אנו מודים לד&quot;ר כריס רוג&#39;רס (אוניברסיטת טאפטס) לקבלת הצעות תכנות וכתב יד. אנו מודים לאלכס ג&#39;וליאנו ודבורה לי לתמיכת הפקת וידאו. מימון הניתן על ידי NSF בוגרת מלגת מחקר וmuri ONR בביולוגיה סינטטי.

1. בניית מודל הרובוט <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר אורגניזם מודל ללמוד שמיוצג היטב בספרות neuroethological. חסרי חוליות באופן כללי להפוך את מועמדים טובים בגלל מערכת העצבים פשוטה יחסית נחקרה היטב ומורכב בעיקר של רפלקסים מולדים. נדגים גישה זו באמצעות לובסטר האמריקאי, Homarus americanus. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר היטב למדו התנהגויות רפלקסיביות לצרכי דוגמנות. אנו בחרנו תגובות של הלובסטר לעיקול ומחושים לאיתור בליטה טופר כחיה רפלקסיבי מגיבה לכיפוף של אנטנות כדי לעורר rheotaxis (נטייה לזרימת מים) ואילו אנשי קשר טפר לתווך הימנעות ממכשולים. רפלקסים פשוטים הנשענים על decussating קשרים עצביים מחיישני ילטרלי סימטריים מתאימים גם לסוג זה של מחקר זה 1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבנות או לבחור פלטפורמה רובוטית עם חיישנים מתאימים להתנהגויות שנבחרו על מנת להפעיל העצביסימולציה של רשת. בעוד רובוט ייעודי ניתן לבנות כגון פרבור (ג&#39;וק) רובוט משפחת 13 12 RoboLobster או, כאן אנו משתמשים בערכה זמינה מסחרי כדי לזרז את תהליך הניסוי. לגו Mindstorms NXT 2.0 הערכה, מתן תבניות, רכיבים מודולריים וחיישנים שנקבעו, מאפשרת לבנייה הפיסית המהירה של הרובוט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר או לבנות חיישנים כדי להתאים את שיטות של ההתנהגויות שנבחרו בשלב 1.2. Premade יכולים לשמש חיישנים מגו Mindstorms הערכה או יכולים להיות מהונדסים חיישני homebrew 14,15. יש לנו נבחרת חיישן מגע לגו וכלל חיישן עיקול מחושים מותאם אישית בהיקף של חיישן עיקול FlexPoint שחבור למחבר NXT. לבנות מחבר התנגדות מותאם אישית, לחתוך חוט מחבר NXT ולרתך את הכבלים השחורים ולבנים למוביל של החיישן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במחקרים שפורסמו בעבר neuroethological למצוא או לפתח רשת עצבית היפותטית לדוגמנות עמ &#39;urposes. הספרות הציעה רשתות עצביות שונות כדי להסביר את ההתנהגות באורגניזמים מודל שונים, מלובסטרים 16 לצמד הים 17. יחידות עצביות פונקציונליות צריכים להיות מזוהות והקשרים סינפטיים תאוריה. יכולים להיות גם שפותחו ניסויי neuroethological רומן ויישמו אם נסיבות תאפשר מעבדה. </li></ol> 2. תכנות מערכת העצבים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתוכנת LabVIEW יחד עם מודול LabVIEW לגו Mindstorms NXT ליצור מכשירים וירטואליים (VIS) שרצים למשוואות מתמטיים נוירון ומודל סינפסה. אמנם ניתן להשתמש בכל מודל שפורסם, אנו ממליצים בפעם דיסקרטית מבוסס המפה (DTM) מודל 18. זה מאפשר לפעולה בזמן אמת, תוך שמירה על המחשוב יעיל במגוון של משטרי פלט ירי עצביים. שני פרמטרים בקרה, אלפא סיגמא, ולקבוע את הדינמיקה של נוירון המדומה כדי להפיק פלט עצבי מגוון הכוללים טוניג spiking, ירי כאוטי, שתיקה מתפרצת ומהותית. ניתן למצוא LabVIEW מול Mindstorms לגו למודל נוירון זה באינטרנט כאן: <a href="http://myfiles.neu.edu/blustein.d/neurobots" target="_blank">http://myfiles.neu.edu/blustein.d/neurobots</a> </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מקום מול לתוך לולאה בזמן, כך שהרשת תעדכן iteratively. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר תפוקות ספייק נוירון presynaptic דרך סינפסות לנוירונים postsynaptic. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פס iteratively מעדכן פרמטרים באמצעות שינוי יירשם לחישוב המחזור הבא. מודל העדכונים המהיר DTM (x) ומשתנים דינמיים איטיים (y), כי הם עברו לאיטרציה הבאה של חישובים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להגדיר את פרמטרי סינפסה להגדיר מאפייני רשת. עבור כל סינפסה, חוזק סינפטי (gsyn), שיעור ההרפיה (גמא), ופוטנציאל ההיפוך (XRP) הם מקדמים במשוואות מודל DTM הקובעות את התנהגות הסינפטי. הערך של gsyn הוא רבPlier הקובע את עוצמת ההשפעה הנוכחית הסינפטי מאירוע ספייק, הנעה בין 0.0 (ללא אפקט) ל -1.0 (% אפקט 100). הערך של גמא הוא מכפיל הקובע את קצב הדעיכה של הזרם הסינפטי ללא קשר לאירועי ספייק, הנע בין 0.0 (ריקבון מלא) ל1.0 (אין ריקבון). הערך של XRP קובע את רמת עירור או העיכוב של סינפסה, ערכים בדרך כלל נע בין 3.0 ל -3.0 עם ערכים חיוביים מייצגים את העירור וערכים שליליים המייצגים את העיכוב. יכולים להיות מכוון לערכי מאפייני הרשת הספציפיים שלך. כאן אנו משתמשים בהגדרות הבאות: גמא = 0.95, 0.60 = gsyn וXRP = 2.2 (סינפסה מעוררת) או -1.8 (סינפסה המעכבת). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם אלפא ופרמטרי בקרת סיגמא לשנות פעילות הנוירון תחילת המחקר. את הדינמיקה של המודל עבור פרמטרים בקרה שונים מתואר בפירוט במקומות אחרים אבל בדרך כלל 18, אלפא </em&gt; &lt;4 מייצר פעילות עצבית באופן מהותי שתקה לערכים נמוכים סיגמא או טוניק spiking לערכי סיגמא גבוהים. המעבר בין &#39;נמוכה&#39; ו &#39;גבוהה&#39; ערכי סיגמא מתרחש בדרך כלל בין 1.0 -1.0 ובהתאם לערך אלפא. מתפוצץ פעילות הנוירון מיוצר עבור אלפא&gt; 4 כאשר ערכי סיגמא הם קרובים לאפס. כאן אנו משתמשים אלפא = 4.05 וסיגמא = -3.10. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במידע LabVIEW מול חיישן קלט לתוך הרשת שלך כדי. לחיישנים הניתנים, VIS כבר זמין בתוך מודול LabVIEW Mindstorms. עבור חיישני התנגדות מותאמים אישית, השתמש בחיישן האור השישי כמסגרת תכנות. ניתן למצוא מידע על יצירת חיישני homebrew מקום אחר 14. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס תרשימים גרפיים על הלוח הקדמי של תכנית LabVIEW לדמיין פעילות עצבית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> באופן זמני להחליף תשומות חיישן עם קופסות בקרת לוח קדמיות על מנת לתפעל את החיישן באופן ידנימידע הולך לרשת העצבית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את הרשת העצבית וידניות להתאים את בקרות לוח הקדמיות כדי להציג קלט חושי מגוון. ודא שהרשת איכותית מתפקדת כפי שחזה לתנאים ידועים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את הרשת לפי צורך על ידי שינוי פרמטרי נוירון והסינפסה. ניסיונות הראשונים לכוונון הרשת צריך להיעשות על ידי שינוי חוזק סינפטי (gsyn) של סינפסות השונות. פרמטרים אחרים יכולים שיהיה צורך להתאים גם כן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברגע שפונקציות הרשת איכותי עם דיוק, להחליף את תיבות לוח הבקרה הקדמיות עם חיישן קלט VIS. </li></ol> 3. בדיקת הדמיה של מערכת עצבים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הסביבה מבוקרת שבו כדי לבחון את בעלי החיים ואת הרובוט בתנאים דומים. אנו משתמשים במכל מלבני המכיל מכשולי סלע (איור 1). יכול להיות מרוקן את המכל כדי להתאים את הרובוט לגו באותו החלל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר AVמעל המצלמה IDEO להקליט את התנהגות רובוט בעלי החיים /. ודא את הניגוד בין הנושא והרקע הוא גבוה, כדי לאפשר מעקב אוטומטי. אנחנו צבענו את חלקו התחתון של בדיקת הטנק הלבן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את החיה בסביבה המבוקרת ולהקליט וידאו בהתנהגות. הקפד להגביל את היכולות החושיות של הלובסטר לתואם את אלה של הרובוט. כאן אנו מגבילים את היכולות החושיות של הלובסטר על ידי כיסוי העיניים עם מסכת נייר אלומיניום וdeafferenting chemoreceptors עם מים מתוקים 19. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את הסביבה כדי שיתאים לרובוט לגו (הסרת מים במידת צורך) ולהפעיל את הרובוט באותה הסביבה מבוקרת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתסריט MATLAB כדי לעקוב באופן אוטומטי את הסמנים בדגימות. אנו משתמשים בMouseLabTracker 20. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יצירה ולהשוות חלקות וקטור של בעלי החיים ותנועות רובוט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשנות את מערכת עצבים וחזרו על שלבים 3.3-3.6 כדי לבחון כיצד היבטים שונים האלקטרונימערכת עצבים משפיעה על התנהגותו של הרובוט. כאן אנו להתאים את החוזק הסינפטי בין תאי עצב טפר חתחת החיישן והמערכת המוטורית וביצועי רובוט לפקח בהשוואה לזו של לובסטר. לחלופין, ניתן לשנות את התנאים החושיים בזירת המבחן ואת ההשפעות שנצפו ברובוט ובעלי חיים. לדוגמה, בזירה שתוארה כאן יכולה להיות נתונה לספיקות מים שונות. </li></ol>

<ol>
	<li>Braitenberg, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Taxis,+kinesis+and+decussation.">Taxis, kinesis and decussation.</a> Prog. in Brain Res. 17, 210-222 (1965).</li><li>Schregardus, D. S., Pieneman, A. W., Ter Maat, A., Jansen, R. F., Brouwer, F., Gahr, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+lightweight+telemetry+system+for+recording+neuronal+activity+in+freely+behaving+small+animals.">A lightweight telemetry system for recording neuronal activity in freely behaving small animals.</a> Journal of Neuroscience Methods. 155 (1), 62-71 (2006).</li><li>Kagaya, K., Takahata, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Readiness+discharge+for+spontaneous+initiation+of+walking+in+crayfish.">Readiness discharge for spontaneous initiation of walking in crayfish.</a> Journal of Neuroscience. 30 (4), 1348-1362 (2010).</li><li>Schrameck, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crayfish+Swimming:+Alternating+Motor+Output+and+Giant+Fiber+Activity.">Crayfish Swimming: Alternating Motor Output and Giant Fiber Activity.</a> Science. 169 (3946), 698-700 (1970).</li><li>Kanz, J. E., Eberly, L. B., Cobbs, J. S., Pinsker, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+correlates+of+siphon+withdrawal+in+freely+behaving+Aplysia.">Neuronal correlates of siphon withdrawal in freely behaving Aplysia.</a> J. Neurophysiol. 42 (6), 1538-1556 (1979).</li><li>Webb, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Validating+biorobotic+models.">Validating biorobotic models.</a> Journal of Neural Engineering. 3, 1-20 (2006).</li><li>Wessnitzer, J., Asthenidis, A., Petrou, G., Webb, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+cricket-controlled+robot+orienting+towards+a+sound+source.">A cricket-controlled robot orienting towards a sound source.</a> Proceedings of the 12th Annual conference on Towards autonomous robotic systems. , 1-12 (2011).</li><li>Grasso, F., Atema, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integration+of+flow+and+chemical+sensing+for+guidance+of+autonomous+marine+robots+in+turbulent+flows.">Integration of flow and chemical sensing for guidance of autonomous marine robots in turbulent flows.</a> Environ. Fluid Mech. 2 (1), 95-114 (2002).</li><li>Westphal, A., Rulkov, N. F., Ayers, J., Brady, D., Hunt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+a+lamprey-based+robot+with+an+electronic+nervous+system.">Controlling a lamprey-based robot with an electronic nervous system.</a> Smart Struct. and Systems. 8 (1), 39-52 (2011).</li><li>Chao, Z. C., Bakkum, D. J., Potter, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shaping+embodied+neural+networks+for+adaptive+goal-directed+behavior.">Shaping embodied neural networks for adaptive goal-directed behavior.</a> PLoS Computational Biology. 4 (3), e1000042 (2008).</li><li>Blustein, D., Schultheis, K., Ayers, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Building+nervous+systems+for+robots:+an+interactive+and+collaborative+neuroscience+curriculum.">Building nervous systems for robots: an interactive and collaborative neuroscience curriculum.</a> , (2011).</li><li>Ayers, J., Blustein, D., Westphal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Conserved+Biomimetic+Control+Architecture+for+Walking,+Swimming+and+Flying+Robots.">A Conserved Biomimetic Control Architecture for Walking, Swimming and Flying Robots.</a> Lect. Notes on Artif. Intelli. 7375, 1-12 (2012).</li><li>Cowan, N., Ma, E., Cutkosky, M., Full, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Biologically+Inspired+Passive+Antenna+for+Steering+Control+of+a+Running+Robot.">A Biologically Inspired Passive Antenna for Steering Control of a Running Robot.</a> , 541-550 (2003).</li><li>Gasperi, M., Hurbain, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Extreme NXT: Extending the LEGO MINDSTORMS NXT to the Next Level. , (2007).</li><li>Gasperi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> LabVIEW for LEGO MINDSTORMS NXT. , (2008).</li><li>Kennedy, D., Davis, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+27+Organization+of+invertebrate+motor+systems.">Chapter 27 Organization of invertebrate motor systems.</a> Handbook of Physiology. 1, 1023-1088 (1977).</li><li>Buchanan, J., Grillner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Newly+identified+"glutamate+interneurons"+and+their+role+in+locomotion+in+the+lamprey+spinal+cord.">Newly identified "glutamate interneurons" and their role in locomotion in the lamprey spinal cord.</a> Science. 236 (4799), 312-314 (1987).</li><li>Rulkov, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+of+spiking-bursting+neural+behavior+using+two-dimensional+map.">Modeling of spiking-bursting neural behavior using two-dimensional map.</a> Physical Review E. 65, (2002).</li><li>Derby, C. D., Atema, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Narrow-spectrum+chemoreceptor+cells+in+the+walking+legs+of+the+lobster,+Homarus+americanus:+Taste+specialists.">Narrow-spectrum chemoreceptor cells in the walking legs of the lobster, Homarus americanus: Taste specialists.</a> Journal of Comparative Physiology A. 146 (2), 181-189 (1982).</li><li>Tort, A. B. L., Neto, W. P., Amaral, O. B., Kazlauckas, V., Souza, D. O., Lara, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+webcam-based+approach+for+the+measurement+of+rodent+locomotion+and+other+behavioural+parameters.">A simple webcam-based approach for the measurement of rodent locomotion and other behavioural parameters.</a> Journal of Neuroscience Methods. 157 (1), 91-97 (2006).</li><li>Huxley, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Crayfish, An Introduction to the Study of Zoology. , (1880).</li><li>Blustein, D., Ayers, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+conserved+network+for+control+of+arthropod+exteroceptive+optical+flow+reflexes+during+locomotion.">A conserved network for control of arthropod exteroceptive optical flow reflexes during locomotion.</a> Lect. Notes on Artif. Intelli. 6226, 72-81 (2010).</li><li>Webb, B., Scutt, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+latency-dependent+spiking-neuron+model+of+cricket+phonotaxis.">A simple latency-dependent spiking-neuron model of cricket phonotaxis.</a> Biological Cybernetics. 82 (3), 247-269 (2000).</li><li>Demarse, T. B., Wagenaar, D. A., Blau, A. W., Potter, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Neurally+Controlled+Animat:+Biological+Brains+Acting+with+Simulated+Bodies.">The Neurally Controlled Animat: Biological Brains Acting with Simulated Bodies.</a> Autonomous Robots. 11 (3), 305-310 (2001).</li><li>Novellino, A., D'Angelo, P., Cozzi, L., Chiappalone, M., Sanguineti, V., Martinoia, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Connecting+neurons+to+a+mobile+robot:+an+in+vitro+bidirectional+neural+interface.">Connecting neurons to a mobile robot: an in vitro bidirectional neural interface.</a> Computational Intelligence and Neuroscience. , 12725 (2007).</li></ol>

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

בעת ביצוע ניסויי סימולציה של מערכת עצבים biorobotic, ישנם כמה קווים מנחים חשובים לעקוב. בחירת אורגניזם המודל הנכון היא קריטית: לאסוף האורגניזם שהוא קל להשגה ולתחזוקה. חסרי חוליות הן אידיאליים, כי הם בדרך כלל לא דורשים את אישור מוסדי לניסויים ולצרכי הגידול בעלי הם לעתים קרובות פחות תובעניים מאלו של בעלי חוליות. מנקודת מבט מדעית, זה מועיל לבחירת בעל חיים שיש לו רקורד ספרות neuroethological ומבוסס שממנו ניתן להסיק השערות לבדיקת 21. חשובה בדיוק כמו בחירת האורגניזם מתאים היא הבחירה של רפלקסים התנהגות מתאימים למחקר. פלטפורמת NXT הגו יכולה לטפל רק ארבעה חיישנים ללא שינויים מותאמים אישית ולכן בחירת מערכת חושית פשוטה יחסית עם חיישנים מוגבלים הוא חשוב. רפלקסים התנהגותיים פשוטים לעתים קרובות תאר היטב ולספק גמישות רבה יותר בhypotheses שיכול להיבדק. כוח המחשוב של NXT הוא גורם מגביל מדי ולכן מאמצים צריכים להיעשות כדי לצמצם את היקף הסימולציה של מערכת העצבים. מדענים לעתים קרובות לפרסם הציעו רשתות עצביות המסבירות התנהגויות מסוימות וזה הקל ביותר כדי לבחור אחד מאלה. מסים וkineses פשוטים מתאימים גם לגישת biorobotic זה 22. בעוד הגישה זו שימושית לבדיקה מהירה של השערות במערכת עצבים, יש כמה מגבלות שכדאי לזכור. היקף הבדיקה אפשרי מוגבל. מערכות חושיות מורכבות לא ניתן להשתמש בפלטפורמה זו. לדוגמה, בעיבוד חזותי מורכב הוא מעבר ליכולת של מעבד NXT אבל שאלות הקשורות יכול להיות מטופל על ידי חקירת מרכיבים פשוטים יותר של מערכת הראייה, כגון עיבוד זרימה אופטית. חבילת החיישן לNXT מספקת כמה מגבלות מובנות כלהיקף חקירות זמינות. אמנם ניתן לפתח חיישנים מותאמים אישית ושימוש on NXT, זה זמן רב בתהליך שדורש מומחיות אלקטרוניקה, אולי מבטל את היתרונות של הפלטפורמה ליישום ניסיוני מהיר. אמנם יש מגבלות על הטווח של השערות שיכולות להיות שנבדקו, גישה זו מספקת כלי ייחודי לביצוע שלב המוקדם של סימולציות במערכת עצבים גלומות. הפלטפורמה לגו Mindstorms NXT יכולה לשמש כקרש קפיצה לבדיקה יסודית יותר השערות ברמת מערכות כפי שמודגם על ידי רובוטים כגון RoboLamprey 9 וקריקט הרובוטית של ברברה ווב 23. רכיבים פשוטים של ארכיטקטורות בקרת biomimetic נרחבות ניתן לבדוק בצורה מהירה ופשוטה. השיטה יכולה גם לקדם את הסימולציות ביו היברידיות השולטות סוכנים וירטואליים לכוללים מגולם שליטה ברכב 24, והיא יכולה לשמש כמסגרת שליטת biomimetic לממשק בין המוח למכונה 25. באמצעות לגופלטפורמת Mindstorms מאפשרת העברה של גישת biorobotic זה לקהל רחב יותר בבתי ספר ובמעבדות מחוץ לרובוטיקה. הכלים היו בשימוש על ידי בית ספר תיכון וסטודנטים 11 ולספק שיטה המבוססת על החקירה מרגשת ללמד את מדעי המוח, רובוטיקה, וערכיו של המדע בינתחומי. מעבדות ללא ציוד או הרקע דרוש כדי לבנות רובוטים יכולים להשתמש בערכת רובוטיקה הזרם המרכזי נתמכת היטב זה לשימוש רובוטים ככלי בעבודתם. גישת biorobotic אפשר ליישם למחקר במגוון רחב של תחומים, החל ממדעי המוח ואתולוגיה לביומכניקה והתנהגות חברתית.

חקירות neurophysiological במהלך 100 השנים האחרונות הרחיבו מאוד את הידע של מבנה מערכת עצבים ובתפקוד שלנו. עם זאת, הרוב המכריע של מחקר מערכת עצבים עד כה הסתמך על השימוש בתכשירים בודדים או נושאים מאופקים. אמנם יש כבר הרבה מאמצים מוצלחים להקלטת פעילות עצבית מהתנהגות בעלי חיים 2-5 באופן חופשי, גישת biorobotic מספקת כלי רב ערך כדי לאפשר למניפולצית מערכת עצבים על מנת לבדוק מערכות השערות מדעי המוח ברמת 6. מערכות עצבים מדומה הפועלות על רובוטים ניתן להשפיע באופן ניסיוני ולאפשר הרחבה של תוכנת מודלים לעולם הפיזי. גישה זו יושמה גם בעולם האקדמי 7,8 אבל בתהליך של בניית רובוט biomimetic לבדיקת השערה יכול להיות יקר זמן רב. אנו מציגים שיטה לביצוע גישת biorobotic באמצעות רובוטיקה K זמין מסחריזה (לגו Mindstorms NXT 2.0). המטרה של שיטה זו היא לספק דרך מהירה ויעילה לבדיקת מערכות ברמת השערות מדעי המוח ברובוטית או 9 סימולציות רשת עצביות ביולוגיות היברידיות 10 גלומות. מאיץ את התהליך מהשערה לניסוי משפר את הפרודוקטיביות מחקר. פלטפורמת Mindstorms לגו פשוט מספקת מיטת בדיקה לחיישני biomimetic ורשתות עצביות שבו אנו מדגימים באמצעות לובסטר האמריקאי (Homarus americanus) כאורגניזם מודל. השיטה מספקת גם עוצמה הידיים על כלי חינוכי בכיתה כתלמידים יכולים לתכנן ולתפעל מערכות עצבים לרובוטים 11 משלהם.

designing and implementing nervous system simulations on lego robots

אנו מציגים שיטה להשתמש בפלטפורמת הרובוטיקה LEGO Mindstorms NXT זמינה מסחרי כדי לבדוק את מערכות השערות מדעי המוח ברמה. הצעד הראשון של השיטה הוא לפתח מערכת עצבים סימולציה של התנהגויות רפלקסיביות ספציפיות של אורגניזם מודל מתאים, כאן אנו משתמשים בלובסטר האמריקאי. רפלקסים Exteroceptive תיווך decussating (מעבר) קשרים עצביים יכולים להסביר מוניות של בעלי חיים לכיוון או הרחק מגירוי כפי שתואר על ידי Braitenberg והם בעיקר מתאימים לחקירה באמצעות פלטפורמת NXT. 1 הסימולציה מערכת העצבים מתוכנת באמצעות תוכנת LabVIEW בגו פלטפורמת Mindstorms. ברגע שמערכת העצבים היא מכוונת כמו שצריך, ניסויים התנהגותיים מנוהלים על הרובוט ועל בעלי החיים בתנאים סביבתיים זהים. על ידי שליטה בסביבה החושית שחווים את הדגימות, ניתן לראות הבדלים בפלטים התנהגותיים. הבדלים אלה עשויים להצביע על ספציפי deficiencies במודל מערכת העצבים ומשמש להודיע ​​איטרציה של המודל להתנהגות מסוימת תחת מחקר. שיטה זו מאפשרת למניפולציה הניסויית של מערכת עצבים אלקטרונית ומשמשת כדרך לחקור השערות מדעי המוח באופן ספציפי בנוגע לבסיס neurophysiological של התנהגויות רפלקסיביות מולדות פשוטות. לגו Mindstorms NXT הערכה מספקת פלטפורמה נוח ויעילה שעליו לבדוק את תוכניות בקרת רובוט biomimetic ראשוניות. הגישה היא גם מתאימה מאוד לכיתה בבית הספר הגבוהה לשמש כבסיס לידות על חקירה המבוססת על תכנית לימודים biorobotics.

תשומות מטפריו של לובסטר לתוך מערכת העצבים שלו לתווך משא ומתן מכשול בסביבת רומן. איור 1 מציג צילום מסך של הווידאו להשתמש כדי לנתח את ההתנהגות של רובוט לגו (איור 1 א) ולובסטר (איור 1) בזירת המבחן. זירת המבחן הייתה ללא שינוי בין בעלי החיים ובדיקות רובוט אלא שהמים התרוקנו מהמכל לניסויי הרובוט. תוצאות מעקב וידאו מוצגות באיור 2. נתיבי נסיעה של בעלי חיים ורובוט היו במעקב באופן אוטומטי באמצעות MouseLabTracker 20 בMATLAB. נתיבים עבור נציג לובסטר (קווים שחורים) וניסויים רובוט לגו (קווים צבעוניים) מוצגים. בניסויי הרובוט, חוזק הסינפטי מהטפר להקפיץ עצב סנסורי לתוך מערכת העצבים היה מגוון ומיוצג על ידי נתיבים בצבעים שונים (עירור אדום, נמוך; עירור כחול, בינוני; ירוק עירור, גבוה). עצבים של היפותטיתystem עם חיבורים מעוררים אמצע רמה מעצב סנסורי חתחת טפר מיוצר התנהגויות דומות לבעלי החיים. ניתן לחלץ פרמטרים כמותיים מנתונים כגון אורך דרך ומהירות הליכה ממוצעת (טבלת I). <img src="/files/ftp_upload/50519/50519fig1.jpg" alt="איור 1" /> איור 1. מסגרות וידאו תקורה של זירת המבחן לגו רובוט () והלובסטר (ב) ניסויים. תנאים הוחזקו זהים, פרט למים שנוספה לטנק לניסויים בבעלי החיים. תמונת וידאו ניגודיות הגבוהה מאפשרת מעקב אוטומטי באמצעות תוכנת MATLAB. <img src="/files/ftp_upload/50519/50519fig2.jpg" alt="איור 2" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/50519/50519fig2highres.jpg"/> איור 2. מעקב של לובסטר (קווים שחורים) וגו רובוט (קווים צבעוניים) נתיבים באמצעות המבחן<html> רנה מוצגת באיור 1 על הרובוט, כוח הסינפטי מתא עצב חיישן חתחת טפר היה מגוון (עירור אדום, נמוך; עירור כחול, בינוני; ירוק, עירור גבוה).. הסמל * מציין את נקודת ההתחלה וצורות שחורות מלאות להציג את מיקומם של מכשולים. מאז היה במעקב מיקום הראש, קשר מכשול לכאורה משתנה עקב השתנות בעמדת טופר. <table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td></td><td> מרחק נתיב ממוצע (ס&quot;מ) </td><td> מהירות נסיעה ממוצעת (ס&quot;מ) </td></tr><tr><td> לובסטר </td><td> 177.37 </td><td> 1.03 </td></tr><tr><td> רובוט לגו (עירור גבוה) </td><td> 162.72 </td><td> 0.94 </td></tr><tr><td> רובוט לגו (אמצע עירור) </td><td> 165.32 </td><td> 0.85 </td></tr><tr><td> רובוט לגו (עירור נמוך) </td><td> 51.02 </td><td> 0.69 </td></tr></tbody></table>ithin עמודים = &quot;תמיד&quot;&gt; לוח ט פי ממוצע פרמטרים מניתוח נתוני התנהגות וידאו ללובסטרים ולרובוטים לגו עם עוצמות שונות של סינפסות קלט מהמערכת חושי הבליטה טופר.

Watch this Scientific Journal Video about Designing and Implementing Nervous System Simulations on LEGO Robots at JoVE.com

Designing and Implementing Nervous System Simulations on LEGO Robots

גישה לדוגמנות רשת עצבית על פלטפורמת גו Mindstorms רובוטיקה מוצגת. השיטה מספקת כלי סימולציה למחקר מדעי המוח בשתי חוליות מעבדת המחקר והכיתה. טכניקה זו מאפשרת חקירה של עקרונות בקרת רובוט biomimetic.

תכנון ויישום מערכת עצבים בסימולציות לגו רובוטים

We present a method to use the commercially available LEGO Mindstorms NXT robotics platform to test systems level neuroscience hypotheses. The first step ...

designing-and-implementing-nervous-system-simulations-on-lego-robots

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.9K Views.  Northeastern University. גישה לדוגמנות רשת עצבית על פלטפורמת גו Mindstorms רובוטיקה מוצגת. השיטה מספקת כלי סימולציה למחקר מדעי המוח בשתי חוליות מעבדת המחקר והכיתה. טכניקה זו מאפשרת חקירה של עקרונות בקרת רובוט biomimetic.

Video: Designing and Implementing Nervous System Simulations on LEGO Robots

Visualization of the Embryonic Nervous System in Whole-mount Drosophila Embryos

The Drosophila embryo is an attractive model system for investigating the cellular and molecular basis of neuronal development. Here we describe the procedure for the visualization of Drosophila embryonic nervous system using antibodies to neuronal proteins. Since the entire embryonic peripheral nervous and central nervous systems are well characterized at the level of individual cells (Dambly-Chaudi&egrave;re et al., 1986; Bodmer et al., 1987; Bodmer et al., 1989), any aberrations to these systems can be easily identified using antibodies to different neuronal proteins. The developing embryos are collected at certain times to ensure that the embryos are in the proper developmental stages for visualization. After collection, the outer layers of the embryo, the chorion membrane and the vitelline envelope that surrounds the embryo, are removed before fixation. Embryos are then incubated with neuronal antibodies and visualized using fluorescently labeled secondary antibodies. Embryos at stages 12-17 are visualized to access the embryonic nervous system. At stage 12 the CNS germ band starts shortening and by stage 15 the definitive pattern of the commissure has been achieved. By stage 17 the CNS contracts and the PNS is fully developed (Campos-Ortega et al. 1985). Thus changes in the pattern of the PNS and CNS can be easily observed during these developmental stages.

Visualization of the Embryonic Nervous System in Whole-mount Drosophila Embryos

We describe the procedure to prepare staged Drosophila embryos for the visualization of the embryonic nervous system during embryogenesis.

ויזואליזציה של מערכת העצבים כולה עובריים-Mount תסיסנית עוברים

The Drosophila embryo is an attractive model system for investigating the cellular and molecular basis of neuronal development. Here we describe the ...

Production of Lentiviral Vectors for Transducing Cells from the Central Nervous System

Efficient gene delivery in the central nervous system (CNS) is important in studying gene functions, modeling neurological diseases and developing therapeutic approaches. Lentiviral vectors are attractive tools in transduction of neurons and other cell types in CNS as they transduce both dividing and non-dividing cells, support sustained expression of transgenes, and have relatively large packaging capacity and low toxicity 1-3. Lentiviral vectors have been successfully used in transducing many neural cell types in vitro 4-6 and in animals 7-10.
Great efforts have been made to develop lentiviral vectors with improved biosafety and efficiency for gene delivery. The current third generation replication-defective and self-inactivating (SIN) lentiviral vectors are depicted in Figure 1. The required elements for vector packaging are split into four plasmids. In the lentiviral transfer plasmid, the U3 region in the 5' long terminal repeat (LTR) is replaced with a strong promoter from another virus. This modification allows the transcription of the vector sequence independent of HIV-1 Tat protein that is normally required for HIV gene expression 11. The packaging signal (&Psi;) is essential for encapsidation and the Rev-responsive element (RRE) is required for producing high titer vectors. The central polypurine tract (cPPT) is important for nuclear import of the vector DNA, a feature required for transducing non-dividing cells 12. In the 3' LTR, the cis-regulatory sequences are completely removed from the U3 region. This deletion is copied to 5' LTR after reverse transcription, resulting in transcriptional inactivation of both LTRs. Plasmid pMDLg/pRRE contains HIV-1 gag/pol genes, which provide structural proteins and reverse transcriptase. pRSV-Rev encodes Rev which binds to the RRE for efficient RNA export from the nucleus. pCMV-G encodes the vesicular stomatitis virus glycoprotein (VSV-G) that replaces HIV-1 Env. VSV-G expands the tropism of the vectors and allows concentration via ultracentrifugation 13. All the genes encoding the accessory proteins, including Vif, Vpr, Vpu, and Nef are excluded in the packaging system. The production and manipulation of lentiviral vectors should be carried out according to NIH guidelines for research involving recombinant DNA (<a href="http://oba.od.nih.gov/oba/rac/Guidelines/NIH_Guidelines.pdf" target="_blank">http://oba.od.nih.gov/oba/rac/Guidelines/NIH_Guidelines.pdf</a>). An approval from individual Institutional Biological and Chemical Safety Committee may be required before using lentiviral vectors. Lentiviral vectors are commonly produced by cotransfection of 293T cells with lentiviral transfer plasmid and the helper plasmids encoding the proteins required for vector packaging. Many lentiviral transfer plasmids and helper plasmids can be obtained from Addgene, a non-profit plasmid repository (<a href="http://www.addgene.org/" target="_blank">http://www.addgene.org/</a>). Some stable packaging cell lines have been developed, but these systems provide less flexibility and their packaging efficiency generally declines over time 14, 15. Commercially available transfection kits may support high efficiency of transfection 16, but they can be very expensive for large scale vector preparations. Calcium phosphate precipitation methods provide highly efficient transfection of 293T cells and thus provide a reliable and cost effective approach for lentiviral vector production.
In this protocol, we produce lentiviral vectors by cotransfection of 293T cells with four plasmids based on the calcium phosphate precipitation principle, followed by purification and concentration with ultracentrifugation through a 20% sucrose cushion. The vector titers are determined by fluorescence- activated cell sorting (FACS) analysis or by real time qPCR. The production and titration of lentiviral vectors in this protocol can be finished with 9 days. We provide an example of transducing these vectors into murine neocortical cultures containing both neurons and astrocytes. We demonstrate that lentiviral vectors support high efficiency of transduction and cell type-specific gene expression in primary cultured cells from CNS.

In this protocol we describe production, purification and titration of lentiviral vectors. We provide an example of lentiviral vector-mediated gene delivery in primary cultured neurons and astrocytes. Our methods may also apply to other cell types in vitro and in vivo.

הפקה של וקטורים lentiviral עבור תאים Transducing ממערכת העצבים המרכזית

Efficient gene delivery in the central nervous system (CNS) is important in studying gene functions, modeling neurological diseases and developing ...

Labeling of Single Cells in the Central Nervous System of Drosophila melanogaster

In this article we describe how to individually label neurons in the embryonic CNS of Drosophila melanogaster by juxtacellular injection of the lipophilic fluorescent membrane marker DiI. This method allows the visualization of neuronal cell morphology in great detail. It is possible to label any cell in the CNS: cell bodies of target neurons are visualized under DIC optics or by expression of a fluorescent genetic marker such as GFP. After labeling, the DiI can be transformed into a permanent brown stain by photoconversion to allow visualization of cell morphology with transmitted light and DIC optics. Alternatively, the DiI-labeled cells can be observed directly with confocal microscopy, enabling genetically introduced fluorescent reporter proteins to be colocalised. The technique can be used in any animal, irrespective of genotype, making it possible to analyze mutant phenotypes at single cell resolution.

Labeling of Single Cells in the Central Nervous System of Drosophila melanogaster

We present a technique for labeling single neurons in the central nervous system (CNS) of Drosophila embryos, which allows the analysis of neuronal morphology by either transmitted light or confocal microscopy.

תיוג של תאים בודדים במערכת העצבים המרכזית של<em&gt; דרוזופילה melanogaster</em

In this  article we describe how to individually label neurons in the embryonic CNS of Drosophila melanogaster by juxtacellular injection of the ...

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

An experimental method has been developed to investigate the cellular responses to central nervous system (CNS) injury using the fruit-fly Drosophila. Understanding repair and regeneration in animals is a key question in biology. The damaged human CNS does not regenerate, and understanding how to promote the regeneration is one of main goals of medical neuroscience. The powerful genetic toolkit of Drosophila can be used to tackle the problem of CNS regeneration.
A lesion to the CNS ventral nerve cord (VNC, equivalent to the vertebrate spinal cord) is applied manually with a tungsten needle. The VNC can subsequently be filmed in time-lapse using laser scanning confocal microscopy for up to 24 hr to follow the development of the lesion over time. Alternatively, it can be cultured, then fixed and stained using immunofluorescence to visualize neuron and glial cells with confocal microscopy. Using appropriate markers, changes in cell morphology and cell state as a result of injury can be visualized. With ImageJ and purposely developed plug-ins, quantitative and statistical analyses can be carried out to measure changes in wound size over time and the effects of injury in cell proliferation and cell death. These methods allow the analysis of large sample sizes. They can be combined with the powerful genetics of Drosophila to investigate the molecular mechanisms underlying CNS regeneration and repair.

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

An injury paradigm using the Drosophila larval ventral nerve cord to investigate central nervous system regeneration and repair is described. Stabbing followed by laser scanning confocal microscopy in time-lapse and fixed specimens, combined with quantitative analysis with purposefully developed software and genetics, are used to investigate the molecular mechanisms of CNS regeneration and repair.

פרדיגמה פגיעה לחקור תיקון של מערכת עצבים מרכזי ב<em&gt; דרוזופילה</em

An experimental method has been developed to investigate the cellular responses to central nervous system (CNS) injury using the fruit-fly Drosophila. ...

Neural Circuit Recording from an Intact Cockroach Nervous System

The cockroach ventral nerve cord preparation is a tractable system for neuroethology experiments, neural network modeling, and testing the physiological effects of insecticides. This article describes the scope of cockroach sensory modalities that can be used to assay how an insect nervous system responds to environmental perturbations. Emphasis here is on the escape behavior mediated by cerci to giant fiber transmission in Periplaneta americana. This in situ preparation requires only moderate dissecting skill and electrophysiological expertise to generate reproducible recordings of neuronal activity. Peptides or other chemical reagents can then be applied directly to the nervous system in solution with the physiological saline. Insecticides could also be administered prior to dissection and the escape circuit can serve as a proxy for the excitable state of the central nervous system. In this context the assays described herein would also be useful to researchers interested in limb regeneration and the evolution of nervous system development for which P. americana is an established model organism.

This article describes the cockroach ventral nerve cord dissection and extracellular recordings from the cercal nerve and connectives. Evoked responses are generated by electrical stimulation of the cercal nerve or direct mechanical stimulation of the cerci.

עצבית במעגל הקלטה ממערכת עצבים מקק שלמה

The cockroach ventral nerve cord preparation is a tractable system for neuroethology experiments, neural network modeling, and testing the physiological ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution has been a long sought tool for neuroscientists in the systems-level search for the neural circuitry governing complex behavioral states. Optogenetics is a cutting-edge tool that is revolutionizing the field of neuroscience and represents one of the first systematic approaches to enable causal testing regarding the relation between neural signaling events and behavior. By combining optical and genetic approaches, neural signaling can be bi-directionally controlled through expression of light-sensitive ion channels (opsins) in mammalian cells. The current protocol describes delivery of specific wavelengths of light to opsin-expressing cells in deep brain structures of awake, freely-moving rodents for neural circuit modulation. Theoretical principles of light transmission as an experimental consideration are discussed in the context of performing in vivo optogenetic stimulation. The protocol details the design and construction of both simple and complex laser configurations and describes tethering strategies to permit simultaneous stimulation of multiple animals for high-throughput behavioral testing.

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

Optogenetics has become a powerful tool for use in behavioral neuroscience experiments. This protocol offers a step-by-step guide to the design and set-up of laser systems, and provides a full protocol for carrying out multiple and simultaneous in vivo optogenetic stimulations compatible with most rodent behavioral testing paradigms.

בoptogenetic גירוי vivo של מערכת העצבים המרכזית מכרסם

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects foraging for food or searching for mates3: the olfactory search is constrained by the physics of turbulent transport4. The concentration landscape of wind borne odors is discontinuous and consists of sporadically located patches. A pre-requisite to olfactory search is that intermittent odor patches are detected. Because of its high speed and sensitivity5-6, the olfactory organ of insects provides a unique opportunity for detection. Insect antennae have been used in the past to detect not only sex pheromones7 but also chemicals that are relevant to humans, e.g., volatile compounds emanating from cancer cells8 or toxic and illicit substances9-11. We describe here a protocol for using insect antennae on autonomous robots and present a proof of concept for tracking odor plumes to their source. The global response of olfactory neurons is recorded in situ in the form of electroantennograms (EAGs). Our experimental design, based on a whole insect preparation, allows stable recordings within a working day. In comparison, EAGs on excised antennae have a lifetime of 2 hr. A custom hardware/software interface was developed between the EAG electrodes and a robot. The measurement system resolves individual odor patches up to 10 Hz, which exceeds the time scale of artificial chemical sensors12. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is further demonstrated in driving the robot toward a source of pheromone. By using identical olfactory stimuli and sensors as in real animals, our robotic platform provides a direct means for testing biological hypotheses about olfactory coding and search strategies13. It may also prove beneficial for detecting other odorants of interests by combining EAGs from different insect species in a bioelectronic nose configuration14 or using nanostructured gas sensors that mimic insect antennae15.

We describe a protocol for using insect antennae in the form of electroantennograms (EAGs) on autonomous robots. Our experimental design allows stable recordings within a day and resolves individual odor patches up to 10 Hz. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is demonstrated in driving a robot toward an odor source.

באמצעות חיישני Electroantennogram חרקים על אוטונומי רובוטים לחיפושי חוש הריח

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects ...

In Situ Ca2+ Imaging of the Enteric Nervous System

Reflex behaviors of the intestine are controlled by the enteric nervous system (ENS). The ENS is an integrative network of neurons and glia in two ganglionated plexuses housed in the gut wall. Enteric neurons and enteric glia are the only cell types within the enteric ganglia. The activity of enteric neurons and glia is responsible for coordinating intestinal functions. This protocol describes methods for observing the activity of neurons and glia within the intact ENS by imaging intracellular calcium (Ca2+) transients with fluorescent indicator dyes. Our technical discussion focuses on methods for Ca2+ imaging in whole-mount preparations of the myenteric plexus from the rodent bowel. Bulk loading of ENS whole-mounts with a high-affinity Ca2+ indicator such as Fluo-4 permits measurements of Ca2+ responses in individual neurons or glial cells. These responses can be evoked repeatedly and reliably, which permits quantitative studies using pharmacological tools. Ca2+ responses in cells of the ENS are recorded using a fluorescence microscope equipped with a cooled charge-coupled device (CCD) camera. Fluorescence measurements obtained using Ca2+ imaging in whole-mount preparations offer a straightforward means of characterizing the mechanisms and potential functional consequences of Ca2+ responses in enteric neurons and glial cells.

In Situ Ca2+ Imaging of the Enteric Nervous System

The enteric nervous system (ENS) is a network of neurons and glia located in the gut wall that controls intestinal reflexes. This protocol describes methods for recording the activity of enteric neurons and glia in live preparations of ENS using Ca2+ imaging.

בהדמיה 2 + Ca Situ של מערכת העצבים המעיים

Reflex behaviors of the intestine are controlled by the enteric nervous system (ENS). The ENS is an integrative network of neurons and glia in two ...

Generation of 3-D Collagen-based Hydrogels to Analyze Axonal Growth and Behavior During Nervous System Development

This protocol uses natural type I collagen to generate three-dimensional (3-D) hydrogel for monitoring and analyzing the axonal growth. The protocol is centered on culturing small pieces of embryonic or early postnatal rodent brains inside a 3-D hydrogel formed by the rat tail tendon-derived type I collagen with specific porosity. Tissue pieces are cultured inside the hydrogel and confronted to specific brain fragments or genetically-modified cell aggregates to produce and secrete molecules suitable for creating a gradient inside the porous matrix. The steps of this protocol are simple and reproducible but include critical steps to be considered carefully during its development. Moreover, the behavior of growing axons can be monitored and analyzed directly using a phase-contrast microscope or mono/multiphoton fluorescence microscope after fixation by immunocytochemical methods.

Here, we provide a method for analyzing the behavior of growing axons in 3D matrices, mimicking their natural development.

דור של 3-D הידרוג'לים קולגן מבוססי לנתח צמיחה Axonal התנהגות במהלך פיתוח מערכת העצבים

This protocol uses natural type I collagen to generate three-dimensional (3-D) hydrogel for monitoring and analyzing the axonal growth. The protocol is ...

Transplantation of Chemogenetically Engineered Cortical Interneuron Progenitors into Early Postnatal Mouse Brains

Neuronal development is regulated by a complex combination of environmental and genetic factors. Assessing the relative contribution of each component is a complicated task, which is particularly difficult in regards to the development of &#947;-aminobutyric acid (GABA)ergic cortical interneurons (CIs). CIs are the main inhibitory neurons in the cerebral cortex, and they play key roles in neuronal networks, by regulating both the activity of individual pyramidal neurons, as well as the oscillatory behavior of neuronal ensembles. They are generated in transient embryonic structures (medial and caudal ganglionic eminences -&#160;MGE and CGE) that are very difficult to efficiently target using in utero electroporation approaches. Interneuron progenitors migrate long distances during normal embryonic development, before they integrate in the cortical circuit. This remarkable ability to disperse and integrate into a developing network can be hijacked by transplanting embryonic interneuron precursors into early post-natal host cortices. Here, we present a protocol that allows genetic modification of embryonic interneuron progenitors using focal ex vivo electroporation. These engineered interneuron precursors are then transplanted into early post-natal host cortices, where they will mature into easily identifiable CIs. This protocol allows the use of multiple genetically encoded tools, or the ability to regulate the expression of specific genes in interneuron progenitors, in order to investigate the impact of either genetic or environmental variables on the maturation and integration of CIs.

Here we present a protocol, designed to use chemogenetic tools to manipulate the activity of cortical interneuron progenitors transplanted into the cortex of early postnatal mice.

השתלת כימוגנטית מהונדס בקליפת המוח ושלתי לתוך המוחות המוקדמים של העכבר לנטאל

Neuronal development is regulated by a complex combination of environmental and genetic factors. Assessing the relative contribution of each component is ...