Koku kılavuzluğunda Davranış Yüksek çözünürlüklü Niceleme<em> Drosophila melanogaster</emKullanma><em> Flywalk</em> Paradigma
Summary
Otomatik izleme sistemi Flywalk Drosophila melanogaster koku güdümlü davranış yüksek çözünürlüklü ölçümü için kullanılır.
Abstract
Kendi doğal ortamında, sirke gibi böcekler kimyasal olarak farklı koku büyük miktarda ile bombardıman edilir Drosophila melanogaster uçmak. Hatta daha da karmaşıklaştıran, böcek sinir sistemi tarafından tespit edilen kokular genellikle kimin kompozisyon ve konsantrasyon oranları değişebilir tek bileşikler ancak bunların karışımları değildir. Bu sinir sistemi tarafından değerlendirilmesi gerekir farklı koku uyaranlara neredeyse sonsuz miktarda yol açar.
Bir koku uyarıcı yönleri sinek tarafından değerlendirmesini belirleyen anlamak için, verimli birçok koku ve koku karışımları doğru koku güdümlü davranışlarını incelemek için arzu edilen bir durumdur. Doğrudan nöronal aktivitenin davranışı ilişkilendirmek için, davranış karşılaştırılabilir bir zaman dilimi içinde ve nörofizyolojik deneylerde olduğu gibi aynı uyarıcı koşullarında sayısal olmalıdır. Bununla birlikte, Drosophila neuroethology çok anda kullanılan koku biyo-specia yerine vardırverimlilik doğru veya çözünürlük doğru ya lized.
Flywalk, otomatik koku teslimat ve izleme sistemi, verimlilik ve çözünürlük arasında köprüdür. Bu koku, paket serbest yürüme sinek uyarılmış ve Hayvanların dinamik davranış etkilerini belirlemek için tam olarak ne zaman belirlenmesini sağlar.
Introduction
Herhangi neuroethological araştırmanın herkesin ortak hedefi tek nöronlar veya nöronal devrelerin faaliyet devletler ve bir organizmanın davranışı arasında nedensel bir ilişki kurmaktır. Bu amaç nöronal aktivitenin elde etmek ve davranışları aynı uyarıcı koşullarında izlenmeli ve bu uyarıcı koşulları ideal olanların mantıklı gelişti inceleme altına sinir sistemi benzer olmalıdır. Davranışsal biyoanalizlere gelince, özellikle bu gereklilikler tarihsel Drosophila oldukça zorlu kanıtlanmıştır koku neuroethology melanogaster.
Kaynağından çıkan kez koku tüyleri hızla hava hareketi koku dağılımı 1 temel belirleyicisi olmaktan kaynaklanan çalkantılı difüzyon ince filamentler içine break up. Bunun bir sonucu olarak, bir koku kaynağına doğru seyreden bir böcek temiz hava değişken aralıklarla serpiştirilmiş koku paketleri ile kesikli uyarımı karşılaşır. Her ikisiyürüyüş ve böcekler uçan – Drosophila dahil – 5 – kokuların 2 yokluğunda çapraz rüzgar hareketli ağırlıklı tüy karşılaşma üzerine rüzgâra karşı kabaran tarafından navigasyon için bu aralıklı stimülasyon rejimi yararlanmaya gösterilmiştir. Bu tuzak analizi olarak Drosophila neuroethology kullanılan 11, birçok davranış biyoanalizlerin – ve fizyolojik deneyler için stimülasyon prosedürleri ise, büyük ölçüde, bir böcek, temiz hava veya dinamik stimülasyon dizilerinin 6 uzun süre serpiştirilmiş kokuların da sağlayarak, tek nefes çekme tarafından doğal ortamda yaşayabilir taklit 15 – açık alan arenalar veya T-labirent koku geçişlerini 12 güveniyor. Tanımı gereği koku geçişlerini koku kaynağından mesafeye bağlı konsantrasyonda değişken olduğundan, ancak belli bir davranış, bu paradigmalar kullanarak kesin bir koku konsantrasyonu isnat edilemez. Buna ek olarak, eğimiBir koku degrade eleştirel odorant fizikokimyasal özelliklerine bağlıdır. Bir zorluğa yol açabilir 20 – Bir çok uçucu bileşiğin bir degrade daha az uçucu bileşiğin tarafından oluşturulan ve bu nedenle de zor navigasyon 16 tek yolu olarak uzayda konsantrasyon farklılıkları ölçmek güvenerek bir organizma için izlemek için daha sığ olacaktır Özellikle seçim analizlerde koku tercihler. Uzayda her noktada farklı karışım bileşeni oranlarına yol açar ve bu nedenle tekrar fizyoloji ve davranış arasında açık bir ilişki engellemektedir, çünkü koku karışımları yönelik davranışlarını araştıran Bu etki aynı zamanda son derece zararlıdır.
Sirke sinekleri meyve fermente üzerine agrega eğiliminde olsa da, gıda kaynakları ve ovipozisyon siteleri karşı navigasyon yalnız vardır. Bununla birlikte, bireysel hayvanları test ziyade birçok davranışsal paradigmalar Drosophila neuroetholo kullanılangy sineklerin kohortlarda kokusu eşliğinde davranışları incelemek ve cazibe bir kontrol uyaran üzerinde koku seçiminde sinekler kesir olarak puanlanır. Bu kohort deneyleri sinek neuroethology anlaşılmasına büyük katkıları olmuştur ve bunları kullanarak yapılan gözlemlerin birçoğu tek sinek deneylerinde teyit edilebilir. Ancak, her other's kararını 21 etkileyebilir ve aşırı durumlarda bir koku değerlendirilmesi nüfus yoğunluğuna bağlı olarak 22 kaçınmaya ilgisizlik geçebilirsiniz uçar olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, deney bu türlü sonuçlar genellikle nöronal aktivite ile davranış arasında ilişki çalışırken arzu olurdu doğrusu bunu yapıyor iken sinek ne yaptığını gözlemleyerek daha davranışsal kararlar, bir dizinin sadece son nokta sağlamaktadır. Bunlar oldukça düşük çözünürlüklü kohort deneyleri gibi izin gergin uçuş arenalar ve koşu bandı gibi yüksek çözünürlüklü tek sinek yöntemleri ile tezatzaman davranışsal tepkilerin doğrudan gözlem için uyaran 20,23,24 sunulmuştur. Onlar çok verimli ve-arası bireysel ve inter-deneme değişkenlik kısmen uzun süre boyunca nüfusun gözlem ortalaması alınır çünkü sağlam hatta nispeten sonuçları düşük örnek boyutları sağlar, çünkü Ancak, kohort deneyleri, hala popüler. Gergin uçuş ve koşu bandı muhtemelen uyaran sunum ve temporal çözünürlük konusunda altın standart sağlarken, kullanılan arenalar tek hayvanlar için tasarlanmış ve bu nedenle zaman alıcı örnek bir istatistiksel analiz için gerekli boyutları elde etmektir edilir. Çeşitli diğer yaklaşımlar son iyi tanımlanmış bir teşvik rejimi ile kombinasyon halinde, yüksek çözünürlüklü davranış verilerinin etkin bir şekilde alınmasını sağlayacak geliştirilmiştir. Bu koku tüy 5 doğru bir 3D-model ile kombinasyon halinde bir Projede, rüzgar tünelinde birden sirke sineklerinin denetimsiz 3D-izleme dahil </sup>, her iki tarafta 25 ve Flywalk paradigma 26'dan airstreams ile birlikte seçim odalarında çoklu bireysel sineklerin izleme.
Flywalk olarak, 15 ayrı sinekler, küçük cam tüplerde bulunmaktadır ve sürekli kırmızı ışık koşulları altında bir havai kamera tarafından izlenen. Kokular 20 cm / sn arasında sürekli bir hava akımı, bir ilave edildi ve sabit bir hızda cam tüpler boyunca yol. Hava akımı koku teslim sistemine girmeden önce distile su (nemlendiriciler) ihtiva eden 250 ml'lik şişeler içinden geçirilerek nemlendirilir. Flies' pozisyonları sinekler daha yukarı taşımak veya edemez ilgi (ROI) bir kare bölge koku tüplerin uzunluğu en kapsayan (ancak tüpleri (her tarafı yaklaşık 5 mm dış kenarlarını hariç) içinde kaydedilir downwind) koku sunumu (Şekil 1A, B) sefer. Fly kimlikleri izleme sistemi t sabit tutulmasıonların Y-pozisyonlarına (yani kendi cam tüp limitleri) bazında deney hroughout. Koku uyarılması kadar 8 tek koku ve 26,29 (Şekil 1B), bunun bütün olası karışımları sunum sağlar çok bileşenli bir uyarıcı cihaz kullanılarak elde edilir. Bir deney ders bilgisayar koku verme sistemini düzenleyen ve sıcaklık ve nem bilgi toplama (bilgisayar 1, Şekil 1C) tarafından kontrol edilir. Bu bilgisayar, aynı zamanda sürekli olarak saniyede 20 kare (bilgisayar 2) sinek pozisyonlarını izler ikinci bir bilgisayara bir datalogger (kayıt başlat / durdur) kontrol eder. Koku stimülasyon döngüleri etrafında, koku vana durumunu (vana açıklığının yani zaman-noktası), koku kimliğini, sıcaklık ve nem pozisyonları Fly koku bilgisayara 2. Bu şekilde bilgileri kaydedilir ve pozisyonları .csv dosyaları olarak eşitlenir ve ihraç uçmak hangi daha da işlenir ve özel olarak yazılmış analiz rutinleri kullanarak analiz edilebilir. ÇünküTüm sistem bilgisayar kontrollü, hiçbir insan müdahalesi deneysel oturumu sırasında gereklidir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flywalk sistemi ilk bakışta oldukça sofistike görünse de, bir kez kurmak ve onu çalıştıran kullanımı kolay ve çok sağlam sonuçlar üretir. Biyo-deney ile üretilen sonuçların tutarlılığını stres için burada gösterilen temsili sonuçlar neredeyse 2 yıl, yeni bir takip yazılımı ve ışık kaynağı kullanılarak modifiye kurulum ile bir önceki çalışmada 29 de gösterilen bazı sonuçları sonra elde edildi söylenebilir. Bununla birlikte, çekici cevaplardır – Daha önce kendi di…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz talepleri için izleme yazılımı özelleştirmek için Electricidade Em po (electricidadeempo.net) teknik yardım için Daniel Veit ve Pedro Gouveia teşekkür ederiz. Biz de filme sürecinde destek için Tom Retzke teşekkür ederiz. Bu çalışma Max Planck Kurumu tarafından desteklenmiştir.
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).
