Operanten Lernens von Drosophila an der Torque Meter

Published 6/16/2008
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Biology
 

Summary

Die Messung der Giermoment des angebundenen Drosophila mit dem Drehmoment-Meter ermöglicht die Neurowissenschaftler exquisite Kontrolle der Reizsituation des Versuchstieres. Zusammen mit dem einzigartigen genetischen Werkzeuge in der Fruchtfliege, ist dieses Paradigma für eine Vielzahl von neurobiologischen Forschung eingesetzt.

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Brembs, B. Operant Learning of Drosophila at the Torque Meter. J. Vis. Exp. (16), e731, doi:10.3791/731 (2008).

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Abstract

Für Experimente an der Drehmoment-Messgerät, fliegt auf Standard-fly Medium bei 25 ° C gehalten und 60% Luftfeuchtigkeit mit einem 12-Stunden light/12hr dunklen Regimes. Ein standardisiertes Zucht-Regime sichert korrekte Larven Dichte und gleichaltrigen Kohorten. Cold-narkotisierten Fliegen mit Kopf und Thorax, um ein Dreieck-förmigen Haken am Tag vor dem Experiment geklebt. An das Drehmoment Zähler über eine Klammer, die Fliege bestimmt Flugmanöver wie der Drehimpuls um seine vertikale Körperachse gemessen. Die Fliege ist in der Mitte eines zylindrischen Panorama platziert, um stationäre Flug zu erreichen. Ein Analog-Digital-Wandler-Karte speist die Giermoment-Signal in ein Computer, der die Spur speichert zur späteren Analyse. Der Rechner steuert auch eine Vielzahl von Reizen, die unter der Fliege Kontrolle durch das Schließen der Feedback-Schleife zwischen diesen Reizen und dem Giermoment Spur gebracht werden können. Die Strafe ist durch Anwendung von Wärme aus einem einstellbaren Infrarot-Laser erreicht.

Protocol

Fly Medium

Die Zusammensetzung der Nahrung zu fliegen ist entscheidend für das Lernen (Guo et al, 1996.)

  • Wasser 1000 ml
  • Maismehl 180 g
  • Sojabohnen 10 g
  • Hefe 18,5 g
  • Agar 7,5 g
  • Melasse 40 g
  • Syrup (Zuckerrüben) 40 g
  • Nipagin 2,5 g

Jede Flasche ist mit einem Klecks frischen, lebendigen Hefepaste und ein Stück Filterpapier, um eine zusätzliche Fläche für Fliegen und Puppen bieten geliefert.

Fly Zucht und Inszenierung

Das folgende Verfahren wird durchgeführt, jeden Tag, was genau inszenierten Tiere bei entsprechender Dichte gewachsen. Alle neu ecclosed fliegt seit dem letzten Verfahren am Vortag zur Zucht und Experimente gesammelt. Die ältesten Gefäße ohne noch lebenden Puppen werden verworfen. Vier Tage alte Fliegen sind eine frische Flasche zur Eiablage Nacht aufgenommen. Die Dichte des weiblichen Fliegen sollte ungefähr 20 für jedes Fläschchen, für die Größe der Flasche angepasst werden und die Belastung verwendet. Die ideale Dichte ist eine, die hoch genug ist für die Fliege Medium während der Larvenstadien und niedrig genug, so dass alle Larven haben, bevor die ersten Fliegen ecclose verpuppt zu verflüssigen. Die Eiablage fliegt vom Vortag werden entfernt und entsorgt.

Fly Vorbereitung

Fliegen sind auf Standard-Maismehl / Melasse Medium gehalten, wie oben beschrieben bei 25 ° C und 60% Luftfeuchtigkeit mit einem 12-Stunden light/12hr dunklen Regimes. Nach einer kurzen Ruhigstellung 24-48h alten fliegt durch die Kälte-Anästhesie, die Fliegen kleben (Sekundenkleber UV Glas Klebstoff, 505127A, Pacer Technology, Cucamonga, Ca., USA) mit Kopf und Thorax, um ein Dreieck-förmige Kupfer-Haken (Durchmesser 0,05 mm ) am Tag vor dem Experiment. Die Tiere werden dann einzeln über Nacht in kleinen feuchten Kammern mit ein paar Körner Saccharose gehalten.

Apparat

Der Kern Gerät der Set-up ist das Drehmoment-Kompensator (Drehmomentmesser) (Götz, 1964). Er misst eine Fliege den Drehimpuls um seine vertikale Körperachse, durch beabsichtigte Flugmanöver verursacht. Die Fliege, geklebt, um den Haken wie oben beschrieben, ist das Drehmoment Meter über eine Schelle befestigt stationären Flug in der Mitte eines zylindrischen Panorama (arena, Durchmesser 58mm), die homogen von hinten beleuchtet ist zu erreichen. Die Lichtquelle ist ein 100W, 12V Wolfram-Iod-Glühbirne. Für grüne und blaue Beleuchtung der Arena, wird das Licht durch monochromatische Breitband Kodak Wratten Gelatine-Filter (# 47 und # 99, jeweils) übergeben. Filter können durch eine schnelle Magnetventil in 0,1 s ausgetauscht werden. Alternativ ist die Arena mit "Tageslicht", indem es durch eine blau-grüne Filter (Rosco "surfblue" No 5433), oder ohne Filter überhaupt beleuchtet. Das Transmissionsspektrum der Rosco blau-grün-Filter in dieser Studie verwendet wird, entspricht das einer BG18-Filter (Schott, Mainz) und bildet eine Zwischenschicht zwischen der Kodak blauen und grünen Filter (Brembs und Hempel de Ibarra, 2006; Liu et al ., 1999). Die Arena kann gedreht werden, um die Fliege mit einem Computer-gesteuerten Elektromotor. In einem solchen "Flug-Simulator"-Situation, die Winkelgeschwindigkeit der Arena proportional, sondern richtet sich gegen die Fliege Giermoment (Kopplungsfaktor K =- 11 ° / s • 10-10Nm). Dies ermöglicht die fliegen, um das Panorama zu stabilisieren und ihre Winkelorientierung Kontrolle. Diese virtuelle "Flugrichtung" (dh, arena-Position) wird kontinuierlich über eine kreisförmige Potentiometer (Novotechnik, A4102a306) aufgezeichnet. Ein Analog-Digital-Wandler-Karte (PCL812; Advantech Co.) speist die arena Position und die Giermoment-Signal in ein Computer, der die Spuren (Sampling-Frequenz 20Hz) speichert für eine spätere Analyse. Die Strafe ist durch Anwendung von Wärme aus einem einstellbaren Infrarot-Laser (825 nm, 150 mW), von hinten und oben auf der Fliege Kopf und Thorax gerichtet erreicht. Der Laserstrahl wird gepulst (ca. 200ms Impulsbreite bei ~ 4 Hz) und seiner Intensität reduziert, um das Überleben der Fliege zu gewährleisten.

Experimente

Pattern Lernen

Für die traditionellen Muster-Learning-Experiment (Dill und Heisenberg, 1995; Dill et al, 1993, 1995;. Liu et al, 2006;. Liu et al, 1998;. Liu et al, 1999;. Wolf und Heisenberg, 1991) sind vier schwarze, T-förmigen Muster der wechselnden Orientierung (dh zwei aufrechte und zwei invertiert) gleichmäßig auf die Arena Wand (Strukturbreite ψ = 40 °, Höhe θ = 40 °, einer Breite von Balken = 14 °, wie gesehen, Abstand aus der Position der Fliege). Ein Computerprogramm teilt die 360 ​​° in der Arena in 4 virtuelle 90 ° Quadranten, sind die Zentren, von denen durch die Muster bezeichnet. Die Fliegen-Steuerung der Winkelstellung der Muster mit ihren Giermoment (Flugsimulator Situation). Während des Trainings wird die Wärme Strafe gestellt zusammenhängend mit dem Aussehen eines der Muster Orientierungen in der frontalen Gesichtsfeld. Verstärkung für jedes Musterist immer in Gruppen ausgeglichen. Während des Tests wird die Wärme dauerhaft abgeschaltet und die Fliege Muster Präferenz aufgezeichnet.

Farbe Lernen

Farbe Lernens durchgeführt wird, wie zuvor beschrieben (Brembs und Heisenberg, 2000; Brembs und Hempel de Ibarra, 2006; Brembs und Wiener, 2006; Wolf und Heisenberg, 1997). Die Arena in vier virtuelle 90 ° Quadranten unterteilt ist, sind die Zentren, von denen durch vier identische vertikale Streifen (Breite ψ = 14 °, Höhe θ = 40 °) bezeichnet. Die Fliege ist die Steuerung der Winkelstellung der vier identische Streifen mit seiner Giermoment wie für die T-förmigen Muster beschrieben. Die Farbe der Beleuchtung die ganze Arena wird geändert, wenn eine der virtuellen Quadranten Grenzen geht einen Punkt vor dem fliegen. Während des Trainings wird die Wärme Strafe davon abhängig gemacht werden einer der beiden Farben. Während des Tests wird die Wärme dauerhaft abgeschaltet und die Fliege Farbvorliebe aufgezeichnet. Natürlich können die Farben mit Mustern für die Verbindung Klimaanlage (Brembs und Heisenberg, 2001) kombiniert werden.

Giermoment Lernen

Giermoment Lernen ist wie zuvor beschrieben (Brembs und Heisenberg, 2000; Heisenberg und Wolf, 1993). Die Fliege spontane Giermoment Bereich wird in eine "linke" und "rechts"-Domain, etwa entsprechend entweder nach links oder rechts dreht unterteilt. Es gibt keine Muster auf der Arena Wand. Während des Trainings wird Wärme angewendet, wenn die Fliege Giermoment in eine Domäne ein-und ausgeschaltet, wenn das Drehmoment geht in die andere. In der Testphase wird die Wärme dauerhaft abgeschaltet und die Fliege Wahl Giermoment Domains registriert.

Composite-Learning

Composite-Lernen ist eine Erweiterung des Giermoment Lernen, wie zuvor beschrieben (Brembs und Heisenberg, 2000). Grundsätzlich sind Giermoment Lern-und Farb-Learning in einem Experiment mit gleichwertigen operante (Giermoment) und klassische (Farben) Prädiktoren kombiniert. Während des Trainings ist die Fliege beheizt, wenn die Fliege Giermoment in die Domäne mit der Strafe verbundene geht. Wenn die Fliege schaltet Giermoment Domains, nicht nur die Temperatur, sondern auch arena Färbung geändert wird (von grün bis blau oder umgekehrt). So dienen Giermoment Domain und Farbe als gleichwertig Prädiktoren von Wärme. In der Testphase wird die Wärme dauerhaft abgeschaltet und nur die Fliege Wahl Giermoment Domains / Farben wird aufgezeichnet.

Diskussion

Dieser Versuchsaufbau kombiniert hervorragende Kontrolle über experimentelle Umständen mit einer fortgeschrittenen genetischen Modellorganismus. Mit dem Verfahren in dieser Präsentation beschrieben, können die molekularen und neurobiologischen Grundlagen von einer Vielzahl von Verhaltensmerkmale untersucht, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, die Mechanismen der spontanen Verhalten Generation, operante und klassische Konditionierung, Mustererkennung, Farbsehen oder Kurs-Steuerung .

Discussion

Dieser Versuchsaufbau kombiniert hervorragende Kontrolle über experimentelle Umständen mit einer fortgeschrittenen genetischen Modellorganismus. Mit dem Verfahren in dieser Präsentation beschrieben, können die molekularen und neurobiologischen Grundlagen von einer Vielzahl von Verhaltensmerkmale untersucht, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, die Mechanismen der spontanen Verhalten Generation, operante und klassische Konditionierung, Mustererkennung, Farbsehen oder Kurs-Steuerung .

Acknowledgements

Der ursprüngliche Entwurf der Drehmomentwippe stammt von Karl Goetz. Die besondere Einrichtung in dieser Präsentation wird zu einem großen Teil auf Kredit und wurde ursprünglich von Martin Heisenberg und Reinhard Wolf entwickelt. Ich freue mich besonders verpflichtet, diese beiden Personen für ihre kontinuierliche Unterstützung, Ermutigung und Know-how.

References

  1. Forthcoming.

Comments

5 Comments

  1. I just realized a made a mistake: Karl Götz was of course in Tübingen and not in Göttingen!

    Reply
    Posted by: Bjoern B.
    June 17, 2008 - 12:15 PM
  2. Dear BjŒrn Brembs I would also be interested in sticking my flies with superGlue to perform behavioral tests. I was wondering what was the distributor for the glue you used; and what kind of UV Curing Equipment did you own? Thanks in advance, Laurent Arnoult

    Reply
    Posted by: Laurent A.
    January 28, 2009 - 2:45 AM
  3. We bought our glue at Home Depot in the US, but you can use basically any type of UV-sensitive glue that dentists use. Just make sure the glue is not too thin. For instance, Vivadent Heliobond works fine for me. We use a Megadenta Megalux CS for curing. However, these are very expensive and you still need to place a little piece of glass infrared filter between lamp and lightguide, or it will kill the flies. There are now blue LED "superlights" out for sale which work well with the glue ESPE Sinfony Opaque Dentin. They still need the infrared filter, but are less than 10% the price of the Megalux lamps.

    Reply
    Posted by: Bjoern B.
    January 28, 2009 - 3:15 AM
  4. Nice,
    why do you leave the flies one night unused? Have you noticed that it affects behavior or is it just recovering? How long do your flies fly usually?
    Best,
    Jan Bartussek

    Reply
    Posted by: Anonymous
    October 15, 2009 - 10:40 AM
  5. Yes, the reason is recovery, mainly. If the flies are not allowed to recover for a sufficient amount of time, they don't fly long enough. Usually, my experiemnts last anywhere between 9 and 30 minutes with the large majority of experiments lasting 18 minutes.

    Reply
    Posted by: Bjoern B.
    October 15, 2009 - 11:37 AM

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