Den här artikeln beskrivs kackerlacka ventrala nerv sladd dissekering och extracellulära inspelningar från Cercal nerv och konnektiv. Evoked potential genereras genom elektrisk stimulering av Cercal nerv eller direkt mekanisk stimulering av Cerci.
Kackerlacka ventrala nerv sladd beredningen är en lätthanterlig system för neuroethology experiment, neurala nätverk modellering och testa de fysiologiska effekterna av insektsmedel. Denna artikel beskriver omfattningen av kackerlacka sensoriska modaliteter som kan användas för att analysera hur en insekt nervsystemet reagerar på miljöstörningar. Tyngdpunkten här är på flykt beteende förmedlas av Cerci till fiberöverföring jätte i Periplaneta americana. Detta kräver en beredning på plats endast måttlig dissekera skicklighet och elektrofysiologiska expertis för att generera reproducerbara inspelningar av nervaktivitet. Peptider eller andra kemiska medel kan sedan appliceras direkt på nervsystemet i lösning med fysiologisk saltlösning. Insekticider kan också administreras före dissekering och flyktkretsen kan fungera som en proxy för den hetsiga tillståndet i det centrala nervsystemet. I detta sammanhang är de analyser som beskrivs häri skulle också vara nyttigt att researchers intresserade lem förnyelse och utveckling av nervsystemets utveckling som P. americana är en etablerad modell organism.
Det finns mer än 4000 kackerlacka arter men endast omkring 30 är hushåll skadedjur. Kanske den mest kända är den felaktigt benämnda amerikansk kackerlacka Periplaneta americana som har sitt ursprung i Afrika, och finns nu nästan överallt på planeten. Utöver sin snabba löphastighet 1 och undvikande beteende, i tropikerna P. americana är kapabel av flyg 2,3.
De dominerande egenskaper kackerlacka centrala nervsystemet (CNS) är den segmenterade karaktär och decentralisering av kontrollen processer 4,5. Hjärnan, bröstkorg och buk ganglierna är sammanfogade med parade interganglionic konnektiv att bilda den ventrala nerv sladd (VNC).
Den ganglierna vid varje segment integrerar centra. De består av ett yttre, cortical region som innehåller celler som ansvarar för blod-hjärn-permeabilitetsbarriär precis under dem, och somata av neuroner ursursprung i att ganglion. Dessa somata kan tillhöra intern, modulerande neuroner, eller motoriska nervceller. De levererar axoner som finns kvar i ganglion ursprungs (lokala interneuron), eller axoner som skjuter mellan ganglierna i CNS (interganglionic interneuronen) eller att upphöra på perifera muskelceller (motoriska nervceller). De flesta somata är positione ventralt eller ventrolaterally i ganglionär cortex 5. De parade, interganglionic konnektiv endast innehåller axoner och inga neuronala cellkroppar.
Den neuropil av en ganglion innehåller gliaceller (neuroglia), axon skrifter, buntar av axoner och dendriter (neuriter) av nervceller. Den neuropil saknar neuronala cellkroppar. Detta är den region i ganglion där direkt synaptisk kommunikation mellan nervceller och integration av insatsvaror uppstår.
Förmågan hos den amerikanska kackerlackan P. americana att upptäcka och plötsligt svara på en annalkande rovdjur (fot, hand, osv.) har tillskrivits en reflex krets som består av Cerci och fibersystemet 6,7 jätte. Den Cerci är ett par av hornliknande, vindkänsliga strukturer som finns i änden av buken (Figur 1). I P. americana den ventrala ytan på varje cercus innehåller ca 200 filiform (tråd) hårstrån som är organiserade i 14 kolumner. Nio av dessa kolumner kan konsekvent identifieras i olika djur enligt svarsegenskaper tillhörande receptorcell och axon. Varje hår är i en sockel som gör det möjligt att böja lättast i ett plan som är i kolonn specifik. Rörelse av hår i en riktning längs dess plan inducerar en depolarisation i receptorcellen och en explosion av aktionspotentialer (APS) i sensoriska neuron. Rörelse i motsatt riktning hämmar några pågående spontana AP 8. Rekommenderad plan nedböjning och riktningen på svaret är olika i varje kolumn. Således filiform hair-receptorkomplex är ansvariga inte bara för att upptäcka rörelse luft utan även för "kodning", i form av accesspunkter, den riktning från vilken luftströmmen har sitt ursprung. Behandling av denna information av CNS resulterar i en "lämplig" flykt svar 6,7. Detta funktionella, kolumn specificitet de sensoriska hårstrån är bevarad från djur till djur.
Den receptorcell för varje filiform hår är ansvarig för att omvandla den mekaniska deformationen av håret i en neural händelse (vilket resulterar i en explosion eller hämning av AP i receptorcellens axon 9. APS reser till terminalen buken ganglion (A6) via Cercal nerv XI, där de synaps med gigantiska axoner i den ventrala nerv sladd (VNC). De jätte axoner tros vara ansvarig för överföring och efterföljande excitation av motoriska nervceller som resulterar i en flyktbeteende 6,10,11.
Den beteende latency of flyktsvaret hos P. americana är en av den kortaste av alla slags djur 7. Behavioral latency är tiden mellan ankomsten av en stimulans på ett mekanoreceptor och inledandet av en flykt svar. I försök med höghastighets foto för att spela in den flyktförsök från ett attacker padda ades kackerlacka observeras att börja sin tur bort från paddan i cirka 40 msek (tid från början av tung förlängning kackerlacka rörelse 7,12. Använda kontrollerade vind puffar , den beteende latens kan minskas till 11 msek. Andra experiment visade att en minimal vind puff hastighet på 12 mm / ms (med en acceleration på 600 mm / ms 2) kan framkalla en flykt svar, medan ännu lägre hastigheter (3 mm / sek) orsakade långsamt gående kackerlackor att sluta flytta 12.
Den starka korrelationen som vanligtvis finns mellan fibersystem jätte och flyktbeteende är väl dokumenterade 13,14. I instutsläppsrätter där en särskild cell, är nödvändig och tillräcklig för att framkalla ett visst beteende cellen kallas en kommando neuron 15,16. Giant intern (GIS) i vinden fly kretsen av P. americana är inte nödvändiga för reflexen. Djur som experimentellt har ablation geografiska beteckningar fortfarande uppvisar flyktbeteende därför dessa geografiska beteckningar inte betraktas kommando nervceller 17,18. Att klippa cervikala konnektiv som är rostralt om sensorimotor kretsen också påverkar beteendet, vilket indikerar att fallande inmatning från hjärnan har en effekt på utrymningsvägens riktning 19. Dessa aspekter av fin kontroll och redundans är av största vikt för organismens överlevnad och kompletteras av neurokemiska modulering via biogena aminer 20.
The P. americana nerv sladd förberedelser har varit en elegant modellsystem för neuroethologists under de senaste årtionden som börjar med det banbrytande arbetet av Roeder <sup> 21. Den tillåter studenter att spela in, visa och analysera primär sensorisk aktivitet och de resulterande svar från jätte interneuronen till sin ingång 22,23,24. Förutom att förmedla tanken att identifierbara nervbanor ligger bakom beteendemässiga reaktioner på miljön, bör dessa övningar ingjuta en uppskattning för de biologiska bidrag från denna gemensamma hushållet skadedjur.
Ett av skälen till att ställa ut tekniker för denna klassiska förberedelse är att Cerci systemet har varit och är fortfarande ett aktivt forskningsområde itu frågor om utvecklingen av neurala kretsar samt frågor om synaptiska reparation och förnyelse 26-31. Antingen metod att framkalla aktivitet i kackerlacka ventrala nerv sladd kan användas för att undersöka effekterna av farmakologiska medel eller insektsmedel på nervsystemet. Dessa experiment görs genom att helt enkelt lösa upp neuroaktiva kemikalier i saltlösning. Efter utbyte av denna lösning med normal bad mediet, kan förändringar i framkallad eller spontan aktivitet observeras vid inspelning från konnektiv eller en motor nerv för att ge en konsekvent avläsning av den kemiska påverkan på CNS-funktion.
Som i alla neurofysiologiska experiment ett vanligt problem är elektriskt brus. Förmodligen den största faktorn i signalkvaliteten för dessa preparat is sug elektroden sigill på nervvävnaden. En tätning som inte helt dra in Cercal nerv eller bind är perfekt. Inspelningar kan också göras med dubbla krok elektroder placeras under nerven sladden och isolerande VNC med en blandning av mineralolja och vaselin. Blandningen kan laddas in i en spruta och utvisades runt nerv sladd 32. Också en noggrann dissektion är så kritisk här som i alla CNS beredning. Vissa kanske tycker att det är lättare att komma åt CNS genom att dissekera ryggnagelbanden. Även om detta minskar risken för att skada den ventrala nerv sladd kan det vara svårare att ta bort alla inälvor att använda denna metod.
Det beskrivs inte här, men detta preparat är mottaglig för intracellulär registrering i den gigantiska interneuronen 32,33. Hela nerv sladd kan också tas bort för att rymma flera inspelnings och stimulerande elektroder samtidigt. Faktum utforskning av Antenn lob, svamp body, och andra främre CNS-strukturer fortfarande pågår 34-35. Medan kackerlacka CNS fortsätter att belysa modern neurobiologisk forskning denna beredning är enkel nog att användas i grundutbildningen akademiska laboratorier.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Hyewon Cooper för illustrationer.
Reagent | |||
Sylgard | Dow Corning | 182 silicone kit | 182 silicone elastomer kit |
NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C5670 | |
NaH2PO4•2H2O | Sigma-Aldrich | 71505 | |
Na2HPO4•7H2O | Sigma-Aldrich | S9390 | |
NaOH | Sigma-Aldrich | 221465 | To adjust pH |
HCl | Sigma-Aldrich | H1758 | To adjust pH |
Material Name | |||
Dissecting tools | World Precision Instruments | assortment | |
Insect Pins | Fine Science Tools, Inc | 26001-60 | |
Dissecting microscope | World Precision Instruments | PZMIII-BS | |
Glass electrodes | Sigma-Aldrich | CLS7095B5X | Box of 200, suction electrodes |
Micromanipulator | World Precision Instruments | MD4-M3-R | Can fix for base or on a metal rod |
Silver wire (10/1,000 inch) | A-M Systems | 782500 | |
Computer | any company | ||
AC/DC differential amplifier | A-M Systems | Model 3000 | |
PowerLab 26T | AD Instruments | 27T | |
Head stage | AD Instruments | Comes with AC/DC amplifier | |
LabChart7 | AD Instruments | ||
Electrical leads | any company | ||
Glass tools | make yourself | For manipulating nerves | |
Cable and connectors | any company | ||
Pipettes with bulbs | Fisher Scientific | 13-711-7 | Box of 500 |
Beakers | any company | ||
Wax or modeling clay | any company or local stores | ||
Stimulator | Grass Instruments | SD9 or S88 | |
Plastic tip for suction electrode | local hardware store (Watt's brand) | ¼ inch OD x 0.170 inch ID | Cut in small pieces. Pull out over a flame and cut back the tip to the correct size. |