Operanten Lernens von Drosophila an der Torque Meter

Hallo, mein Name ist Bian Brims. Ich bin Neurobiologe und arbeite an der Freien Universität Berlin in Deutschland. Heute zeige ich Ihnen, wie wir Fruchtfliegen Drosophila darauf vorbereiten, Farben oder Muster oder ihr eigenes Verhalten oder eine Kombination der drei Fruchtfliegen zu lernen, aber sie sind wahrscheinlich nicht so schlau wie andere Tiere, also müssen wir wirklich nett zu ihnen sein und sie gut behandeln.

Zwei der wichtigsten Faktoren beim Erlernen von Fruchtfliegen sind ihr Alter und ihre Ernährung. Jetzt zeige ich Ihnen unser spezielles Fliegenzuchtprogramm. Um die Fliegen in Szene zu setzen, müssen wir also jeden Tag neue Fliegen auf das Futter setzen, auf das neue Futter.

Das sind jetzt also 10 Tage Fliegen, wobei die jüngsten Fliegen, die gerade als Eier abgelegt werden, auf die erste in das erste Fläschchen und die ältesten, gerade frisch geschlüpften Fliegen in das letzte Fläschchen kommen. Das erste, was du tust, ist, dass du alle Fliegen, die auf diese Weise aus den Fläschchen geschlüpft sind, entfernst. Es gibt keine Fliegen mehr in diesem, in diesem Satz von Fläschchen, und morgen wird jede neue Fliege, die ihr da drin habt, genau zwischen null und 24 Stunden alt sein.

So kontrollieren wir also das Alter unserer Fliegen. Jetzt müssen wir die Dichte der Fliege kontrollieren, damit jede Fliege eine ausreichende Versorgung mit Nahrung erhält. Um dies zu tun, werfen wir zunächst die Fliegen aus, die über Nacht Eier gelegt haben, und bereiten ein neues Fläschchen mit vier Tage alten Fliegen vor, die etwa 20 weibliche Fliegen enthalten.

Dies ist die Dichte, bei der dieser spezielle Stamm zumindest genug, aber nicht zu viele Nachkommen produziert, so dass es nicht zu viel Konkurrenz um Nahrung im Fläschchen gibt und die Nachkommen dieser Fliegen gut lernen. Zuerst brauchen wir eine Möglichkeit, die Fliegen an unserem Messgerät, dem Drehmomentmesser, zu befestigen. Dazu kleben wir die Fliegen auf kleine dreieckige Kupferhaken und greifen dann mit einer Klemme nach den Haken, die wir in den Drehmomentmesser stecken.

Und so stellen wir diese Hooks her. Wir wickeln einfach einen Kupferfaden, einen Kupferdraht um ein kleines dreieckiges Werkzeug, und dann schneiden wir einfach eine Seite des Drahtes ab und was am Ende herausfällt, sind kleine Kupferhaken, wie Sie sehen können. Nun nehmen wir einen dieser Haken und stecken ihn dann in eine Klemme, die an Mikromanipulatoren befestigt ist.

Wir geben etwas Kleber auf die Spitze des Hakens, genau hier, nur ein kleines Stück, und dann platzieren wir den Haken in der Klemme direkt unter dem Stereomikroskop. Also versuchen wir, so wenig weibliche Fliegen wie möglich zu isolieren. Wir verwenden weibliche Fliegen, weil sie größer sind als männliche Fliegen, nicht wegen einer geschlechtsspezifischen Voreingenommenheit.

Männliche Fliegen lernen genauso gut wie weibliche Fliegen, und wir betäuben sie auch so kurz wie möglich, also so leicht wie eine Anthese wie möglich, so leicht, wie eine Anästhesie wie möglich, und für so kurze Zeit wie möglich, positionieren wir eine weibliche Fliege unter dem Haken und entsorgen die restlichen Fliegen, damit die Fliege ruhig bleibt. Und mit der Rückenseite nach oben wiegen wir die Fliege leicht, bis sie perfekt ausgerichtet ist, und positionieren dann den Haken mit den Mikromanipulatoren genau auf der Fliege, genau zwischen Kopf und Thorax. Jetzt senken wir den Haken ab, bis der Leimtropfen Kontakt mit der Fliege hat, und dann härten wir den Kleber schnell mit der UV-Lampe aus und um die Zeit unter Kältenarkose zu minimieren, heben wir ihn sofort von der kalten Fledermaus.

Noch ein paar Sekunden Aushärtung und die Fliege sollte erwachen. Und wenn wir jetzt die Fliege blasen, werden wir sehen, dass sie sehr schön fliegt. Also nehmen wir die Fliege und geben sie in einen kleinen Behälter mit Filterpapier und Saccharose.

Wenige Körner Saccharose, damit die Fliegen die Nacht überleben können, müssen wir ihnen Wasser zur Verfügung stellen. Und dafür decken wir das Fläschchen ab, platzieren es in der Mitte, das Schwungrad, und öffnen es nur ein wenig. Und jetzt haben sie Filterpapier, das feucht ist, und Saccharose, damit sie Futter und Wasser für die Nacht haben, damit wir morgen für das Experiment bereit sind.

Hinter mir seht ihr den Aufbau, den wir für unsere Experimente verwenden. Das Kernstück ist der Drehmomentausgleich, den Sie hier sehen können, das zylindrische Objekt, und die Fliege setzen wir später ganz unten unter den Kompensator. Sie sehen, was wir verwenden, um eine Umgebung für die Fliege zu generieren.

Er besteht aus dieser Blackbox mit einer Arena darin, und die Blackbox ist von Lichtleitern umgeben, die das Licht von der Lichtquelle hier durchlassen, um die Arena von hinten zu beleuchten. Die Daten, die wir mit dem Drehmomentausgleich erfassen, gehen über ein paar Elektroniken in den Computer, wo sie gespeichert werden. Aber neben der Speicherung der Daten aus dem Verhalten der Fliege steuert der Computer eine Vielzahl anderer Instrumente.

Einer davon ist, zum Beispiel hier, ein Satz Filter, mit dem wir sterben können, die Umgebung der Fliege, entweder grün oder blau, zum Beispiel. Ein weiteres Gerät ist ein Elektromotor, der die Arena, wie man hier sehen kann, so dreht, dass die Fliege den Eindruck bekommt, dass sie tatsächlich in einer Art Flugsimulator-Situation fliegt. Dies können Sie zum Beispiel mit unterschiedlichen visuellen Mustern wie diesen aufrechten und umgekehrten ts tun.

Ein drittes Gerät ist ein Laser, der sich hier befindet. Es handelt sich um einen ziemlich schwachen Infrarot-Laser, mit dem wir die Fliege erhitzen können, was ein versiver Reiz ist. Okay, hier sind also die Fliegen.

Jetzt nehmen wir einfach eine heraus, ziehen sie am Haken und holen sie dann die Klemme. Platzieren Sie die Fliege so symmetrisch wie möglich in der Klemme, so dass sie mittig ist und der Körperwinkel der Fliege etwa 30 bis 40 Grad beträgt. Stellen Sie einfach sicher, dass alles korrekt funktioniert.

Natürlich wird in diesem Raum in der Regel das Licht ausgehen und es wird dunkel sein, damit es keine störenden Reize für die Fliege gibt. Aber für diese Demonstration lassen wir das weg, damit Sie die Details des Experiments sehen können. Nun lassen wir den Flyer in die Umgebung, in die Arena, öffnen den Sicherheitsriegel.

Jetzt müssen wir also den Yar der Fliege anpassen. Es ist unmöglich, es genau in der Mitte des Messgerätes zu platzieren, so dass der Geradflug für die Fliege auch in unserem Messgerät ein Geradflug ist. Um dieses wahrscheinliche Problem zu kompensieren, drehen wir die Arena mit einer bestimmten Geschwindigkeit um die Fliege, um eine Drehbewegung, eine automobile Reaktion, hervorzurufen, und machen diese maximale automobile Reaktion links und rechts, wobei wir die Kurve Null symmetrisch machen, so dass genau die Mitte zwischen diesen beiden maximalen automobilen Reaktionen dem Geradeausfliegen entspricht.

Die letzte verbleibende Aufgabe, bevor wir mit unserem Experiment beginnen können, besteht also darin, die Bestrafung anzupassen, den Laser, mit dem wir die Fliegen erhitzen. Dafür verwende ich ein kleines Stück Infrarotfilter, der gerade so viel Wärme filtert, dass die Fliege nicht wirklich viel davon spürt, ich sie aber trotzdem auf meinem Monitor hier sehen kann. Ich habe also eine kleine Kamera, eine Infrarotkamera, die die Fliege überwacht und mit der ich den Laser so einstellen kann, dass er auf den Kopf der Fliege fokussiert ist.

Und weil wir hier einen gestreiften Zylinder für die Reaktion auf die Automobilindustrie haben, ersetzen wir diesen durch den Bereich unserer Wahl. In diesem Fall eine leere Arena, die nur zu einer komplett weißen Umgebung für die Fliege führt. Sie können sehen, dass die Umgebung für die Fliege komplett weiß ist.

Es gibt keine andere Stimulation. Da es sehr geschlossen ist, gibt es im Grunde genommen keine olfaktorische Stimulation. Es gibt nur sehr wenig andere Stimulation, die die Fliege wahrnehmen könnte.

Er fliegt stationär. Nichts ändert sich wirklich in der Umgebung der Fliege, aber dennoch erzeugt sie ein sehr variables Verhalten, das von Links- bis Rechtsdrehen, Drehen und Variabilität auch innerhalb dieser beiden Bereiche reicht. Okay, und jetzt zeige ich dir die Vielseitigkeit dieses Setups und wie du es zum Trainieren der Fliegen nutzen kannst.

Sobald sie im Simulator sind, ist eines der Dinge, die man tun kann, einfach jetzt, wo die Fliegen diese leere weiße Arena haben, jetzt kann man sagen, okay, wann immer man nach rechts abbiegt, werden wir euch heizen. Das ist etwas, das wir sehr einfach einrichten können. Wie Sie gesehen haben, bedeutet positive Hofsprache Hitze an, negative Hofsprache bedeutet zum Beispiel Hitze aus.

Darüber hinaus können wir den Fliegen helfen, indem wir ihnen zeigen, was richtig und was links ist, indem wir die Arena grün oder blau einfärben, wenn sie sich nach rechts oder links drehen. Das ist es, was wir hier jetzt tun. Jetzt dreht die Fliege also nach rechts, um deinen Tork zu drehen.

Wie ihr gesehen habt, hat sich die Farbe von Grün zu Blau geändert, aber jetzt dreht sie sich zurück. Jetzt siehst du also, dass die Fliege in der Un Yard Tork produziert, in diesem Fall im unbestraften Rechtsabbiegebereich, und sobald sie in den Strafbereich eintaucht, kommt die Hitze an und die Fliege bewegt sich sehr schnell von der Hitze weg. Wie Sie sehen können, moduliert er seinen Hoftork sehr schnell, um der Hitze zu entkommen.

Sobald es merkt, dass es heiß wird. Gleichzeitig wird es immer noch versuchen, Verhalten im vollen Bewegungsbereich zu erzeugen, was wir durch Erhitzen der Fliege verhindern. Das ist also ungefähr die Art und Weise, wie man den Fliegen beibringen kann, entweder Farben oder ihr Verhalten zu lernen, die links, rechts, drehend oder beides zusammen sind.

Traditionell wird dieses Setup jedoch seit etwa 15, 20 Jahren verwendet, um den Fliegen beizubringen, zwischen verschiedenen visuellen Mustern zu unterscheiden. Das können wir ganz einfach machen. Wir nehmen einfach den Farbfilter heraus, stoppen das Programm und ersetzen die Arena, die vorher leer war.

Nun, mit dieser Arena mit aufrechten und umgekehrten Ts, und dann müssen wir das Programm ändern und das Programm für dieses Musterlernen starten. Was Sie jetzt sehen können, ist, dass die Fliege, die hier in der Mitte die Spur ist, kontrolliert. Das ist die zweite Spur, die Kontrolle über die Position der Arena.

In diesen Histogrammen, die Sie hier sehen, sehen Sie die Zeit, die die Fliege mit der Fliege in Bezug auf die vier verschiedenen Muster verbringt. In Grün siehst du also die Muster, die später erhitzt werden und in Gelb die Muster, die nicht bestraft werden. Also in dieser Phase haben wir jetzt die Bestrafung eingeschaltet, und immer wenn diese Spur hier, die jetzt grün ist, im oberen und unteren oder im zentralen Bereich ist, wird die Fliege erhitzt.

Was Sie also sehen, ist, dass die Fliege, sobald sie in diese Bereiche gelangt, sich von ihnen entfernt. So ändert er die Flugrichtung weg von der Wärme. Man kann das auch wieder in den Histogrammen sehen, wo jetzt die bestraften Abschläge hier gezeigt werden, und dass, sobald der Flug hier reingeht, er bestraft wird und sich schnell von der Hitze wegbewegt, er versucht ab und zu, sich in Richtung des anderen Musters zu bewegen, bewegt sich aber sehr schnell in Richtung des unbeheizten Musters.

Das ist die traditionelle Art, wie die Menschen in den 1990er Jahren begonnen haben, Fliegen zu konditionieren, und das ist die Tradition, in der ich stehe. Der gesamte Aufbau wurde nicht von mir entwickelt, zum Teil von mir, sondern der größte Teil dieses Designs entstand in den 1960er Jahren in Guten bei Carl Guts, um dann in die Burg in das Labor von Martin Heisenberg und Reinhard Wolf zu ziehen. Diese beiden Leute waren vor allem diejenigen, die hinter der Entwicklung des Musterlernens in dieser Flugsimulator-Situation standen, die Sie gerade gesehen haben, ich habe meine Doktorarbeit bei Martin Heisenberg inwards book gemacht, und er war so freundlich, mir dieses Setup für meine Experimente hier in Berlin zu leihen.