchgeführt, um das p zu eliminierenossibility des Lernens oder Müdigkeit. Durch Fliegen mit extrem schlechte Steigleistung war es kontraproduktiv, um die Zeit für die 50% der Fliegen benötigt, um die Ziellinie zu überqueren aufzeichnen dafür könnte eine beträchtliche Menge an Zeit für diese Kriterien erfüllt sein zu nehmen. Vielmehr wurden Fliegen eine Dauer von 2 min, um die Ziellinie zu überqueren gegeben. Die Anzahl der Fliegen über die Linie wurde aufgezeichnet und in Schritten von 10s klassierte, und der resultierende Wert, ausgedrückt als Prozentsatz.

Diese Bedingungen zu schaffen sind ein empfindlicher Beurteilung der Kletterfähigkeiten eines Erwachsenen Fliege. Während andere Konstruktionen der Assay noch nützlich sind, kann dieses Paradigma in Fällen, in denen leichter frühen Defekte untersucht werden berücksichtigt. Darüber hinaus kann dieser Test bei der Erkennung kleiner Änderungen im Zusammenhang mit Medikamentenstudien.

Ein wichtiger Punkt ist, dass der negative geotaxis Verhalten basierend auf die Fliegen mit dem Boden des Zylinders abgegriffen. Es ist d daherErz wichtig, andere Formen der Fortbewegung, wie beispielsweise auf einer ebenen Fläche und Luft beurteilen. Andere Aspekte wie Motivation und soziale Interaktion müssen als potentielle verwechseln berücksichtigt werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Test vorgestellt erlaubt nur eine Fortbewegung in erwachsenen Fliegen zu bewerten. Dies begrenzt die Fähigkeit, neuropathologischen korreliert die beobachtete Verhalten, das für das Verständnis der Pathogenese der Krankheit sehr wichtig ist, zu erhalten. In der Tat, die meisten Neuroimaging Arbeit wurde an der neuromuskulären Synapse Larve bisher in Drosophila durchgeführt. Erhalten Fortbewegungsverhalten in Larve kann ein wichtiger Schritt, um die direkte Korrelation zwischen Verhaltensweisen und pathologische Veränderungen zu ziehen.

Es ist sehr wichtig, die Temperatur und die Feuchtigkeit, bei der die Fliegen werden angehoben und getestet steuern. Zusätzlich zu der Wirkung auf die Fliegenentwicklung, eine wichtige Auswirkung auf die Steigfähigkeit von entfernt angehoben und in nicht idealen Bedingungen gelagert werden diese Faktoren. In der presence erhöhter statischer Elektrizität oder Feuchtigkeit, haben Fliegen nicht optimal durchzuführen. Dieser Effekt war nicht gleich für alle Genotypen, mutierten Fliegen üblicherweise mehr durch solche Faktoren als die Kontrollen betroffen. Darüber hinaus müssen Zylinder gewaschen und korrekt zwischen jedem Versuch getrocknet werden.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Drosophila stocks The stocks are selected depending on the experiments. The temperature and humidity in the room and in the incubator must be controled and consistent to avoid flies being too staticky or too wet.
Video camera Any digital camcorder will do. Make sure they can focus on close object.
Graduated cylinder Kimble 20028W Different models of graduated cylinder may have different diameter. It is therefore imporant to measure the height.
Computer Any model will do. We used the computer to monitor the climbing of the flies and record the number of flies at each time point.

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References

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Madabattula, S. T., Strautman, J.More

Madabattula, S. T., Strautman, J. C., Bysice, A. M., O’Sullivan, J. A., Androschuk, A., Rosenfelt, C., Doucet, K., Rouleau, G., Bolduc, F. Quantitative Analysis of Climbing Defects in a Drosophila Model of Neurodegenerative Disorders. J. Vis. Exp. (100), e52741, doi:10.3791/52741 (2015).

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