פרוטוקול זה מתאר בדיקה התנהגותית לרישום התנהגות חיפוש המעוררת סוכר באמצעות Drosophila melanogaster. הבדיקה יכולה לשמש לחקר התנהגויות הקשורות להאכלה וליקוט מזון, כמו גם את המנגנונים העצביים הבסיסיים.
התנהגות מזון חיונית להישרדותם של אורגניזמים מכיוון שהיא מאפשרת להם לאתר ולרכוש משאבי מזון חיוניים. בדרוזופילה, רעב מעורר התנהגות חיפוש מובחנת בעקבות צריכת כמויות קטנות של תמיסת סוכר. דו"ח זה מציג מערך ניסויי פשוט לחקר התנהגות חיפוש הנובעת מסוכר במטרה לחשוף את המנגנונים העומדים בבסיסם. כמויות זעירות של תמיסת סוכר מרוכזת מעוררות התנהגות חיפוש מתמשכת בזבובים. המעורבות של שילוב נתיב בהתנהגות זו נקבעה, שכן זבובים מנצלים את מסלולם כדי לחזור למקום הסוכר. הממצאים האחרונים מספקים עדות לאפנון זמני בהתחלת ועוצמת התנהגות החיפוש לאחר צריכת סוכר. השתמשנו במערך הזה גם להפעלה מלאכותית של נוירונים ספציפיים של קולטני טעם בלוע, מה שמעורר את התנהגות החיפוש. ערכת הכלים הנוירוגנטית Drosophila מציעה מגוון רחב של כלים וטכניקות שניתן לשלב עם פרדיגמת התנהגות החיפוש המעוררת סוכר כדי לחקור את המנגנונים העצביים והגנטיים העומדים בבסיס ליקוט מזון. הבנת הבסיס העצבי של התנהגות חיפוש מונעת רעב בזבובים תורמת לתחום הנוירוביולוגיה בכללותו, ומציעה תובנות לגבי מנגנוני הבקרה השולטים בהתנהגויות אכילה לא רק באורגניזמים אחרים אלא גם בבני אדם.
התנהגות של חיפוש מזון וחיפוש מזון היא אסטרטגיית הישרדות בסיסית המוצגת על ידי אורגניזמים ברחבי טקסה. שני סוגים של התנהגויות ליקוט מזון זוהו בחרקים: חיפוש מזון כתוצאה מרעב וחיפוש מקומי לאחר הארוחה1. כאשר הם רעבים, חרקים מסתמכים על רמזים חושיים כדי לאתר מקורות מזון. כאשר הם נתקלים בחלקת מזון קטנה וצורכים אותה, הם יוזמים התנהגות חיפוש מקומית המאופיינת בשבילים מפותלים ובסיבוב סביב מקום המזון.
התנהגות חיפוש באמצעות סוכר, צורה מסוימת של חיפוש מקומי, נחקרה לראשונה לפני יותר מ-60 שנה, על ידי הביולוג האמריקאי וינסנט דטייה (Dethier) בספרו Blowflies2. כאשר מורעבים, זבובים מוצגים עם כמות קטנה של סוכר כך שזה לא להשביע אותם, הם מתחילים חיפוש מקומי. התנהגות חיפוש טיפוסית מאופיינת בהליכה מפותלת מאוד עם מנוע נמוך וקצב פנייה גבוה וחזרה למיקום ירידת הסוכר. מחקרים מאוחרים יותר בדקו התנהגות זו בזבובי בית וזבובי פירות 3,4. ההתחלה, האינטנסיביות ומשך החיפוש מווסתים על ידי המצב הפנימי של בעל החיים (למשל, חסך ומוטיבציה) כמו גם גורמים חיצוניים כגון זמינות משאבים ואיכות 1,5,6.
ההתקדמות בטכנולוגיות המעקב סיפקה לחוקרים כלים רבי ערך ללכוד ולנתח התנהגות בזירות מבוקרות. כאן, אנו מציגים פרדיגמה התנהגותית למעקב אחר זבובים ההולכים בחופשיות לאחר צריכת סוכר. מערך פשוט זה מאפשר לחקור את התנהגות החיפוש המופקת מסוכר בדרוזופילה על ידי לכידת וניתוח תנועת הזבוב בתגובה לתמיסת סוכר מרוכזת המסופקת בזירה. תוך שימוש בטכנולוגיות מעקב מתקדמות וטכניקות ניתוח נתונים, דפוסי התנועה, החקירה המרחבית ודינמיקת התגובה לגירויי סוכר כומתו בהצלחה.
באמצעות בדיקה זו, הוכח בניסוי כי החיפוש המופק מסוכר כרוך בשימוש בשילוב נתיבים וניתן להפריד אותו מרחבית-זמנית מצריכת סוכר 7,8. יתר על כן, הוכח כי ההתנהגות יכולה להיות מופעלת על ידי הפעלת נוירוני טעם הלוע9. תוצאות אחרונות מראות כי גירוי סוכר אינו מנגנון שחרור מולד אלא גם אפנון, ושולט על התחלת ההתנהגות באופן זמני8. באמצעות פרדיגמה זו, חקרנו את ההתנהגות הזו גם בדבורי דבש (Apis mellifera)7,8.
המטרה הסופית של מחקר זה היא לפענח מעגלים עצביים ורכיבים גנטיים חדשים המעורבים בוויסות התנהגות החיפוש באמצעות מניפולציות גנטיות ממוקדות וטכניקות דימות מוחי. התנהגויות חיפוש מזון הוכיחו את עצמן כפרדיגמות ניסוייות יעילות ביותר לחקר ניווט וזיכרון מרחבי בחרקים. התנהגויות אלה מספקות הזדמנות ייחודית לחקור את התפיסה החושית, תהליכי קבלת ההחלטות והתיאום המוטורי המעורבים בחיפוש אחר מקורות מזון מתגמלים בזבובים. בנוסף, לממצאים ממחקרים אלה יש השלכות רחבות יותר על הבנת התנהגויות אכילה באורגניזמים אחרים, כולל בני אדם, שכן מנגנונים גנטיים ועצביים בסיסיים רבים נשמרים אבולוציונית. דיסרגולציה של התנהגויות האכלה קשורה להפרעות נוירולוגיות ומטבוליות שונות10. לכן, המנגנונים העצביים והגנטיים העומדים בבסיס התנהגות החיפוש בזבובים עשויים להציע דרכים חדשות להבנה והתמודדות פוטנציאלית עם אתגרים מורכבים אלה בתחום בריאות האדם.
זבובים זכרים בוגרים מזן הבר Drosophila melanogaster Canton-S (CS) שימשו במחקר הנוכחי.
1. הכנה ניסיונית
2. ניתוח מסלולים לחיפוש מקומי
היה צורך להרעיב את הזבובים במשך התקופה שהוערכה על-ידי הסבילות לרעב למזון, והתגובה לסוכר נבדקה בנפרד (איור 1A ואיור 2A). ההתנהגות נרשמה בתוך חדר מבוקר טמפרטורה ולחות. 0.2 μL של תמיסת סוכרוז 500 mM שימש לניסויים המדווחים. טיפת הסוכר הוצבה במרכז הזירה, והזבובים הוכנסו לסוכר (איור 2B). ההתנהגות נרשמה עד שזבובים נמלטו מהזירה. הסרטונים נותחו כדי לחלץ קואורדינטות x,y ומסלולים של הזבובים. מספר פרמטרים שימשו לכימות התגובה ההתנהגותית: אורך המסלול, זמן השהייה, התפתלות, מספר החזרות וקצב פעילות.
צריכת סוכר בזבובים מורעבים מובילה לחיפוש מקומי עם נתיב מתפתל ולולאות (איור 3A,C). כביקורת שלילית, נרשמו זבובים מורעבים שלא הוצגו עם סוכר8. הזבובים האלה, כאשר הוכנסו לזירה וריקו, לא יזמו חיפוש ונמלטו מהזירה (איור 3B,D). קבוצה זו מכונה זבובים לא מוזנים. הפרמטרים של החיפוש: אורך הנתיב, זמן השהייה, הפיתול ומספר ההחזרות היו נמוכים משמעותית בזבובים שלא הוזנו בהשוואה לזבובים שקיבלו טיפת סוכר (איור 4A-D).
איור 1: עקומות הרעבה של זן פראי CS. (A) עקומת רעב המראה את שיעור ההישרדות של זבובים זכרים ונקבות מסוג CS . (B) שינויים צירקדיים בפעילויות חיפוש זבובים בשעות שונות של היום. קווי שגיאה מייצגים את S.E.M. (n = 10). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: מערך ניסויי הכולל חישוב סבילות לרעב, נהלי רישום התנהגות וניתוח מסלול. (א) נקבע כי סבילות לרעב למזון תקבע מצב רעב מתוקנן. לצורך רישום התנהגות, זבובים בודדים בודדו בצינורות קטנים לפני הניסוי. הזירה ההתנהגותית, צלחת פטרי 90 מ"מ, הוארה באופן אחיד מלמטה. טיפת תמיסת סוכר הונחה במרכז ולזבובים ניתנה גישה בלתי מוגבלת למקור המזון. (ב) ההתנהגות נרשמה עד שזבובים ברחו מהזירה. ניתוח וידאו השתמש בתוכנת Ctrax למעקב וב- MATLAB/Python לניתוח מסלול. (ג) צילום מערך הניסוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: הצורך בצריכת סוכר לצורך התחלת חיפוש מקומי. (A) מסלולים בודדים של זבובים הניזונים מתמיסת סוכר בנפח 500 מילימטר ו-0.2 מיקרוליטר. (B) מסלולים בודדים של זבובים שלא קיבלו סוכר. (C) שכבת-על של מסלולי חיפוש טסה מקבוצת הביקורת (n = 11). (D) כיסוי שבילי הזבובים (n = 11) שלא קיבלו סוכר. כל המסלולים מנורמלים לנקודת ההתחלה של הליכה. איור זה נלקח מתוך Shakeel and Brockmann8. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: הפחתת פרמטרים התנהגותיים בזבובים שלא ניזונו. (A-D) אורך הנתיב, זמן השהייה, הפיתול ומספר ההחזרות היו קטנים יותר עבור זבובים רעבים שלא קיבלו תגמול סוכר בהשוואה לזבובי ביקורת שקיבלו גירוי בסוכר. **p < 0.001, ***p < 0.0001, ****p < 0.00001, Wilcoxon Rank Sum Test. איור זה נלקח מתוך Shakeel and Brockmann8. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
סרטון 1: התנהגות חיפוש של זבוב עם מסלול הנתיב בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.
קובץ משלים 1: הוראות שלב למעקב אחר קובץ הווידאו באמצעות CTRAX. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
המחקר הנוכחי מציג פרדיגמה פשוטה לחקר התנהגות חיפוש הנובעת מסוכר בדרוזופילה, שתוארה לראשונה על ידי Dethier2. התנהגות מולדת זו מאפשרת לזבובים לעסוק בחיפוש מקומי אחר מקורות מזון נוספים בעקבות המפגש עם פרס מזון. ההיבט המכריע ביותר של פרוטוקול הניסוי כרוך בהנעת הזבובים כראוי. ראשית, הזבובים חייבים להיות במצב של רעב, לאחר שנמנע מהם מזון ועדיין יש להם גישה למים, כדי להבטיח בליעת סוכר. על מנת לקבל את מצב הרעב האחיד לאורך ניסויים ניסיוניים, משך הזמן שבו 90% מהאוכלוסייה שורדת שימש כתקופת הרעב. באופן מכריע, השראת תגובת חיפוש לאחר האכלה מחייבת מתן גירוי מזון באיכות מספקת אך לא מספיק כדי להשביע את הזבובים באופן מלא. לכן, סטנדרטיזציה של ריכוז וכמות הסוכר, ומשך הרעב עשויה לגזול זמן רב, אך היא הכרחית להתנהגות איתנה ואמינה.
במחקר זה, תמיסת סוכרוז של 500 מילימול, 0.2 מיקרוליטר שימשה כגירוי לזבובים מורעבים. צריכת סוכר מעוררת התנהגות חיפוש מקומית אופיינית המאופיינת בהתנהגות פנייה מוגברת והחזרות תכופות למיקום טיפת הסוכר (סרטון 1). לעומת זאת, זבובים רעבים שאינם מקבלים סוכר אינם מצליחים להציג תגובת חיפוש. יש לציין כי כל הפרמטרים הקשורים להתנהגות, כולל אורך נתיב, זמן שהייה, פיתול ומספר החזרות היו נמוכים משמעותית בזבובים שלא הוזנו. הוכחנו בעבר כי בליעת מים לבדה אינה מעוררת תגובת חיפוש9.
מערך זה מציע גישה חסכונית ותחזוקה נמוכה לחקר התנהגות מולדת זו. בעוד שבמחקר זה נעשה שימוש בזירה עם תאורה אחורית, ניתן להשתמש גם בתאורה עליונה כל עוד יש מספיק ניגודיות בין הזבוב לרקע. תוכנת המעקב בה נעשה שימוש מסתמכת על זיהוי תנועת זבובים על רקע סטטי13. ניתן לכוונן את הגדרות המצלמה והרזולוציה בהתבסס על קנה המידה הספציפי של ההתנהגות הנחקרת. חשוב לציין כי מתודולוגיה זו מאפשרת לחקור מרכיבים שונים של התנהגות ליקוט מזון, כולל קשב רמז חושי במהלך ליקוט מזון, מעורבות מזון והאכלה, שליטה מוטורית בחיפוש, ותהליכי קבלת החלטות הקשורים לניצול וחקירה, בין היתר. יתר על כן, פרדיגמה זו מאפשרת חקירה של חיפוש מקומי, התנהגות הנפוצה על פני טקסים מגוונים בהקשרים אקולוגיים שונים6. חקר התנהגות זו בדרוזופילה, פותח אפיקים לחקירה מדעית שמטרתה להבין את המסלולים העצביים המעורבים בליקוט מזון. חקרנו חיפוש מקומי בדבורי דבש והראינו שההתנהגות דומה לזבובים 7,8.
מחקרים אחרונים הראו כי התנהגות חיפוש מקומית יכולה להיות מופעלת על ידי הפעלה אופטוגנטית של נוירונים חושי סוכר שונים בזבובים 14,15,16. עם זאת, עדיין לא ברור באיזו מידה החיפושים המקומיים שנצפו במחקרים אלה מייצגים במדויק את ההתנהגות הטבעית של זבובים בתגובה לצריכת סוכר בפועל. התנהגות ההאכלה מווסתת היטב בזבובים, וממצאים אלה מצביעים על כך שהפעלת קולטני הסוכר בלוע יוזמת את התנהגות החיפוש. חושי טעם טרסליים אחראים על גילוי סוכר וגרימת רפלקס הארכת החוטם, בעוד נוירוני טעם הלוע קובעים אם האכלה צריכה להמשיך17,18. לאחר בליעתה, תמיסת הסוכר עוברת דרך הוושט אל הפרובנסטריקולוס ונכנסת ליבול, כאשר התפשטותה מנוטרת על ידי עצב חוזר19. בנוסף, ראוי לציין כי חלק מהמחקרים הנ"ל עסקו ברתימה או כליאה של זבובים, בעוד ששיטה זו מאפשרת לבעלי החיים ללכת בחופשיות לאורך כל הניסוי. לזבובים בניסויים שלנו הייתה מוטיבציה מספקת להישאר ולחפש בתוך הזירה ללא הטלת מכסה.
הבנת יחסי הגומלין המורכבים בין מסלולים עצביים, גורמים גנטיים ורמזים סביבתיים השולטים בהתנהגות החיפוש בזבובים יכולה לשפוך אור על העקרונות הבסיסיים של עיבוד מידע, למידה ויצירת זיכרון. יתר על כן, חוסר ויסות של התנהגות ליקוט מזון היה מעורב בהפרעות אנושיות שונות, כולל הפרעות אכילה והשמנת יתר. המערך הנרחב של כלים נוירוגנטיים הזמינים בדרוזופילה מספק משאב רב ערך לחקר התנהגות החיפוש הנובעת מסוכר ולפענוח המנגנונים העצביים והגנטיים העומדים בבסיס ליקוט מזון. בשילוב עם מניפולציה אופטוגנטית ודימות פונקציונלי, פרדיגמה זו מציגה גישה חזקה ומבטיחה20,21,22. עם זאת, שינוי ההגדרה למניפולציה בזמן אמת של פעילות עצבית עם אופטוגנטיקה עשוי להיות מאתגר. כדי לנטר את הפעילות העצבית במוח בזמן שזבוב מבצע את התנהגות החיפוש, יהיה צורך במערך אחר, כמו הזבוב הקשור על כדור דריכה. היבטים רבים של התנהגות ליקוט מזון, כגון ויסות האכלה ותהליכי קבלת החלטות, נשמרים מאוד בין מינים שונים. לכן, תובנות המתקבלות מחקירת המנגנונים העצביים של ליקוט מזון בזבובים יכולות לספק תובנות חשובות על תהליכים דומים באורגניזמים אחרים, כולל בני אדם.
המחבר(ים) מצהירים כי אין ניגודי עניינים פוטנציאליים ביחס למחקר, למחבר ו/או לפרסום של מאמר זה.
אנו מודים לרביקומאר בויאפאטי על עזרתו בהקמת הזירה. עבודה זו ממומנת על ידי Wellcome trust DBT Intermediate India Alliance מענק (מענק מספר IA/I/15/2/502074) ל- P.K. M.S. מומן על ידי מלגה על ידי המועצה ההודית למחקר רפואי (ICMR). A.B. מומן על ידי NCBS-TIFR קרנות מוסדיות (מס '12P4167) והמחלקה לאנרגיה אטומית, ממשלת הודו (מס '12-R& D-TFR-5.04-0800 ו-12-R&R & D-TFR-5.04-0900).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2 mL Eppendorf tube | Sigma Aldrich | BR780546 | Used to introduce the fly to the sugar drop |
Agar | SRL | 9002-18-0 | |
Azure lens | https://www.rmaelectronics.com/azure-photonics-azure-1214mm/ | ||
Camera | Logicool, Japan | ||
Corn flour | locally available | ||
Ctrax software | https://ctrax.sourceforge.net/ | ||
D-glucose | SRL | 50-99-7 | |
Flea3 | Sony | https://www.flir.com/products/flea3-usb3/?vertical=machine+vision&segment=iis | |
glass tube | Borosil | Used to house the flies individually | |
Kimwipe | Kimberly-Clark | 34155 | Used to provide access to water for flies during food starvation |
LED light panel | custom-made in the workshop | ||
Light Meter | TENMARS | TM-203 | |
Methyl 4-hydroxybenzoate | Fisher Scientific | 99-76-3 | |
Orthophosphotic acid | SRL | 7664-38-2 | |
Petri dish (90 mm) | Tarsons | 460090 | |
Propionic acid | SRL | 79-09-4 | |
Sucrose | Qualigens | Q28105 | |
Sugar | locally available | ||
VirtualDub | https://www.virtualdub.org/ | ||
White polyvinyl chloride pipe (67 mm inner diameter × 100 mm height) | custom-made in the workshop | ||
Yeast powder | SRL | REF-34266 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
ABOUT JoVE
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved