Method Article
지정된 힘과 주파수에서 기계적 펄스를 전달할 수 있는 마이크로 컨트롤러 보드 연결 장치를 사용하여 스텐터 습관화를 정량화하는 방법을 소개합니다. 또한 장치를 조립하고 외부 섭동을 최소화하는 방식으로 실험을 설정하는 방법도 포함되어 있습니다.
학습은 일반적으로 복잡한 신경계와 관련이 있지만 단일 세포에 이르기까지 모든 수준의 생명체가 지능적인 행동을 보일 수 있다는 증거가 증가하고 있습니다. 자연 시스템과 인공 시스템 모두에서 학습은 새로운 정보를 기반으로 한 시스템 매개 변수의 적응 형 업데이트이며 지능은 학습을 용이하게하는 계산 프로세스의 척도입니다. Stentor coeruleus 는 반복적 인 자극에 따라 행동 반응이 감소하는 학습의 한 형태 인 습관화를 나타내는 단세포 연못 거주 유기체입니다. 스텐터 는 기계적 자극에 반응하여 수축하는데, 이는 수생 포식자의 명백한 탈출 반응입니다. 그러나 반복되는 낮은 힘 섭동은 수축 확률의 점진적인 감소로 입증되는 습관화를 유도합니다. 여기에서는 외부 섭동을 최소화하는 방식으로 장치를 구축하고 실험을 설정하는 방법을 포함하여 지정된 힘과 주파수에서 기계적 펄스를 전달할 수 있는 마이크로 컨트롤러 보드 연결 장치를 사용하여 스텐터 습관화를 정량화하는 방법을 소개합니다. Stentor를 기계적으로 자극하기 위해 이전에 설명한 접근 방식과 달리, 이 장치는 단일 실험 과정에서 컴퓨터 제어 하에 자극력을 변화시킬 수 있으므로 적용할 수 있는 입력 시퀀스의 다양성을 크게 높일 수 있습니다. 단일 세포 수준에서 습관화를 이해하면 복잡한 회로와 독립적 인 학습 패러다임을 특성화하는 데 도움이됩니다.
학습은 일반적으로 복잡한 신경계와 관련이 있지만 단일 세포에 이르기까지 모든 수준의 생명체가 지능적인 행동을 보일 수 있다는 증거가 증가하고 있습니다. 자연 시스템과 인공 시스템 모두에서 학습은 새로운 정보1를 기반으로 한 시스템 매개 변수의 적응 형 업데이트이며, 지능은 학습을 용이하게하는 계산 프로세스의 척도입니다2.
Stentor coeruleus는 반복적 인 자극 3에 따라 행동 반응이 감소하는 학습의 한 형태 인 습관화를 나타내는 단세포 연못 거주 유기체입니다. 스텐터는 기계적 자극3에 반응하여 수축하는데, 이는 수생 포식자의 명백한 탈출 반응입니다. 그러나, 반복적 인 낮은 힘 섭동은 수축 확률3의 점진적인 감소에 의해 입증 된 습관화를 유도한다. 습관화된 스텐터는 고강도 기계적 자극4 또는 광 자극5을 받은 후에도 여전히 수축합니다. 동물의 습관화에 대한 Thompson과 Spencer의 고전적인 기준과 일치하는 이러한 관찰6은 원래의 수축 반응 감소가 피로나 ATP 고갈보다는 학습으로 인한 것임을 강력하게 시사합니다. 자유 생활 세포로서 스텐터는 다세포 조직의 경우처럼 주변 세포의 간섭 없이 연구할 수 있습니다. Stentor는 큰 크기(1mm), 정량화 가능한 습관화 반응3, 주입 및 미세 조작의 용이성7, 완전히 시퀀싱된 게놈8, RNA 간섭(RNAi) 도구의 가용성9 등 학습을 연구하기 쉬운 몇 가지 추가 기능을 가지고 있습니다. 이 모델 유기체를 사용하여 뇌나 신경계 없이 세포 학습을 탐색하려면 Stentor 세포를 자극하고 반응을 측정하기 위한 재현 가능한 절차가 필요합니다.
여기에서는 장치를 구축하고 외부 섭동을 최소화하는 방식으로 실험을 설정하는 방법을 포함하여 지정된 힘과 주파수로 기계적 펄스를 전달할 수 있는 마이크로 컨트롤러 기판 연결 장치를 사용하여 스텐터 습관화를 정량화하는 방법을 소개합니다(그림 1). 단일 세포 수준에서 습관화를 이해하면 복잡한 회로와 독립적 인 학습 패러다임을 특성화하는 데 도움이됩니다.
그림 1: 습관화 실험 설정. 스텐터 가 들어있는 페트리 플레이트는 습관화 장치의 유연한 금속 눈금자 위에 놓입니다. 그런 다음 습관화 장치의 뼈대가 지정된 힘과 주파수로 금속 자를 쳐서 세포장을 가로질러 자극파를 생성합니다. USB 현미경 카메라는 자극에 대한 스텐터 의 반응을 기록합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 습관화 실험 워크플로 요약. 그림은 습관화 장치를 사용하여 Stentor 를 연구하는 것과 관련된 기본 단계를 보여줍니다. 그림은 BioRender.com 로 만들어졌습니다. BioRender.com(2022)의 "프로세스 순서도"에서 발췌. https://app.biorender.com/biorender-templates 에서 검색 함. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
참고: 습관화 실험 워크플로의 요약은 그림 2에 나와 있습니다.
1. 습관화 장치 조립
그림 3: 습관화 장치의 구성 요소. 기계를 조립하려면 라벨이 붙은 모든 전자 장치가 필요합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 전자 회로도 이것은 브레드 보드의 회로입니다. 마이크로 컨트롤러 보드에 연결되는 전선은 프로토콜에 설명된 대로 번호가 매겨집니다. D1 및 D2는 각각 적색 및 녹색 LED이며 330 Ω 저항을 통해 접지에 연결됩니다. 두 스위치는 10KΩ 저항으로 풀업됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 습관화 실험 설정
3. 실험 비디오 분석
그림 5: 기계적 자극을 받은 후 수축하는 스텐터. (A) 스텐터는 길쭉한 상태에 있으며 페트리 플레이트의 바닥에 고정되어 있습니다. (B) 스텐터는 습관화 장치로부터 레벨 4 기계적 자극을받은 후 수축했습니다. 이미지는 USB 현미경으로 촬영되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 1: 스텐터 계약 비디오. 스텐터는 매분 습관화 장치로부터 레벨 4 기계적 자극을 받습니다. 이 세포는 아직 습관화되지 않았으므로 맥박을받은 후 수축합니다. 세포는 습관화 장치 위에 놓인 페트리 플레이트에 있습니다. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
위에서 설명한 방법은 1 탭 / 분의 주파수에서 레벨 4 기계식 펄스를 사용하여 스텐터 의 수축 확률을 1 시간 이내에 점진적으로 감소시켜야합니다. 이것은 습관화를 나타냅니다( 그림 6, 비디오 2 참조).
그림 6: 기본 습관화. 스텐터 의 수축 확률은 1 탭 / 분 (n = 22-27)의 주파수에서 레벨 4 기계적 펄스를받은 후 1 시간 동안 점진적으로 감소합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 2. 습관화 된 스텐터의 비디오. 세포는 1 탭 / 분의 주파수에서 동일한 힘의 기계적 펄스를받은 후 1 시간 후에 레벨 4 기계적 자극을받습니다. 대부분의 세포는 한 시간 동안 자극에 익숙해 져서 수축하지 않습니다. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
기계적 펄스 전달의 힘 및/또는 주파수를 변경하면 스텐터 습관화 역학이 변경될 수 있습니다. 예를 들어, 1 탭 / 분의 주파수에서 레벨 2 펄스를 사용하면 1 시간 동안 습관화가 방지됩니다 ( 그림 7 참조). 레벨 5 펄스는 몇 개에서 0 개의 스텐터에서 수축을 이끌어 내야합니다.
그림 7: 더 강한 힘에 대해 1시간 이내에 습관화 부족. 스텐터 의 수축 확률은 1 탭 / 분 (n = 7-33)의 주파수에서 레벨 2 기계적 펄스를받은 후 1 시간 동안 눈에 띄게 감소하지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
프로토콜에서 가장 중요한 단계는 Stentor 가 수축이 발생할 수 있는 최적의 상태를 유지하도록 하는 것과 관련이 있습니다. 습관화 분석의 수축 반응은 스텐터 가 자유롭게 수영할 때 거의 수축하지 않기 때문에 끈적끈적한 고정장치를 사용하여 표면에 고정되어야 합니다. 그러나, 습관화 실험에 사용되는 35mm 페트리 플레이트의 바닥 표면은 폴리오르니틴으로 코팅되지 않는 한 전형적으로 앵커링에 도움이 되지 않는다. 또한, 스텐 터 는 습관화 실험 시작 전 최소 2시간 동안 기계적 섭동에 노출될 수 없는데, 이는 스텐터 가 2-6시간3을 잊어버리기 때문입니다. 스텐터 가 습관화 실험 시작 시간의 2시간 이내에 기계적 자극을 받으면, 이러한 사전 자극은 실험 전에 약간의 수준의 습관화를 유도할 가능성이 있으며, 이에 따라 습관화 장치가 첫 번째 기계적 펄스를 전달한 후 수축 확률을 감소시킨다. 마지막으로, 분석 단계에서 기계적 자극에 반응하여 수축한 세포 분획의 정확한 판독값을 얻기 위해 펄스 전달 전에 발생하는 부수적인 자발적 수축이 아닌 펄스 후에 수축하는 스텐터 의 수만 계산하는 것이 중요합니다.
프로토콜은 습관화 장치에 의해 전달되는 기계적 펄스의 힘과 주파수를 변경하여 다양한 유형의 습관화 역학을 연구하도록 쉽게 수정할 수 있습니다. 이것은 또한 Stentor에서 발생할 수 있는 감작과 같은 다른 유형의 학습을 탐색할 수 있는 기회를 제공합니다. 마이크로 컨트롤러 보드 프로그램 코드 자체를 조정하여 다양한 패턴의 기계식 탭을 Stentor에 전달할 수도 있습니다.
이 프로토콜로 문제를 해결해야 할 한 가지 잠재적인 문제는 스텐터 앵커링의 빈도가 낮기 때문에 습관화 실험에서 관찰할 수 있는 스텐터의 수를 제한할 수 있습니다. 앵커링 빈도는 최근에 공급되지 않았거나 오염된 스텐터 배양물에서 때때로 감소합니다. 이 문제를 해결하려면 새로운 배양을 시작하기 위해 신선한 스텐터 배치를 세척하고 Lin et al.10에 설명 된 프로토콜에 따라 정기적으로 공급해야합니다.
이 프로토콜은 한 번에 하나의 Stentor 만 테스트할 수 있다는 점에서 제한적이어서 상대적으로 처리량이 낮은 측정을 수행할 수 있습니다. 또한 현재 소프트웨어는 단일 셀 이미지 분석의 자동화를 허용하지 않습니다. 따라서 수집된 대부분의 데이터는 인구 수준에 있습니다. 습관화 장치 및 이미지 분석 도구의 미래 모델은 고처리량 단일 세포 실험을 용이하게 할 수 있습니다.
Stentor의 습관화는 이전에 Wood3에서 설명한 방법을 사용하여 연구되었지만 이 새로운 프로토콜을 통해 실험을 자동화할 수 있습니다. 자동화를 통해 연구원은 지정된 힘과 주파수의 기계적 펄스를 재현 가능하게 전달할 수 있을 뿐만 아니라 장치를 감독 없이 며칠 동안 계속 작동할 수 있기 때문에 장기 습관화 실험을 용이하게 합니다. 또한 Wood의 실험3에 사용 된 솔레노이드 대신 스테퍼 모터를 사용하면 시간이 지남에 따라 감자 위험이 줄어들고 단일 실험 과정에서 자극의 강도가 달라질 수 있습니다.
세포 습관화를 연구하면 주의력 결핍/과잉 행동 장애(ADHD) 및 습관화가 손상된 투렛 증후군과 같은 상태에 대한 임상적 통찰력을 얻을 수 있습니다11. 스텐터 습관화 메커니즘은 또한 복잡한 세포 회로와 무관한 새로운 비시냅스 학습 패러다임을 밝힐 수 있습니다. 마지막으로, 단일 세포 학습에 대한 통찰력은 다세포 조직 내에서 세포를 재 프로그래밍하는 방법에 영감을 줄 수 있으며, 이는 질병과 싸울 수있는 또 다른 잠재적 인 방법입니다.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
우리는 Stentor 학습에 대한 수많은 토론에 대해 Tatyana Makushok에게 감사드립니다. 이 작업은 NSF 보조금 MCB-2012647 및 NIH 보조금 R35 GM130327 및 Fourmentin-Guilbert 재단의 I2CELL 상으로 자금을 지원받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.01% Poly-ornithine | Millipore Sigma | P4957 | Used to coat Petri plate |
35-mm Petri plate | Benz Microscope Optics Center Inc. | L331 | Contains Stentor during experiments |
6-well plate | StemCell Technologies | 38016 | Used to wash Stentor |
Aluminum breadboard, 4" x 24" x 1/2" (x1) | Thorlabs | MB424 | Used to construct habituation device |
Big easy driver stepper motor driver board (x1) | Sparkfun | ROB-12859 | Used to construct habituation device |
Construction rail, 1" x 5'' (x2) | Newport | Newport CR-1 | Used to construct habituation device |
Laptop | Apple Store | https://www.apple.com/macbook-air-m1/ | Connect laptop to USB microscope to visualize experiments |
Large right-angle bracket (x1) | Thorlabs | AP90RL | Used to construct habituation device |
Microcontroller board | Arduino | A000066 | Used to control habituation device |
Nema 17 Stepper Motor Bipolar 59Ncm 2A 84oz.in 48mm 4-Lead | Stepperonline.com | 5-17HS19-2004S1 | Used to construct habituation device |
Pasteurized spring water | Carolina | 132458 | Media for Stentor experiments |
Right-angle bracket (x3) | Thorlabs | AP90 | Used to construct habituation device |
Stemi 2000 stereo microscope | Zeiss | Used to visualize Stentor during wash steps | |
Stentor coeruleus | Carolina | 131598 | These are the cells used for habituation experiments |
USB microscope | Celestron | 44308 | Used to visualize and record experiments |
Webcam recorder | Apple Store | https://apps.apple.com/us/app/webcam-recorder/id1508067444?mt=12 | Install this application to take videos of experiments |
JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기
허가 살펴보기This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유