عالية الدقة الكمي للسلوك رائحة الموجهة في<em> ذبابة الفاكهة السوداء البطن</em> استخدام<em> Flywalk</em> بارادايم
Summary
يتم استخدام الآلية Flywalk نظام تتبع عالية الدقة الكمي للسلوك موجهة رائحة ذبابة الفاكهة في البطن.
Abstract
في بيئتها الطبيعية، والحشرات مثل الخل تطير ذبابة الفاكهة السوداء البطن مع قصف على كمية كبيرة من عطور متميزة كيميائيا. إلى تعقيد الأمور أكثر من ذلك، والروائح الكشف عنها من قبل الجهاز العصبي للحشرات هي عادة ليست واحدة بل خليط من المركبات تركيبتها ونسب تركيز تختلف. وهذا يؤدي إلى مبلغ لا نهائي تقريبا من المحفزات الشمية المختلفة التي يجب تقييمها من قبل الجهاز العصبي.
لفهم الجوانب التي من حافز رائحة تحدد تقييمها من قبل الطيران، ولذلك فمن المستحسن النظر بكفاءة السلوك الموجهة نحو رائحة العديد من عطور وخلطات رائحة. لربط السلوك إلى نشاط الخلايا العصبية مباشرة، يجب أن يكون كميا السلوك في إطار زمني للمقارنة وتحت ظروف التحفيز متطابقة كما في التجارب العصبية. ومع ذلك، فإن العديد من اختبارات بيولوجية حاسة الشم المستخدمة حاليا في ذبابة الفاكهة neuroethology هي بالأحرى specialized إما نحو الكفاءة أو نحو القرار.
Flywalk، تسليم رائحة وتتبع النظام الآلي، ويسد الفجوة بين الكفاءة والقرار. لأنها تتيح تحديد متى بالضبط حفزت حزمة رائحة ذبابة المشي بحرية، وتحديد animal's رد الفعل السلوكي الحيوي.
Introduction
الهدف الرئيسي من أي بحث neuroethological هو وجود علاقة سببية بين الدول نشاط الخلايا العصبية واحدة أو الدوائر العصبية وسلوك الكائن الحي. لتحقيق هذا الهدف نشاط الخلايا العصبية وينبغي رصد السلوك في ظل ظروف التحفيز متطابقة ويجب أن تكون هذه الشروط التحفيز مثالي مماثلة لتلك التي في الجهاز العصبي تحت المجهر تطورت لفهم. لا سيما عندما يتعلق الأمر اختبارات بيولوجية السلوكية، وهذه الشروط قد ثبت تاريخيا تطلبا جدا في الدروسوفيلاميلانوجاستر neuroethology حاسة الشم.
بعد إطلاق سراحه من المصدر، وأعمدة رائحة كسر بسرعة تصل إلى خيوط رقيقة مع نشر المضطرب الناجمة عن حركة الهواء كونها العامل الرئيسي الذي يحدد توزيع رائحة 1. ونتيجة لذلك، حشرة تبحر نحو مصدر الرائحة الخبرات التحفيز متقطعة مع حزم رائحة تتخللها فترات متفاوتة من الهواء النقي. على حد سواءوقد ثبت لاستغلال هذا النظام التحفيز متقطعة للملاحة ارتفاع عكس الريح على لقاء بلوم والغالب تتحرك عبر الرياح في غياب الروائح 2 – – المشي والحشرات الطائرة – بما في ذلك ذبابة الفاكهة 5. في حين أن إجراءات التحفيز في التجارب الفسيولوجية تحاكي إلى حد كبير تلك التي قد تواجه حشرة في بيئتها الطبيعية إما عن طريق توفير نفث واحدة من الروائح تتخللها فترات طويلة من الهواء النقي أو متواليات التحفيز ديناميكية 6-11، العديد من اختبارات بيولوجية السلوكية المستخدمة في ذبابة الفاكهة neuroethology مثل فخ فحص ، الساحات حقل مفتوح أو T-متاهة تعتمد على رائحة التدرجات 12-15. ومع ذلك، لأن التدرجات رائحة بالتعريف هي متغيرة في تركيز اعتمادا على مسافة واحدة من مصدر الرائحة، لا يمكن أن يعزى سلوك معين إلى تركيز رائحة الدقيق باستخدام هذه النماذج. بالإضافة إلى ذلك، المنحدر منالتدرج رائحة يعتمد بشكل كبير على الخصائص الفيزيائية للالرائحة. وهناك تدرج من مركب شديدة التقلب يكون أقل عمقا من تلك التي سببها مركب أقل تقلبا، وبالتالي أيضا من الصعب تتبع لكائن حي الاعتماد على قياس الاختلافات التركيز في الفضاء باعتبارها الوسيلة الوحيدة الملاحة 16-20، مما قد يؤدي إلى سوء فهم الأفضليات حاسة الشم ولا سيما في المقايسات الاختيار. وهذا التأثير هو أيضا ضار للغاية عند التحقيق في سلوك تجاه خليط من رائحة لأنه يؤدي إلى نسب مختلفة المكون مزيج عند كل نقطة في الفضاء، وبالتالي مرة أخرى يحول دون ارتباط واضح بين وظائف الأعضاء والسلوك.
بينما الذباب الخل تميل إلى تجميع على تخمر الفواكه، فهي الانفرادي في التنقل نحو مصادر الغذاء ومواقع وضع البيض. ومع ذلك، بدلا من اختبار الحيوانات الفردية العديد من النماذج السلوكية المستخدمة في ذبابة الفاكهة neuroetholoغراي دراسة السلوك الموجهة رائحة أفواج من الذباب وسجل جاذبية وجزء من الذباب اختيار رائحة أكثر من التحفيز السيطرة. وقد ساهمت هذه التجارب الفوج إلى حد كبير في فهم ذبابة neuroethology والعديد من الملاحظات التي أبداها استخدامها يمكن أن تؤكد التجارب واحد الطاير. ومع ذلك، فقد لوحظ أن الذباب يمكن أن تؤثر على كل قرار other's 21 و في الحالات القصوى تقييم رائحة يمكن ان تتحول من اللامبالاة إلى إبطال اعتمادا على الكثافة السكانية 22. بالإضافة إلى ذلك، النتائج من هذه الأنواع من التجارب في كثير من الأحيان لا توفر سوى نقطة نهاية سلسلة من القرارات السلوكية بدلا من مراقبة ما الطاير يقوم به بينما هو يفعل ذلك، وهو ما سيكون من المرغوب فيه عند محاولة ربط السلوك مع نشاط الخلايا العصبية. ويتناقض هذه التجارب فوج بدلا منخفضة الدقة التي كتبها عالية الدقة أساليب واحد يطير مثل الساحات رحلة المربوطة والمطاحن والتي تسمحلالملاحظة المباشرة من الاستجابات السلوكية في وقت تقديم الحوافز 20،23،24. ومع ذلك، والتجارب فوج لا تزال تحظى بشعبية، لأنها فعالة جدا وتعطي نتائج قوية حتى في نسبيا أحجام العينات منخفضة بسبب التباين بين الأفراد وبين المحاكمة وبلغ متوسط جزئيا خارج نظرا للمراقبة السكان على مدى فترات طويلة من الزمن. بينما رحلة المربوطة ومفرغة ربما توفر معيار الذهب بشأن عرض الحوافز والقرار الزماني، فقد تم تصميم الساحات تستخدم للحيوانات واحدة ولذلك فمن للحصول على أحجام العينات اللازمة لإجراء تحليل إحصائي تستغرق وقتا طويلا. وقد تم مؤخرا تطوير العديد من الطرق الأخرى التي تسمح للاكتساب البيانات بشكل أكثر كفاءة سلوكية عالية الدقة في توليفة مع نظام التحفيز واضحة المعالم. وتشمل هذه غير خاضعة للرقابة 3D تتبع من الذباب الخل متعددة في windtunnel في تركيبة مع دقيق 3D نموذج من عمود رائحة 5 </سوب>، تتبع من الذباب الفردية المتعددة في غرف اختيار إمداده airstreams من الجانبين 25 ونموذج Flywalk 26.
في Flywalk، تقع 15 الذباب الفردية في أنابيب زجاجية صغيرة ومراقبتها باستمرار من قبل الكاميرا العامة في ظل ظروف الضوء الأحمر. تضاف الروائح إلى تيار الهواء المستمر من 20 سم / ثانية والسفر من خلال أنابيب زجاجية بسرعة ثابتة. وترطيب تيار الهواء بتمريرها من خلال 250 مل الزجاجات التي تحتوي على الماء المقطر (الرطوبة) قبل الدخول إلى نظام التسليم رائحة. يتم تسجيل مواقف flies' داخل منطقة مربع من الفائدة (ROI) تشمل أكثر من طول الأنابيب رائحة (باستثناء الحواف الخارجية للأنابيب (حوالي 5 ملم في كل جانب) حيث الذباب لا يمكن أن تتحرك أبعد السهم العلوي أو اتجاه الريح) في وقت قريب من العرض رائحة (الشكل 1A، B). يتم الاحتفاظ يطير الهويات المستمر من قبل ر نظام التتبعالاحجار الكريمه التجربة على أساس من Y-وظائف (أي حدود أنبوب زجاجي بهم). ويتحقق التحفيز رائحة باستخدام جهاز التحفيز متعدد المكون الذي يسمح بعرض ما يصل إلى 8 الروائح واحدة وجميع الخلطات الممكنة منها 26،29 (الشكل 1B). يتم التحكم في مسار التجربة من قبل الكمبيوتر الذي ينظم نظام التسليم رائحة وجمع درجات الحرارة والرطوبة المعلومات (الكمبيوتر 1، الشكل 1C). يتحكم هذا الكمبيوتر أيضا datalogger (بدء / إيقاف التسجيل) على جهاز كمبيوتر الثاني الذي يتابع باستمرار مواقف ذبابة في 20 لقطة في الثانية (الكمبيوتر 2). يطير المواقف، وضع صمام رائحة (أي نقطة في الوقت فتح صمام)، ID رائحة، درجة الحرارة والرطوبة حول دورات التحفيز رائحة يتم تسجيل على جهاز الكمبيوتر 2. وبهذه الطريقة معلومات عن رائحة ويطير متزامنة المواقف وتصديرها كملف .csv الملفات التي يمكن أن تزيد من معالجتها وتحليلها باستخدام إجراءات تحليل العرف مكتوب. بسببالنظام برمته هو الكمبيوتر التي تسيطر عليها، دون تدخل بشري ضروري خلال جلسة تجريبية.
Protocol
Representative Results
Discussion
على الرغم من أن نظام Flywalk يبدو متطورة بدلا للوهلة الأولى، بعد تشكيلها وتشغيله سهلة الاستخدام وتعطي نتائج قوية للغاية. التشديد على اتساق النتائج المنتجة مع الأحيائي يمكن القول أن نتائج تمثيلية هو موضح هنا تم الحصول عليها بعد ما يقرب من 2 سنوات بعض النتائج هو مبين في در?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر دانيال فيت للحصول على المساعدة الفنية وبيدرو جوفيا في Electricidade إم بو (electricidadeempo.net) لتخصيص تتبع البرمجيات لمطالبنا. كما نشكر توم Retzke للحصول على الدعم أثناء عملية التصوير. وأيد هذه الدراسة من قبل جمعية ماكس بلانك.
Materials
| Flywalk setup | Custom | details available upon request | |
| stimulus device | Custom | details available upon request | |
| LED cluster | Custom | details available upon request | |
| HD Pro Webcam C920 | Logitech, Lausanne, Switzerland | ||
| 2 Computers | |||
| Flywalk Reloaded v1.0 software | Electricidade Em Pó (electricidadeempo.net) | ||
| Labview 11.0 software | National Instruments, Austin, TX | ||
| Standard fly food | Custom | ||
| Standard fly vials | Greiner bio-one GmbH, Frickenhausen, Germany | ||
| Standard fly vials | Greiner bio-one GmbH, Frickenhausen, Germany | ||
| aspirator | Custom | ||
| mineral oil | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | ||
| odors | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | ||
| 200 µl PCR reaction tubes | Biozym Scientific GmbH, Oldendorf, Germany |
References
- Murlis, J., Elkinton, J. S., Cardé, R. T. Odor plumes and how insects use them. Annu. Rev. Entomol. 37, 505-532 (1992).
- Kennedy, J. S., Marsh, D. Pheromone-regulated anemotaxis in flying moths. Science. 184 (4140), 999-1001 (1974).
- Budick, S. A., Dickinson, M. H. Free-flight responses of Drosophila melanogaster to attractive odors. J. Exp. Biol. 209 (15), 3001-3017 (2006).
- Buehlmann, C., Graham, P., Hansson, B. S., Knaden, M. Desert ants locate food by combining high sensitivity to food odors with extensive crosswind runs. Curr. Biol. 24 (9), 960-964 (2014).
- Van Breugel, F., Dickinson, M. H. Plume-tracking behavior of flying Drosophila emerges from a set of distinct sensory-motor reflexes. Curr. Biol. 24 (3), 274-286 (2014).
- Schuckel, J., Meisner, S., Torkkeli, P. H., French, A. S. Dynamic properties of Drosophila olfactory electroantennograms. J. Comp. Physiol. A. 194 (5), 483-489 (2008).
- Geffen, M. N., Broome, B. M., Laurent, G., Meister, M. Neural encoding of rapidly fluctuating odors. Neuron. 61 (4), 570-586 (2009).
- Nagel, K. I., Wilson, R. I. Biophysical mechanisms underlying olfactory receptor neuron dynamics. Nat. Neurosci. 14 (2), 208-216 (2011).
- Martelli, C., Carlson, J. R., Emonet, T. Intensity invariant dynamics and odor-specific latencies in olfactory receptor neuron response. J. Neurosci. 33 (15), 6285-6297 (2013).
- Szyszka, P., Gerkin, R. C., Galizia, C. G., Smith, B. H. High-speed odor transduction and pulse tracking by insect olfactory receptor neurons. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 111 (47), 16925-16930 (2014).
- Nagel, K. I., Hong, E. J., Wilson, R. I. Synaptic and circuit mechanisms promoting broadband transmission of olfactory stimulus dynamics. Nat. Neurosci. 18 (1), 56-65 (2014).
- Larsson, M. C., Domingos, A. I., Jones, W. D., Chiappe, M. E., Amrein, H., Vosshall, L. B. Or83b encodes a broadly expressed odorant receptor essential for Drosophila olfaction. Neuron. 43 (5), 703-714 (2004).
- Knaden, M., Strutz, A., Ahsan, J., Sachse, S., Hansson, B. S. Spatial representation of odorant valence in an insect brain. Cell Rep. 1 (4), 392-399 (2012).
- Zaninovich, O. A., Kim, S. M., Root, C. R., Green, D. S., Ko, K. I., Wang, J. W. A single-fly assay for foraging behavior in Drosophila. J. Vis. Exp. (81), e50801 (2013).
- Farhan, A., Gulati, J., Groβe-Wilde, E., Vogel, H., Hansson, B. S., Knaden, M. The CCHamide 1 receptor modulates sensory perception and olfactory behavior in starved Drosophila. Sci. Rep. 3 (2765), 1-6 (2013).
- Flügge, C. Geruchliche Raumorientierung von Drosophila melanogaster. Z. Vgl. Physiol. 20 (4), 462-500 (1934).
- Borst, A., Heisenberg, M. Osmotropotaxis in Drosophila melanogaster. J. Comp. Physiol. A. 147 (4), 479-484 (1982).
- Louis, M., Huber, T., Benton, R., Sakmar, T. P., Vosshall, L. B. Bilateral olfactory sensory input enhances chemotaxis behavior. Nat. Neurosci. 11 (2), 187-199 (2008).
- Gomez-Marin, A., Stephens, G. J., Louis, M. Active sampling and decision making in Drosophila chemotaxis. Nat. Commun. 2 (441), 1-10 (2011).
- Gaudry, Q., Hong, E. J., Kain, J., de Bivort, B. L., Wilson, R. I. Asymmetric neurotransmitter release enables rapid odour lateralization in Drosophila. Nature. 493 (7432), 42442-42448 (2013).
- Quinn, W. G., Harris, W. A., Benzer, S. Conditioned behavior in Drosophila melanogaster. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 71 (3), 708-712 (1974).
- Ramdya, P., Lichocki, P., et al. Mechanosensory interactions drive collective behaviour in Drosophila. Nature. 519 (7542), 233-236 (2014).
- Bhandawat, V., Maimon, G., Dickinson, M. H., Wilson, R. I. Olfactory modulation of flight in Drosophila is sensitive, selective and rapid. J. Exp. Biol. 213 (21), 3625-3635 (2010).
- Duistermars, B. J., Chow, D. M., Frye, M. A. Flies require bilateral sensory input to track odor gradients in flight. Curr. Biol. 19 (15), 1301-1307 (2009).
- Claridge-Chang, A., Roorda, R. D., et al. Writing memories with light-addressable reinforcement circuitry. Cell. 139 (2), 405-415 (2009).
- Steck, K., Veit, D., et al. A high-throughput behavioral paradigm for Drosophila olfaction – The Flywalk. Sci. Rep. 2 (361), 1-9 (2012).
- Lewis, E. B. A new standard food medium. Drosoph. Inf. Serv. 34, 117-118 (1960).
- Lebestky, T., Chang, J. S. C., et al. Two different forms of arousal in Drosophila are oppositely regulated by the dopamine D1 receptor ortholog DopR via distinct neural circuits. Neuron. 64, 522-536 (2009).
- Thoma, M., Hansson, B. S., Knaden, M. Compound valence is conserved in binary odor mixtures in Drosophila melanogaster. J. Exp. Biol. 217 (20), 3645-3655 (2014).
- Olsson, S. B., Kuebler, L. S., et al. A novel multicomponent stimulus device for use in olfactory experiments. J. Neurosci. Meth. 195 (1), 1-9 (2011).
