Свет пятно основе анализа для анализа Drosophila Larval Фототаксис
Summary
Этот протокол вводит световое пятно анализа для расследования Drosophila личинки фототаксического поведения. В этом анализе, световое пятно генерируется как свет стимуляции, и процесс избегания личинок света регистрируется инфракрасной световой системы визуализации.
Abstract
Личинки Drosophila melanogaster показывают очевидное светоизбегающее поведение во время стадии кормления. Дрозофилы личинки фототаксис может быть использован в качестве модели для изучения поведения животных избегания. Этот протокол вводит свет-пятно анализа для расследования личинки фототаксиповедения. Экспериментальная настройка включает в себя две основные части: систему визуальной стимуляции, которая генерирует световое пятно, и инфракрасную световую систему визуализации, которая фиксирует процесс избегания личинок света. Этот асссепозволяет отслеживать поведение личинок перед входом, во время встречи и после выхода из светлого пятна. Детали движения личинок, включая замедление, паузу, отливку головы и поворот, можно уфиксировать и проанализировать с помощью этого метода.
Introduction
Личинки Drosophila melanogaster показывают очевидное светоизбегающее поведение во время стадии кормления. Drosophila личинки фототаксис был под следствием, особенно в последние 50 лет1,2,3,4,5,6,7 ,8. В последние годы, несмотря на то, что 1) многие нейроны посредничества личинок света избегания были определены4,5,9,10,11,12 и 2) полный коннектом личиночной зрительной системы в разрешении синапсов был установлен13, нейронные механизмы, лежащие в основе личиночной фототаксиса остаются в значительной степени неясными.
Ряд поведенческих анализов были использованы в изучении личиночной фототаксиса. Они могут быть в значительной степени разделены на два класса: один с участием градиентов пространственного света, а другой с участием временных градиентов света. Для пространственных анализов градиента света арена делится на равное количество секций в светлом и темном. Арена может быть разделена на светлые и темные половинки2,4 или светлые и темные квадранты14,15,или даже могут быть разделены на альтернативные светлые и темные квадраты, как на шашной доске7. Как правило, агар пластины используются для пространственного света градиента асссеев, но трубки, которые делятся на альтернативные светлые и темные разделы также могут быть использованы10,14.
В более старой версии анализов, световое освещение обычно происходит из-под личинок. Однако, освещение в более новых версиях больш возникает от выше, в виду того что larval глаза (например, органы Bolwig которые чувствительны к низкой или средней интенсивности света16)содержатся в непрозрачном цефалофоренгеальном скелете с отверстиями к верхний фронт. Это делает личинки более чувствительными к свету с верхних передних направлений, чем снизу позади направлений7. Для анализов временного градиента света интенсивность света на арене пространственно однородна, но интенсивность меняется с течением времени. В дополнение к височной квадратной волны света (т.е., мигает/выключается или сильный / слабый свет3,7),временно меняющийся свет, который соответствует линейной рампы по интенсивности также используетсядля измерения чувствительности личинок к временно едкая световая стимул.
Третий тип фототаксис асссы является направленный свет пейзаж навигации, которая включает в себя освещение сверху под углом 45“7. До работы Kane et al.7, только грубые параметры, такие как количество личинок в светлых и темных областях, частота поворота, и длина тропы были рассчитаны в личинок фототакси анализов. Так как работа этой же группы, с анализом высокого временного разрешения видеозаписи для личиночных фототаксисов, детальной динамики движения личинок во время фототаксиса (т.е. мгновенные скорости различных частей личиночного тела, направление движения, угол поворота и соответствующая угловая скорость) были проанализированы7. Таким образом, более подробную информацию о поведении личинки фототаксиса удалось обнаружить. В этих анализах личинки тестируются в группах, так что групповые эффекты не исключаются.
Этот протокол вводит световое пятно анализа для исследования личинок поведенческих реакций на индивидуальную стимуляцию света. Основная экспериментальная установка состоит из системы визуальной стимуляции и инфракрасной световой системы визуализации. В системе визуальной стимуляции светодиодный источник света генерирует круглое световое пятно диаметром 2 см на агаровой пластине, где проверяется личинка. Интенсивность света может быть скорректирована с помощью светодиодного драйвера. Система визуализации включает в себя инфракрасную камеру, которая фиксирует поведение личинки в дополнение к трем 850 нм инфракрасные светодиоды, которые обеспечивают освещение для камеры. Объектив камеры покрыт фильтром диапазона 850 нм, чтобы блокировать свет от системы визуальной стимуляции от входа в камеру, в то время как инфракрасный свет может войти в камеру. Таким образом, предотвращается вмешательство зрительной стимуляции на визуализацию. В этом анализе, поведенческие детали быстрых реакций отдельных личинок в течение периода, включая до, во время и после входа света регистрируются и анализируются.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол представляет световое пятно анализа, чтобы проверить способность личинок Дрозофилы, чтобы вырваться из света. Этот асссепозволяет отслеживать поведение личинок перед входом, во время встречи и после выхода из светлого пятна. Детали движения личинок могут быть захва…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа поддерживается фондом естественных наук Китая (31671074) и фондами фундаментальных исследований для провинциальных университетов Чжэцзяна (2019X-X003-12).
Materials
| 850 nm ± 3 nm infrared-light-generating LED | Thorlabs, USA | PM100A | Compatible Sensors: Photodiode and Thermal Optical Power Rangea: 100 pW to 200 W Available Sensor Wavelength Rangea: 185 nm-25 μm Display Refresh Rate: 20 Hz Bandwidtha: DC-100 kHz Photodiode Sensor Rangeb: 50 nA-5 mA Thermopile Sensor Rangeb: 1 mV-1 V |
| AC to DC converter | Thorlabs, USA | S120VC | Aperture Size: Ø9.5 mm Wavelength Range: 200-1100 nm Power Range: 50 nW-50 mW Detector Type: Si Photodiode (UV Extended) Linearity: ±0.5% Measurement Uncertaintyc: ±3% (440-980 nm), ±5% (280-439 nm), ±7% (200-279 nm, 981-1100 nm) |
| band-pass filter | Thorlabs, USA | DC2100 | LED Current Range: 0-2 A LED Current Resolution: 1 mA LED Current Accuracy: ±20 mA LED Forward Voltage: 24 V Modulation Frequency Range: 0-100 kHz Sine Wave Modulation: Arbitrary |
| Collimated LED blue light | ELP, China | USBFHD01M | Max. Resolution: 1920X1080 F6.0 mm Sensor: 1/2.7" CMOS OV2710 |
| Compact power meter console | Ocean Optics, USA | USB2000+(RAD) | Dimensions: 89.1 mm x 63.3 mm x 34.4 mm Weight: 190 g Detector: Sony ILX511B (2048-element linear silicon CCD array) Wavelength range: 200-850 nm Integration time: 1 ms – 65 seconds (20 seconds typical) Dynamic range: 8.5 x 10^7 (system); 1300:1 for a single acquisition Signal-to-noise ratio: 250:1 (full signal) Dark noise: 50 RMS counts Grating: 2 (250 – 800 nm) Slit: SLIT-50 Detector collection lens: L2 Order-sorting: OFLV-200-850 Optical resolution: ~2.0 nm FWHM Stray light: <0.05% at 600 nm; <0.10% at 435 nm Fiber optic connector: SMA 905 to 0.22 numerical aperture single-strand fiber |
| High-Power LED Driver | Minhongshi, China | MHS-48XY | Working voltage: DC12V Central wavelength: 850nm |
| high-resolution web camera | Thorlabs, USA | MWWHL4 | Color: Warm White Correlated Color Temperature: 3000 K Test Current for Typical LED Power: 1000 mA Maximum Current (CW): 1000 mA Bandwidth (FWHM): N/A Electrical Power: 3000 mW Viewing Angle (Full Angle): 120˚ Emitter Size: 1 mm x 1 mm Typical Lifetime: >50 000 h Operating Temperature (Non-Condensing): 0 to 40 °C Storage Temperature: -40 to 70 °C Risk Groupa: RG1 – Low Risk Group |
| LED Warm White | Mega-9, China | BP850/22K | Ø25.4(+0~-0.1) mm Bandwidth: 22±3nm Peak transmittance:80% Central wavelength: 850nm±3nm |
| Spectrometer | Noel Danjou | Amcap9.22 | AMCap is a still and video capture application with advanced preview and recording features. It is a Desktop application designed for computers running Windows 7 SP1 or later. Most Video-for-Windowsand DirectShow-compatible devices are supported whether they are cheap webcams or advanced video capture cards. |
| Standard photodiode power sensor | Super Dragon, China | YGY-122000 | Input: AC 100-240V~50/60Hz 0.8A Output: DC 12V 2A |
| Thermal power sensor | Thorlabs, USA | M470L3-C1 | Color: Blue Nominal Wavelengtha: 470 nm Bandwidth (FWHM): 25 nm Maximum Current (CW): 1000 mA Forward Voltage: 3.2 V Electrical Power (Max): 3200 mW Emitter Size: 1 mm x 1 mm Typical Lifetime: 100 000 h Operating Temperature (Non-Condensing): 0 to 40 °C Storage Temperature: -40 to 70 °C Risk Groupb: RG2 – Moderate Risk Group |
| Thermal power sensor | Thorlabs, USA | S401C | Wavelength range: 190 nm-20 μm Optical power range:10 μW-1 W(3 Wb) Input aperture size: Ø10 mm Active detector area: 10 mm x 10 mm Max optical power density: 500 W/cm2 (Avg.) Linearity: ±0.5% |
References
- Grossfield, J. Geographic distribution and light-dependent behavior in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 68, 2669 (1971).
- Godoy-Herrera, R. C. L. D. The behaviour of Drosophila melanogaster larvae during pupation. Animal Behaviour. 37, (1989).
- Busto, M., Iyengar, B., Campos, A. R. Genetic dissection of behavior: modulation of locomotion by light in the Drosophila melanogaster larva requires genetically distinct visual system functions. Journal of Neuroscience. 19, 3337 (1999).
- Mazzoni, E. O., Desplan, C., Blau, J. Circadian pacemaker neurons transmit and modulate visual information to control a rapid behavioral response. Neuron. 45, 293 (2005).
- Keene, A. C., et al. Distinct visual pathways mediate Drosophila larval light avoidance and circadian clock entrainment. Journal of Neuroscience. 31, 6527 (2011).
- Keene, A. C., Sprecher, S. G. Seeing the light: photobehavior in fruit fly larvae. Trends in Neurosciences. 35, (2012).
- Kane, E. A., et al. Sensorimotor structure of Drosophila larva phototaxis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, E3868 (2013).
- Humberg, T. H., et al. Dedicated photoreceptor pathways in Drosophila larvae mediate navigation by processing either spatial or temporal cues. Nature Communications. 9. 1260, (2018).
- Gong, Z., et al. Two pairs of neurons in the central brain control Drosophila innate light preference. Science. 330, (2010).
- Yamanaka, N., et al. Neuroendocrine Control of Drosophila Larval Light Preference. Science. 341, 1113 (2013).
- Zhao, W., et al. A disinhibitory mechanism biases Drosophila innate light preference. Nature Communications. 10, (2019).
- Gong, C., et al. A Neuronal Pathway that Commands Deceleration in Drosophila Larval Light-Avoidance. Neuroscience Bulletin. Feb. 27, (2019).
- Larderet, I., et al. Organization of the Drosophila larval visual circuit. eLife. 6, (2017).
- Sawin-McCormack, E. P., Sokolowski, M. B., Campos, A. R. Characterization and genetic analysis of Drosophila melanogaster photobehavior during larval development. Journal of Neurogenetics. 10, (1995).
- Farca, L. A., von Essen, A. M., Widmer, Y. F., Sprecher, S. G. Light preference assay to study innate and circadian regulated photobehavior in Drosophila larvae. Journal of Visualized Experiments. 74 (74), e50237 (2013).
- Xiang, Y., et al. Light-avoidance-mediating photoreceptors tile the Drosophila larval body wall. Nature. 468, 921 (2010).
- Gomez-Marin, A., Partoune, N., Stephens, G. J., Louis, M. Automated tracking of animal posture and movement during exploration and sensory orientation behaviors. PLoS ONE. 7, e41642 (2012).
