מעקב אחר התנהגות זחל דרוזופילה בתגובה Optogenetic גירוי של חוש הריח נוירונים

Neuroscience

Your institution must subscribe to JoVE's Neuroscience section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

פרוטוקול זה מנתח התנהגות ניווט של זחל דרוזופילה בתגובה optogenetic בו זמנית גירוי של נוירונים חוש הריח שלו. אור של 630 ננומטר אורך גל משמש כדי להפעיל את חוש הריח נוירונים בודדים לבטא של אופסין # רודופסין אדום-העביר ערוץ. תנועת הזחל מתבצע בו זמנית, רשמה דיגיטלית, נותחה באמצעות תוכנה מותאמת אישית-נכתב.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Clark, D. A., Kohler, D., Mathis, A., Slankster, E., Kafle, S., Odell, S. R., Mathew, D. Tracking Drosophila Larval Behavior in Response to Optogenetic Stimulation of Olfactory Neurons. J. Vis. Exp. (133), e57353, doi:10.3791/57353 (2018).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

היכולת של חרקים כדי לנווט כלפי מקורות ריח מבוסס על הפעילות של הנוירונים שלהם קולטני ריח מסדר ראשון (ORNs). בעוד כמות ניכרת של מידע נוצרה בנוגע ולהתמכר התגובות odorants, תפקיד ספציפי ORNs נהיגה תגובות התנהגותיות נשאר ממעטים להבין. להתעורר סיבוכים בניתוח התנהגות עקב volatilities שונים של odorants להפעיל ORNs בודדים, ORNs מרובים מופעל על ידי יחיד odorants, ואת הקושי באופן טבעי שנצפה טמפורלית בווריאציות גירויים חוש הריח באמצעות שכפול שיטות קונבנציונאלי ריח-מסירה במעבדה. כאן, אנו מתארים את פרוטוקול מנתח התנהגות זחל דרוזופילה בתגובה optogenetic בו זמנית גירוי של ORNs שלה. הטכנולוגיה optogenetic המשמש כאן מאפשר ירידה לפרטים של הפעלת ולהתמכר שליטה מדויקת של דפוסי הטמפורלי של הפעלת ולהתמכר. תנועת הזחל המתאימה מתבצע מעקב אחר רשמה דיגיטלית, נותחה באמצעות כתב תוכנה מותאמת אישית. על-ידי החלפת ריח גירויים גירויים קלים, שיטה זו מאפשרת שליטה מדויקת יותר של הפעלת ולהתמכר בודדים ללימוד השפעתה על התנהגות זחל. השיטה שלנו יכול ניתן להרחיב הלאה לחקור את ההשפעה של נוירונים מסדר שני הקרנה (מערכת העצבים ההיקפית) כמו גם המקומי נוירונים (ההגירה) על התנהגות זחל. שיטה זו ובכך יאפשר ניתוח מקיף של פונקציה מעגל חוש הריח, המשלים מחקרים על פעילויות נוירון איך הריח לתרגם להתנהגות תגובות.

Introduction

חוש הריח מידע בסביבה של זחל דרוזופילה הוא חש מאת רק 21 ORNs נפרדים פונקציונלית, הפעילויות אשר בסופו של דבר לקבוע את התנהגות זחל1,2,3,4. ובכל זאת, יחסית מעט מאוד ידוע על ההיגיון שלפיו מקודד מידע חושי בפעילויות של אלה ORNs 21. לכן יש צורך למדוד השפעול תרומות פונקציונלי של כל ולהתמכר זחל להתנהגות.

למרות הפרופיל תגובה חושית של רפרטואר שלם של ORNs הזחל דרוזופילה נחקרה פרט1,4,5, התרומות של בודדים ORNs המעגל חוש הריח, ובכך התנהגות ניווט נשאר ברובו לא ידוע. קשיים במחקרים התנהגות זחל, עולות עד כה, עקב חוסר יכולת להפעיל במרחב של חנותם ORNs יחיד. פאנל של odorants במיוחד להפעיל 19 של דרוזופילה 21 הזחל ORNs היה תיאר לאחרונה1. כל odorant בחלונית ', בריכוזים נמוכים, מעורר תגובה פיזיולוגית בלבד ולהתמכר cognate שלה. עם זאת, בריכוזים גבוהים המשמשים בדרך כלל עבור מבחני התנהגות המקובלת, כל odorant מעורר תגובות פיזיולוגיות מרובים ORNs1,5,6. עוד יותר, odorants בחלונית זו יש מגוון volatilities זה יסבך את הפרשנות של לימודי התנהגות תלויים היווצרות ריח יציב מעברי צבע7,8. לבסוף, באופן טבעי המתרחשים גירויים ריח יש רכיב טמפורלית שקשה לשחזר בתנאי מעבדה. לכן חשוב לפתח שיטה שיכול למדוד התנהגות זחל כאשר בו זמנית הפעלתי ORNs בודדים באופן מרחבי טמפורלית.

. הנה, נדגים שיטה בעלת יתרונות על פני מעקב זחל שתואר לעיל מבחני1,8. וזמינותו מעקב המתוארים Gershow. et al. משתמש שסתומים מבוקר אלקטרונית כדי לשמור על מעבר צבע יציב של ריח ארנה התנהגות8. עם זאת, בשל רמת מעורב לבנות הגדרת גירוי ריח מורכבים הנדסה, שיטה זו קשה לשכפל במעבדות אחרות. יתרה מזאת, הנושאים הקשורים לשימוש odorants להפעלת במיוחד ORNs יחיד נותרו בלתי פתורות. וזמינותו מעקב שמתואר מתיו. ואח משתמש במערכת המסירה ריח פשוט יותר, אך מעבר הצבע ריח וכתוצאה מכך תלויה התנודתיות של מבחן odorant יציב עבור משך זמן של assay1. לפיכך, על-ידי החלפת ריח גירויים גירויים קלים, השיטה שלנו יש את היתרונות של ירידה לפרטים, שליטה מדויקת הטמפורלי של הפעלת ולהתמכר ואינה תלויה היווצרות ריח מעברי צבע בעלי חוזק שונה.

השיטה שלנו היא קל להגדיר, והוא מתאים מהחוקרים המעוניינים מדידה היבטים של ניווט זחל דרוזופילה . טכניקה זו יכולה להתאים למערכות אחרות דגם ובלבד החוקר הוא מסוגל לנהוג הביטוי של CsChrimson ב neuron(s) של המערכת האהוב שלהם להתמקד. CsChrimson היא גרסה אדום-העביר של אופסין # רודופסין ערוץ. . זה הופעל באורכי גל כי הם בלתי נראים למערכת phototaxis של הזחל . אנחנו ולכן יכולים לתמרן את פעילות הנוירונים עם ירידה לפרטים, אמינות וצריכת הפארמצבטית9... על-ידי שינוי המנהג לכתוב תוכנה לקחת בחשבון שינויים בגודל של הנושאים, שיטה זו יכול בקלות להיות מותאם עבור הזחלים סריקה של מינים חרקים אחרים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. בנייה של ארנה התנהגות והכנת חומרה כדי לאפשר Optogenetic גירוי בזירה התנהגות

  1. כדי לבנות של ארנה התנהגות הפרעות-אור, לבנות תיבה עם ממד של 89 x 61 x 66 ס מ3 (35" L x 24" W x 26" H) עשוי פלקסיגלס בצבע שחור גליונות אקרילי (בעובי 3 מ מ) (ראה טבלה של חומרים). חומרים כדי לבנות תיבה כזו צריכה להיות זמינה בחנויות חומרה מקומיים. מקם תיבה זו על גבי שולחן בחדר התנהגות (איור 1א').
  2. מאונט מצלמה USB 3.0 CCD בשחור-לבן מצויד של IR לונג-830 ננומטר מסנן של העדשה F1.4 C-mount של 8 מ מ (ראה טבלה של חומרים) ממרכז התקרה של הקופסה השחורה. המקום LED אינפרא אדום שתי רצועות (ראה טבלה של חומרים) על השולחן-על מנת להאיר את הזחלים בזירה כהה (איור 1א').
  3. כדי לבנות את פלטפורמת LED, להשיג 22 ס"מ × 22 ס"מ מרובע אלומיניום צלחת (עדיף בספריי עם גימור שחור מט לחסל כל השתקפויות). במרכז הצלחת, שימוש בחותך מתכת, לחתוך חור גדול מספיק כדי להתאים סביב מצלמת CCD.
  4. מכסים את לוחית המתכת עם אדום נורות LED (ראה טבלה של חומרים). הלחמה חוטים רצועת אור LED בסדרה ולהאכיל את החוטים רצועת לתוך ממסר optocoupler נשלט על ידי מיקרו מעבד 2B פאי פטל (ראה טבלה של חומרים) (איור 1B ו- 2).
  5. להתקין ולקבוע את תצורת מערכת ההפעלה אובונטו חבר/Raspian ג'סי \ לינוקס מבוסס על מעבד פאי פטל לפני התחברות השליחים optocoupler רצועות LED. לצרף ספק כוח לשלטון את רצועות LED, את optocoupler (איור 2) (ראה טבלה של חומרים). הר פלטפורמת LED מסביב למצלמה CCD (איור 1B).
    הערה: מערכת ההפעלה אובונטו חבר v16.04 זמינה בחופשיות. קבוצת פקודות פיתון מבוסס פשוטות ניתן בקלות להתאים לתבניות תוכנית של גירויים אור LED (ראה קובץ של תחביר).
  6. ודא irradiance הומוגנית בנקודות שונות בזירה התנהגות. למדוד את irradiance מוחלט על פני השטח של הזירה בעזרת ספקטרומטר וקבע שזה יהיה ~1.3 W/m2 לאורך כל השטח של הזירה.
    הערה: בעוצמה זו, ללא שינויים משמעותיים נצפו הטמפרטורה במהלך הניסויים. המחקר עוד10 בקרינה גבוהה יותר של ~1.9 W/m2 והוא ציין אין שינויי טמפרטורה במהלך הניסויים.

2. הכנה של הזחלים דרוזופילה ניתוח התנהגות

  1. לשמור על הזבובים על תקן מזון לעוף (ראה טבלה של חומרים) 25 ° C, 50-60% לחות יחסית, ואת מחזור/כהה 12 h/12 שעות.
  2. על מנת להביע את CsChrimson עם זוג יחיד ORNs, לחצות נקבות בתולה משורת UAS-עירויים-CsChrimson זכרים מ קו OrX-Gal4 ('X' מקביל אחד של קולטן ריח זחל 21 (או) הגנים באים לידי ביטוי באופן ייחודי בכל אחד 21 זוגות של ORNs)9,11.
    1. . לסירוגין, כדי להביע את CsChrimson של כל ORNs הזחל 21, צלב נקבות בתולה מן UAS-עירויים-CsChrimson קו זכרים מ קו Orco-Gal4 ('Orco' הוא הקולטן שיתוף מתבטאת כל ORNs 21).
    2. להשתמש UAS-עירויים-CsChrimson קו בפני עצמו כפקד בניסויים אלה.
      הערה: המניות לטוס המפורטים להלן הינם כולם זמינים במרכז בלומינגטון דרוזופילה מניות (ראה טבלה של חומרים).
  3. ברגע זבובים זכרים ונקבות צלב מותרים להזדווג ולהטיל ביצים במשך 48 שעות, העברה מבוגרים בקבוקון טריים.
    1. אל פני השטח של הבקבוקון מזון המכילים ביצים, להוסיף µL 400 של תערובת המכילה 400 מיקרומטר כל טרנס רשתית (ATR) מומס דימתיל סולפוקסיד (דימתיל סולפוקסיד) וסוכרוז 89 מ מ מומס במים מזוקקים.
      הערה: כמות קטנה של סוכרוז מקדם האכלה זחל של הפתרון ATR. ATR היא קופקטור הדרושים עבור upregulating קולטני CsChrimson ביטוי9,10. ATR הוא רגיש אור.
    2. ברגע ATR מתווסף הבקבוקונים מזון המכילים ביצים, דגירה הבקבוקונים בחושך h 72 נוספים.
      הערה: כאשר מחקר זה ומחקרים שני הנ ל יש לא נצפו השפעות על התנהגות זחל עקב ATR האכלה, היא מומלצת שליטה על ההשפעות של ATR האכלה במינים בדיקת קווים על אותה כמות של התערובת הנ ל שאינו מכיל ATR.
  4. לחלץ הזחלים השלישי-לחלל (h ~ 120 אחרי הנחת הביצה) מפני השטח של אוכל לעוף על-ידי צף אותם באמצעות פתרון סוכרוז צפיפות גבוהה (15%). שימוש של P1000 micropipette להפריד את הזחלים צף על פני השטח של הפתרון סוכרוז לתוך גביע זכוכית 1000 מ.
  5. לשטוף את הזחלים 3 – 4 פעמים על ידי החלפת טריים 800 מ ל מים מזוקקים במיכל זכוכית בכל פעם. לאפשר הזחלים לנוח 10 דקות לפני העמדת אותם וזמינותו התנהגות.

3. התנהגות Assay

  1. לשמור על טמפרטורה עקבית (בין 22 – 25 ° C) ולחות (בין 50 ל 60% RH) בחדר התנהגות.
  2. הכן זחל בינוני סריקה על ידי שפיכת 150 מ ל agarose נמס (1.5%) למרובע 22 ס"מ, 22 ס"מ פטרי. צלחת פטרי אחת ויוצקים על כל ניסיון של וזמינותו, 8-10 ניסויים לכל ניסוי. לאפשר agarose לחזק להתקרר למשך 1-2 ש ח בחודש צלחות פטרי לפני השימוש בהם התנהגות וזמינותו.
    1. העברה לא יותר מ 20 הזחל השלישית-לחלל שומר. על פרופיל מרכז של פטרי (איור 1C). מכסים את צלחת פטרי עם המכסה. הצב הפטרי בזירה התנהגות תחת מצלמת CCD.
      הערה: בהתאם הניסוי, מבחני התנהגות בדרך כלל מתבצעות למשך 3-5 דקות. אם odorant משמש וזמינותו לספק הדרכה רמזים, זה נצפתה כי מעבר הצבע ריח וכתוצאה מכך נשאר יציב במשך כ 5 דקות1. עוד פעמים assay אינם מומלצים. לא נצפו השפעות מזיקות על הזחלים עקב התייבשות או מחשיפה ממושכת 630 ננומטר האורות האדומים בתוך נקודות זמן אלה.
  3. להפוך ON 850 ננומטר אינפרא אדום מקור אור LED להמחיש הזחלים וידאו. הפעל את מצלמת CCD להקליט תנועת הזחל.
  4. באמצעות התוכנה המשויכים המעבד פאי פטל, תוכנית ההליך לניהול תבניות המתאימות של גירוי אור אדום.
    הערה: קבוצת פקודות פיתון מבוסס פשוטות ניתן בקלות להתאים לתבניות תוכנית של גירויים אור LED (ראה קובץ של תחביר).

4. עיבוד נתונים וניתוח

  1. לייבא את הווידאו המוקלט בכל ניסוי כל תוכנה תכנות זמינים כמו Matlab.
  2. לקבל קואורדינטות XY של כל זחל בסרט כפונקציה של הזמן. בהתבסס על הגבולות של תוכנת מעקב, 15-20 ג'-לחלל הזחלים ניתן לעקוב ב1,יברמה8.
    הערה: מערכת פשוטה קודים Matlab ('Tracklarva') כי ניתן להתאים בקלות בהתאם לתנאים המתאימים (ראה קובץ של תחביר) מסופק. תוכנית זו משלבת את כל המבחנים בניסוי והתפוקות של קואורדינטות XY של זחל בכל משך כל זמן וזמינותו (ראה לתחביר קוד להלן). לסירוגין, אחד יכול להשתמש במספר תוכניות מבוססות קוד פתוח זמינים לכול לחוקרים. למשל JAABA (http://jaaba.sourceforge.net/)12.
  3. השתמש את קואורדינטות XY שנוצר כדי להתוות מסלולים זחל נוספת לנתח ומכניקה זחל.
    1. ניתוח התנהגות, להשתמש הסטטיסטיקה ניווט כגון מהירות, עקמומיות נתיב, זווית כותרת, כדי לחלק מסלולים זחל בודדים לתוך לסירוגין רצפים של פועל, והופך.
    2. מסלולים מוגדרים תקופות מתמשך של תנועה קדימה. תורים נפרדים עוקבות. מסתבר מסומנות בדגל כאשר שינויים מסלול כיוון זוויות היו > 45 מעלות (ראה קובץ של תחביר).
  4. חישוב ממוצע הערכים עבור מהירות ריצה, ריצה באורך, כיוון הריצה ופרמטרים אחרים כנדרש.
    הערה: ערכה של תחביר פשוט לחלץ 'פועל' ואת 'עוצר' מ מסלולים זחל מסופק (ראה קובץ של תחביר). פשוט Matlab או Excel פונקציות בסיס ניתן ליישם את הנתונים שחולצו להפעלת לחשב ערכים עבור 'מהירות ריצה', ' אורך ' ועוד.
  5. לייצג את הנתונים עבור כל מדד התנהגותית אומר ± ב- SEM...

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כדי להדגים יחודיות של הפעלת ולהתמכר, השיטה שלנו הוחלה בהצלחה כדי לקבוע את ההשפעה של שני ולהתמכר שונים (ORN::7a & ORN::42a) הפעלה (ORNs או Or7a או Or42a) על התנהגות זחל (איור 3). בקנה אחד עם מחקרים שנעשו לאחרונה אדם הזה ORNs הזחל הם נפרדים פונקציונלית1,10,13, הנתונים הנציגה שלנו מדגים כאשר ORN::7a לבטא CsChrimson היה מגורה על ידי אור, שהיה שם ירידה משמעותית באורך ריצה ביחס לבעלי שליטה. לעומת זאת, כאשר ORN::42a לבטא CsChrimson היה מגורה על ידי אור, היה גידול משמעותי ריצה באורך בהשוואה לבעלי שליטה (איור 3). הנתונים קולקטיבית ניתח מ ~ 100-120 מסלולים זחל, התקבלו (n = 8) ניסויים שבוצעו עבור כל גנוטיפ. קווי השגיאה מייצגים ב- SEM. בעוד אנו מתארים רק פרמטר יחיד התנהגות (אורך הריצה) כאן, אנחנו מתבקשים לשים לב כי כל רצועה זחל ניתן לנתח נוספת לחישוב פרמטרים עבור מהירות, עקמומיות נתיב, הגוף מתכופף1,8,13, 14,15. פרמטרים נוספים הקשורים כיוון כגון כותרת זווית, להפעיל את אורך לפעול במהירות לכיוון, הרחק ריחות ניתן להשיג אם מקור ריח מסופק על צד אחד של ארנה1,8,13.

כדי להפגין היכולת של השיטה שלנו לשנות את דפוסי הטמפורלי של הפעלת ולהתמכר, אנחנו מגוונים שלנו גירוי למעבר בין ולכבות את האורות. אנחנו חשופים הזחלים לבטא UAS -CsChrimson ב ORN::42a כדי שלושה דפוסים שונים הטמפורלי של גירויים קלים במהלך התקופה על אורות (0.04 הרץ, 1 הרץ ו קבוע). ואז מדדנו שינויים ההתנהגותיים שקורים בשלב ON OFF ← אורות ובמהלך אורות על ← OFF שלב. מצאנו כי עבור ORN::42a, דפוסים שונים הטמפורלי של גירוי אור elicited תגובות התנהגותיות שונות (איור 4). שינויים כאלה לא נצפתה הזחלים שליטה המבטאים לא UAS-CsChrimson , כל ORNs. אלה תוצאות המדגישות החשיבות של הבנת דפוסי איך הטמפורלי של הפעלת ולהתמכר לתרום התנהגות בעלי חיים.

Figure 1
איור 1 : התנהגות ארנה והמדיום הסריקה זחל. (א) מבט על הזירה קופסה שחורה התנהגות חזיתי. לפתוח את הדלת של הזירה מגלה מצלמת CCD תלויה מהתקרה של התיבה. (B) התצוגה התחתונה של פלטפורמה מתכת המכיל אדום LED אור רצועות משמש optogenetic stimulations נטענה מסביב למצלמה CCD. (ג) Top view של המדיום הסריקה זחל בשימוש וזמינותו. לפני תחילת הקלטה תנועת הזחל, ~ 20 הזחלים שטף הונחו לאורך מרכז 22 ס"מ x 22 ס"מ פטרי שכבתית עם 1.5% agarose. הפטרי המכיל הזחלים ממוקמת במרכז הזירה מתחת למצלמה CCD, בין שתי אינפרא אדום LED אור רצועות המשמשים כמקור אור למצלמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 : הגדרת Optogenetics. אינפוגרפיקה מציג את סידור אלקטרוני עבור ההתקנה optogenetics. בקצרה, נורית אור (630 ננומטר) רצועות מחוברים בסדרת, חוטי החשמל היוצאים הרצועות ניזונים לתוך optocoupler מחובר מיקרו 2B מעבד פאי פטל. את רצועות אור LED והן את optocoupler מופעל על ידי ספק כוח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 : ההשפעה של הפעלת האור של ORNs בודדים על התנהגות זחל. ריצה אורך הזחלים לבטא CsChrimson ORN::7a, ORN::42a הושפעו באופן שונה לעומת שליטה הזחלים על הפעלת האור. כל עמודה מייצגת SEM ± RI ממוצע (n = 8). ריצה אורך הזחלים כאשר הופעל ORN::7a היה נמוך משמעותית מאשר שליטה. ריצה אורך הזחלים כאשר הופעל ORN::42a היה גבוה משמעותית מאשר שליטה. העמודות מייצגות SEM זאת אומרת ± (n = 8, מבחן t התלמיד; "*" הוא p < 0.05, "* *" הוא p < 0.001). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 : ההשפעה של דפוסים שונים הטמפורלי של הפעלת ולהתמכר להתנהגות זחל. (א) שלושה דפוסי הטמפורלי של גירויים להשתמש לשם הפעלת ORNs. ת: גירוי קבוע 1 דקות אור במהלך, גירוי ב': 0.04 הרץ אור גירוי, גירוי c: 1 הרץ גירוי אור LED על תקופה בדקה 2. (B) הזחלים היו נתונים לתבניות שונות שלושה של גירויים קלים שמתואר א כל נקודה מייצגת את השינוי בהתנהגות זחל, תחת כל תבנית של גירויים קלים, בעת הפעלת האור הוא החליף מ ON OFF. שינוי 'הפעל אורך' (באב לרוץ אורך (OFF) - באב לרוץ אורך (על)) מותווה בציר ה-x. שינוי 'לפעול במהירות' (באב לפעול במהירות (OFF) - באב לפעול במהירות (ב)) מותווה בציר ה-y. הגרף השמאלי (נקודות אפור) מייצג את המידות של שליטה הזחלים ומייצג הגרף נכון (נקודות אדומות) מדידות של הזחלים לבטא CsChrimson ב ORN::42a. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Final Code PDF
קובץ משלים של תחביר: מערכת פשוטה קודים Matlab ('Tracklarva') כי ניתן להתאים בקלות בהתאם תנאים נאותים. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

כאן, אנחנו תיאר שיטה המאפשרת לשקילת דרוזופילה התנהגות זחל בתגובה optogenetic בו זמנית ההפעלה של נוירונים חוש הריח. שתואר קודם לכן זחל מעקב אחר שיטות1,8 להשתמש בטכנולוגיה משלוח ריח שונה כדי להפעיל את ORNs. עם זאת, שיטות אלה לא יכולים לשלוט על ירידה לפרטים או דפוסי הטמפורלי של הפעלת ולהתמכר. השיטה שלנו גוברת על גירעונות אלה באמצעות גירויים קלים במקום ריח גירויים לשליטה מדויקת יותר של הפעלת ולהתמכר.

החומרים הדרושים כדי לבנות את הזירה התנהגות ניתן להשיג בקלות בחנות לחומרי בניין מקומיים ודורש מאמץ מינימלי באסיפה. האלקטרוניקה דרושים כדי להכין את המודול optogenetics הינם גם זמינים בקלות, נבנה. השיטה המתוארת כאן משתמש באור אדום להפעלת של אופסין # רודופסין אדום-העביר ערוץ (CsChrimson) לידי ביטוי נוירונים ספציפיים. ההתנהגות זחל הנוצרת בתגובה ההפעלה ולהתמכר המתאימים נרשם באמצעות מצלמת CCD ונמדד באמצעות תוכנות מותאמות אישית בכתב שסופק כאן. השיטה שלנו מאפשר לחוקרים לבקש תשובות לשאלות מספר שלא היו אפשריים בעבר: 1) מהי ההשפעה של גירוי חוש הריח אחר דפוסים על היכולת של החיה לנווט לעבר ריח? 2) דומה ON-מרכז ותאים גנגליון OFF-מרכז הרשתית בתרבית של16, האם יש ORNs להגיב באופן ספציפי ירידה גירויים חוש הריח בנוסף ORNs להגיב עלייה גירויים חוש הריח? לבסוף, השיטה שלנו מאפשרת מגוון רחב של יישומים עתידיים, כולל מדידת ההשפעה של נוירונים במורד הזרם במעגל חוש הריח (מערכת העצבים ההיקפית, סוכנות ההגירה) לניווט זחל.

אמנם ישנם מספר יתרונות לשיטה שלנו, אנו להכיר את מגבלות מסוימות. לא ברור אם ריכוז תופעות שנצפו עם odorants ניתן בקלות לשכפל באמצעות מערכת זו. בזמן ההתקנה הנוכחית שלנו אינו מאפשר זאת, המודול optogenetics יכול להיות בקלות שונה כדי להתאים עליות או ירידות עוצמת הגירוי אור. בעתיד, נבדוק כדי לראות אם שינוי עוצמת גירוי אור מחקה תופעות ריכוז של odorants. שיטות גנטיות פשוטות לעוף ניתן לבטא CsChrimson או כל 21 זוגות של ORNs (באמצעות Orco-Gal4) או בכל זוג יחיד של ORNs (באמצעות בודדים או-Gal4s). עם זאת, גנטיקה מורכבות יידרשו אקספרס CsChrimson ב ' 1 < n < 21' נוירונים. בגלל זה, זה יהיה קשה לשכפל את ההשפעות נצפתה עם ריח תערובות איפה רכיבים בודדים של התערובת להפיק תגובות ולהתמכר אחד או יותר. אף-על-פי התנהגות ניווט זחל נחשבת התנהגות מימדי נמוכה, אנו להכיר כי תוכנית מעקב זחל שלנו יכולים עוד יותר להשתפר בעתיד על ידי בהתחשב נוספים מתארי התנהגותי מבוסס על בעלי חיים יציבה (למשל הסתברות של הראש הופך, גוף עיקולים וכו)8,17. המחקר שלנו הוגבל הסדר הראשון החישה הניריונים, הזחל. חקירה נוספת נדרשת לפני השיטה שלנו יכול להיות מיושם השני הזמנת הקרנה נוירונים, נוירונים המקומי המוטבעות באזור האונה במוח של המוח18.

לסיכום, שיטת שלנו מציע את היכולת לנתח את הפונקציה של כל ולהתמכר במעגל חוש הריח פשוט, צייתן של הזחל דרוזופילה . בעשותם כך, השיטה שלנו תאפשר פיתוח מודלים חישובית מדויקת יותר לתאר איך הריח אותות מתורגמות פלטי התנהגותיות שונות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי אתחול בכספי האוניברסיטה של נבאדה, רינו ועל ידי NIGMS של המכון הלאומי לבריאות תחת גרנט מספר P20 GM103650.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Video camera to capture larval movement
CCD Camera  Edmund Optics 106215
M52 to M55 Filter Thread Adapter Edmund Optics 59-446
2" Square Threaded Filter Holder for Imaging Lenses  Edmund Optics 59-445
RG-715, 2" Sq. Longpass Filter Edmund Optics 46-066
Electronics for optogenetic setup
Raspberry Pi 2B RASPBERRY-PI.org RPI2-MODB-V1.2
3 Channel programmable power supply newegg.com 9SIA3C62037092
8 Channel optocoupler relay amazon.com 6454319
630nm Quad-row LED strip lights environmentallights.com red3528-450-reel
850nm LED strips environmentallights.com wp-4000K-CC5050-60x2-kit
Software 
Matlab Mathworks Inc.
Ubuntu MATE v16.04 Nubuntu https://github.com/yslo/nubuntu
Other items
Plexiglass black acrylic Home Depot MC1184848bl
Fly food and other reagents
Nutrifly fly food Genesee Scientific 66-112
Agarose powder Genesee Scientific 20-102
22cm X 22cm square petri-dish VWR Inc. 25382-327
DMSO Sigma-Aldrich D2650
Sucrose Sigma-Aldrich 84097
All trans-retinal Sigma-Aldrich R2500
Flies
UAS-IVS-CsChrimson  Bloomington Drosophila Stock Center 55134
Orco-Gal4 Bloomington Drosophila Stock Center 26818
Or42a-Gal4 Bloomington Drosophila Stock Center 9970
Or7a-Gal4 Bloomington Drosophila Stock Center 23907

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mathew, D., et al. Functional diversity among sensory receptors in a Drosophila olfactory circuit. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, 2134-2143 (2013).
  2. Ramaekers, A., et al. Glomerular maps without cellular redundancy at successive levels of the Drosophila larval olfactory circuit. Current biology : CB. 15, 982-992 (2005).
  3. Couto, A., Alenius, M., Dickson, B. Molecular, anatomical, and functional organization of the Drosophila olfactory system. Current biology : CB. 15, 1535-1547 (2005).
  4. Kreher, S. A., Kwon, J. Y., Carlson, J. R. The molecular basis of odor coding in the Drosophila larva. Neuron. 46, 445-456 (2005).
  5. Kreher, S. A., Mathew, D., Kim, J., Carlson, J. R. Translation of sensory input into behavioral output via an olfactory system. Neuron. 59, 110-124 (2008).
  6. Hallem, E. A., Carlson, J. R. Coding of odors by a receptor repertoire. Cell. 125, 143-160 (2006).
  7. Monte, P., et al. Characterization of the larval olfactory response in Drosophila and its genetic basis. Behav Genet. 19, 267-283 (1989).
  8. Gershow, M., et al. Controlling airborne cues to study small animal navigation. Nature methods. 9, 290-296 (2012).
  9. Klapoetke, N. C., et al. Independent optical excitation of distinct neural populations. Nature methods. 11, 338-346 (2014).
  10. Hernandez-Nunez, L., et al. Reverse-correlation analysis of navigation dynamics in Drosophila larva using optogenetics. eLife. 4, (2015).
  11. Brand, A. H., Perrimon, N. Targeted gene expression as a means of altering cell fates and generating dominant phenotypes. Development. 118, 401-415 (1993).
  12. Kabra, M., Robie, A. A., Rivera-Alba, M., Branson, S., Branson, K. JAABA: interactive machine learning for automatic annotation of animal behavior. Nature methods. 10, 64-67 (2013).
  13. Newquist, G., Novenschi, A., Kohler, D., Mathew, D. Differential contributions of Olfactory Receptor Neurons in a Drosophila olfactory circuit. eNeuro. 3, (2016).
  14. Schulze, A., et al. Dynamical feature extraction at the sensory periphery guides chemotaxis. eLife. 4, (2015).
  15. Tastekin, I., et al. Role of the Subesophageal Zone in Sensorimotor Control of Orientation in Drosophila Larva. Current Biology. 25, 1448-1460 (2015).
  16. Famiglietti, E. V., Kolb, H. Structural basis for ON-and OFF-center responses in retinal ganglion cells. Science. 194, 193-195 (1976).
  17. Luo, L., et al. Bidirectional thermotaxis in Caenorhabditis elegans is mediated by distinct sensorimotor strategies driven by the AFD thermosensory neurons. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111, 2776-2781 (2014).
  18. Berck, M. E., et al. The wiring diagram of a glomerular olfactory system. eLife. 5, (2016).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics