En ny metode, der eliminerer Håndtering for at studere Aggression og "Loser" Effekt i<em> Drosophila melanogaster</em
Summary
Under frugt flyve kampe, de adfærdsmønstre observeret, kæmpe dynamik, og tilhørende indlæring og hukommelse påvirkes af eksperimentelle betingelser. Protokollen præsenteres her beskriver en hidtil ukendt fremgangsmåde, som helt eliminerer håndtering af fluer ved forsøg. Dette forbedrer bekæmpelse dynamik og tillader dannelse af stærke "taber" virkninger.
Abstract
Aggressiv adfærd i Drosophila melanogaster er sammensat af den sekventielle udtryk for stereotype adfærdsmønstre (til analyse se 1). Dette kompleks adfærd påvirkes af genetiske, hormonale og miljømæssige faktorer. Som i mange organismer, tidligere kæmper erfaring påvirker kampene strategi af fluer og resultatet af senere konkurrencer: tabe en kamp øger sandsynligheden for at miste senere konkurrencer, afslører "taber" effekter, der sandsynligvis involverer indlæring og hukommelse 2-4. Den indlæring og hukommelse, der ledsager udtryk for komplekse sociale adfærd som aggression, er følsom over for pre-test håndtering af dyr 5,6. Mange eksperimentelle procedurer anvendes i forskellige laboratorier for at studere aggression 7-9 imidlertid ingen rutinemæssigt anvendte protokol, der udelukker håndtering af fluer er i øjeblikket tilgængelig. Her rapporterer vi en ny adfærdsmæssige apparat, der eliminerer håndtering af fluer, hjælp instead deres medfødte negative geotactic reaktioner til at flytte dyrene ind eller ud af kampene kamre. I denne protokol, er små cirkulære kampen arenaer indeholder en fødevare kop delt i to lige store halvdele af en aftagelig plastik skyder før indførelsen af fluer. Fluer ind kamre fra deres hjem isolation hætteglas via skydedøre kammer døre og geotaxis. Efter fjernelse af plast skydere, fluer frit at interagere. Efter bestemte tidsperioder, er fluer adskilt igen ved skydere til efterfølgende eksperimenter. Alt dette sker let uden håndtering af individuelle fluer. Dette apparat giver en ny tilgang til at studere aggression og den tilhørende indlæring og hukommelse, herunder dannelsen af "taber" virkninger i flyve slagsmål. Desuden kan denne nye generelle formål adfærdsmæssige apparat anvendes til at studere andre sociale adfærd af fluer og bør i almindelighed være af interesse for at undersøge erfaring-relaterede ændringer i grundlæggende adfærdsmæssige processer.
Introduction
Aggression i animalske systemer er stærkt forbundet med køb og besiddelse af ressourcer som mad, territorium og hjælpere. I betragtning af den vigtige rolle, det spiller i fitness enkeltpersoner, er det ikke overraskende, at aggression har udviklet sig på tværs af dyreriget. Som en adaptiv træk, som direkte gavner personer, er en stærk indlæring og hukommelse komponent forbundet med aggression. I konkurrencen om social rang, tidligere kæmper erfaring påvirker resultatet af senere konkurrencer. Generelt forudgående tabende erfaring stiger, og vinde erfaring falder, sandsynligheden for at miste senere konkurrencer (kaldet "taber" og "Vinder" virkninger). "Loser" virkninger er blevet observeret i en lang række arter, og nogle rapporter tyder på, at disse kan vare i adskillige dage, mens "Vinder" virkninger normalt er af kortere varighed 2,10,11.
Den første rapport af aggressiv adfærdi bananfluer (D. ampelophila) var Sturtevant i 1915 i en beskæftiger sig med sex anerkendelse og sex valg 12 papir. Et halvt århundrede senere, mere komplette undersøgelser af mandlige frugt flyve aggression blev foretaget, der er beskrevet de fleste af de adfærdsmønstre observeret under bananfluen kampe. Disse eksperimenter blev det meste udført i små grupper af mandlige og kvindelige fluer observeret over timer 13-15. For nylig, med tilføjelse af stærke genetiske værktøjer, dyadiske enkelt sex kampen opsætninger og kortere tider af observation, D. melanogaster har vist sig som en vigtig model til undersøgelse af biologi aggression 1,16. Analyse af kampe mellem samme køn par af mandlige og kvindelige fluer viste, at aggression involverer stereotype adfærdsmønstre, at overgangen fra den ene til den anden i en statistisk pålidelig måde 1,17. Nogle af de adfærdsmønstre observerede sex-specifikke, mens andre er observeret i kampens hos begge køn. Mandlige kampe gå til højere intensitet niveauer end kvindelige slagsmål og resultat i dannelsen af dominans relationer med klare "vindere" og "tabere". På nuværende tidspunkt har mange laboratorier begyndte at undersøge den biokemiske 18, neurale 7,19-21, og genetiske 22 fundament for aggression. Desværre en meta-analyse af undersøgelser få indblik i kampen dynamik og dannelsen og vedligeholdelsen af dominans relationer er problematisk på grund af brugen af en flerhed af eksperimentelle procedurer i forskellige laboratorier. Væsentlige alle teknikkerne beskrevet i litteraturen indbefatter håndtering og manipulation af fluer at anvende dem i arenas 19,23,24 og under adfærdsmæssige forsøg 3,4 overføre fluer ud af arenaer. Let aspiration er den mest almindelige måde at manipulere fluer 3,4,23-25, men kulde eller CO 2 anæstesi anvendes også 9,26, selv om porrige undersøgelser, der allerede har rapporteret, at disse procedurer har skadelige virkninger på flue adfærd 27,28. En periode på mindst 24 timer, anbefales efter anvendelse af eventuelle bedøvelsesmidler til at minimere deres virkninger på adfærd 29,30.
Fluer lære af tidligere kampe erfaringer og ændre deres adfærdsmæssige brugsmønster i nye situationer, hvilket tyder på, at læring og hukommelse ledsage og er konsekvenserne af agonistiske møder. I den forstand, flyve kampe ligner til operant conditioning læringssituationer, hvor flyver lære, at en strategi har virket, og derefter bruge det oftere og oftere i løbet af de efterfølgende møder. Fluer ændre deres kæmpende strategier efter dominans relationer er blevet etableret i løbet af kampe, med vindere lunge mere og mere og tabere mindre og mindre. Efter en periode med adskillelse, tidligere tabere viser meget mere underdanig adfærd og er meget tilbøjelige til at miste 2. kæmper når parret med naive flerne eller tidligere vindere 3,4. Imidlertid har der ikke findes en eksperimentel procedure, der udelukker håndtering af fluer gjort detaljerede undersøgelser af "taber" -effekter vanskelig. I en nylig undersøgelse, sammenlignede vi to eksperimentelle procedurer rutinemæssigt anvendes i laboratorier (aspiration og kold-anæstesi) at indføre fluer i adfærdsmæssige kamre til den nye procedure, der eliminerer håndtering. Resultaterne viste, at kold-anæstesi havde langt større negative virkninger for aggression end aspiration, men selv aspiration reduceret niveau af aggressivitet af fluer. Aspiration har dog forårsage meget væsentlig indvirkning på indlæring og hukommelse, der ledsager aggression. Efter identisk protokol med to eksperimentelle procedurer (aspiration og ingen håndtering), en robust "taber" effekt blev først observeret, når håndteringen af fluer blev slået ud af den eksperimentelle procedure 5,6.
Ideelt, undersøgelser af Drosophila aggression i Labotorier bør omfatte miljømæssige situationer, som fluer normalt støder på i naturen (konkurrence om ressourcerne, territorium at forsvare og plads til at flygte). Desuden bør eksperimentelle betingelser optimeres til pålideligt fremkalde, observere og fortolke opførsel under eksamen (forsøge at minimere håndtering af dyr, begrænse brugen af CO 2 som bedøvelsesmiddel, og standardisere de eksperimentelle procedurer). I forsøget på at løse de fleste eller alle disse spørgsmål, designet vi en ny adfærdsmæssige apparat der eliminerer håndtering af fluer før, under og efter at introducere dem til adfærdsmæssige arenaer. Med disse apparater, fluer bruge deres medfødte negative geotaxis skal flyttes og overføres ind og ud af kampen kamre. Ved at eliminere håndtering af fluer, protokollen har til formål at: (a) at reducere adfærdsmæssige variation blandt individer; (b) nedsætte den nødvendige tid til fluer til at interagere og generere klare dominans relationer (mænd); og (c) pålideligt inducerer stærk nok behavioral ændringer at tillade dannelse af "taber" virkninger.
Denne protokol beskriver en ny eksperimentel apparat og en trinvis fremgangsmåde til at analysere aggression og at tillade dannelsen af en stærk "taber" effekt i D. melanogaster. Vi forventer, at denne adfærdsmæssige apparat kan let tilpasses til studiet af andre sociale adfærd udstillet af bananfluer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den moderne æra af at bruge Drosophila med sin kraftfulde genetiske metoder som en model organisme for studiet af aggression begyndte omkring en halv snes år siden med indførelsen af nye eksperimentelle arenaer, hvor pålidelig kæmper adfærd kunne opnås med enkelte par af fluer 1,7, 8,17,19. Disse arenaer omfattede ønskede ressourcer (en fødevare kop, potentielle hjælpere) og et rum for taber flyver at trække sig tilbage ind. Når resultaterne opnået med disse arenaer blev tilsat til tidli…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af tilskud fra Statens Institut for General Medical Sciences (GM099883 og GM074675) til EAK De finansieringskilderne havde nogen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet. Vi takker de mennesker fra vores maskinværksted ved Harvard Medical School for udformningen af den adfærdsmæssige apparat (kontakt: http://mikesmachine.com).
Forfatter bidrag: ST, BC designet adfærdsmæssige apparat. ST designet og optimeret forsøgsprotokollen. ST og BC udført og analyseret eksperimenterne. ST, EAK og BC skrev papiret.
Materials
| Drosophila melanogaster pupa | Bloomington Stock Center | ||
| Standard fly food | Fabricated in-house. | ||
| Behavioral chambers | Mike machine | Fabricated in-house. Directly contact the compagny for more informations. | |
| Borosilicate glass vials | VWR International | 47729-576 | 16 x 10 mm |
| Cotton | Fisherbrand | 22-456-881 | Any brand can be used |
| Pasteur pipettes | VWR International | 53300-567 | |
| Paintbrush | Blick Art Material | 06157-7030 | Round , Size 3/0 |
| Toothpick | N/A | N/A | Any brand can be used |
| Acrylic paint (blue/white) | Blick Art Material | 01637-5172/01637-1022 | Any brand can be used |
| Dry active yeast | Sigma | YSC2-500G | |
| Srew cap tube | VWR International | 10011-394 | 15 mm diameter, 10 mm height |
| Eppendorf | VWR International | 22363212 | |
| Tape | N/A | N/A | Any brand can be used |
| Plastic slices | Electron Microscopy Sciences | 70329-40 | 22 x 40 x 0.25 mm Thickness |
| Light source (bulb) | VWR International | 500003-418 | Any brand can be used |
| Timer | VWR International | 62344-641 | Any brand can be used |
| Incubator | Percival | Directly contact the constructor for more informations. | |
| Carbon Dioxide Dry (CO2) | Medical-Technical Gases, Inc | 14H31 | |
| Binocular | Nikon | SMZ-745 | Any brand can be used |
| Camera (SONY Handycam HDR-CX330) | B&H | SOHDRCX330B | Any brand can be used |
| Computer | With a minimum of 1.4 Ghz Processor, running Microsoft Windows or Machintosh HD | ||
| ClipWrap | Download online | Any importing software can be used | |
| QuickTime Player | Download online | Any reading software can be used | |
| GraphPad Software | Online | Any statistical software can be used |
References
- Chen, S., Lee, A. Y., Bowens, N. M., Huber, R., Kravitz, E. A. Fighting fruit flies: a model system for the study of aggression. Proc Natl Acad Sci U S A. 99, 5664-5668 (2002).
- Hsu, Y., Earley, R. L., Wolf, L. L. Modulation of aggressive behaviour by fighting experience: mechanisms and contest outcomes. Biol Rev Camb Philos Soc. 81, 33-74 (2006).
- Yurkovic, A., Wang, O., Basu, A. C., Kravitz, E. A. Learning and memory associated with aggression in Drosophila melanogaster. Proc Natl Acad Sci U S A. 103, 17519-17524 (2006).
- Penn, J. K., Zito, M. F., Kravitz, E. A. A single social defeat reduces aggression in a highly aggressive strain of Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 12682-12686 (2010).
- Trannoy, S., Chowdhury, B., Kravitz, E. A. Handling alters aggression and ‘loser’ effect formation in Drosophila melanogaster. Learn Mem. 22, 64-68 (2015).
- Trannoy, S., Kravitz, E. A. Learning and memory during aggression in Drosophila: handling affects aggression and the formation of a ”loser” effect. Journal of Nature and Science. 1 (3), e56 (2015).
- Alekseyenko, O. V., Chan, Y. B., Li, R., Kravitz, E. A. Single dopaminergic neurons that modulate aggression in Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 6151-6156 (2013).
- Dierick, H. A., Greenspan, R. J. Serotonin and neuropeptide F have opposite modulatory effects on fly aggression. Nat Genet. 39, 678-682 (2007).
- Williams, M. J., et al. Regulation of aggression by obesity-linked genes TfAP-2 and Twz through octopamine signaling in Drosophila. Genetics. 196, 349-362 (2014).
- Chase, I. D., Bartolomeo, C., Dugatkin, L. A. Aggressive interactions and inter-contest interval: how long do winners keep winning?. Anim. Behav. 48, 393-400 (1994).
- Goessmann, C., Hemelrijk, C., Huber, R. The formation and maintenance of crayfish hierarchies: behavioral and self-structuring properties. Behav Ecol Sociobiol. 48, 418-428 (2000).
- Sturtevant, A. H. Experiments on sex recognition and the problem of sexual selection in Drosophila. J Animal Behav. 5, 351-366 (1915).
- Jacobs, M. E. Influence of light on mating of Drosophila melanogaster. Ecology. 41, 182-188 (1960).
- Dow, M. A., von Schilcher, F. Aggression and mating success in Drosophila melanogaster. Nature. 254, 511-512 (1975).
- Hoffmann, A. A laboratory study of male territoriality in the sibling species Drosophila melanogaster and D. simulans. Anim. Behav. 35, 807-818 (1987).
- Vrontou, E., Nilsen, S. P., Demir, E., Kravitz, E. A., Dickson, B. J. fruitless regulates aggression and dominance in Drosophila. Nat Neurosci. 9, 1469-1471 (2006).
- Nilsen, S. P., Chan, Y. B., Huber, R., Kravitz, E. A. Gender-selective patterns of aggressive behavior in Drosophila melanogaster. Proc Natl Acad Sci U S A. 101, 12342-12347 (2004).
- Fernandez, M. P., Kravitz, E. A. Aggression and courtship in Drosophila: pheromonal communication and sex recognition. J Comp Physiol A Neuroethol Sens Neural Behav Physiol. 199, 1065-1076 (2013).
- Alekseyenko, O. V., et al. Single serotonergic neurons that modulate aggression in Drosophila. Current biology : CB. 24, 2700-2707 (2014).
- Asahina, K., et al. Tachykinin-expressing neurons control male-specific aggressive arousal in Drosophila. Cell. 156, 221-235 (2014).
- Andrews, J. C., et al. Octopamine neuromodulation regulates Gr32a-linked aggression and courtship pathways in Drosophila males. PLoS genetics. 10, e1004356 (2014).
- Zwarts, L., et al. Complex genetic architecture of Drosophila aggressive behavior. Proc Natl Acad Sci U S A. 108, 17070-17075 (2011).
- Dierick, H. A. A method for quantifying aggression in male Drosophila melanogaster. Nat Protoc. 2, 2712-2718 (2007).
- Wang, L., et al. Hierarchical chemosensory regulation of male-male social interactions in Drosophila. Nat Neurosci. 14, 757-762 (2011).
- Davis, S. M., Thomas, A. L., Nomie, K. J., Huang, L., Dierick, H. A. Tailless and Atrophin control Drosophila aggression by regulating neuropeptide signalling in the pars intercerebralis. Nat Commun. 5, 3177 (2014).
- Yuan, Q., Song, Y., Yang, C. H., Jan, L. Y., Jan, Y. N. Female contact modulates male aggression via a sexually dimorphic GABAergic circuit in Drosophila. Nat Neurosci. 17, 81-88 (2014).
- Perron, J. M., Huot, L., Corrivault, G. W., Chawla, S. S. Effects of carbon dioxide anaesthesia on Drosophila melanogaster. J Insect Physiol. 18, 1869-1874 (1972).
- Joachim, D., Curtsinger, J. W. Genotype and anesthetic determine mate choice in Drosophila melanogaster. Behav Genet. 20, 73-79 (1990).
- Barron, A. B. Anaesthetising Drosophila for behavioural studies. J Insect Physiol. 46, 439-442 (2000).
- Greenspan, R. J. . Fly Pushing: The theory and Practice of Drosophila Genetics. , (1997).
- Cabral, L. G., Foley, B. R., Nuzhdin, S. V. Does sex trade with violence among genotypes in Drosophila melanogaster?. PLoS One. 3 (4), e1986 (2008).
