Name: studying the neural basis of adaptive locomotor behavior in insects
Uploaded: 2011-04-13T11:03:00
Duration: 10 min 19 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Studying the Neural Basis of Adaptive Locomotor Behavior in Insects at JoVE.com

Wij danken Michael Dubbert, Oliver Hoffmann, Hans Scharstein, Jan Sydow en Anne Wosnitza voor een uitstekende technische ondersteuning. Deze studie werd ondersteund door de DFG verlenen Bu 857 / 8,10 naar AB

1. De Walking Surface De zwarte loopvlak is opgebouwd uit twee vernikkelde koperen platen permanent verbonden zij aan zij en elektrisch geïsoleerd van elkaar door een 2 mm brede strook van 2-componenten epoxy lijm (UHU plus, UHU GmbH, Duitsland) direct onder de lengte-as van het dier. Ze produceren een totale oppervlakte van 13.5x15.5cm (Figuur 1). De scheiding van de half-vliegtuigen voor de linker en rechter benen kunnen onafhankelijke tarsale contact bewaking voor een enkele poot aan elke kant. <ol><li> De plaat wordt gesmeerd met een glycerine / water mengsel in een verhouding van 95 delen glycerine tot 5 delen verzadigde NaCl-oplossing voor de gladheid en elektrische geleidbaarheid te brengen, de viscositeit is ongeveer 430cStokes (Shankar en Kumar, 1994). </li><li> Het mengsel wordt rechtstreeks aangebracht op het oppervlak en is verspreid met een stuk zacht weefsel voor een totale dikte van 0.1-0.2mm te verzekeren. </li></ol> 2. Optische stimulatie Setup <ol><li> Wandelen episodes worden opgewekt met behulp van twee projectoren zoals beschreven door Scharstein (1989) naar een gestreept patroon project op twee ronde, gemalen glas schermen (diameter 130mm, Marata schermen, Linos Fotonica, Göttingen, Duitsland), die zich op een afstand van ca.. 70mm uit de ogen, en onder een hoek van 45 ° aan de linker en rechter voorzijde van de plaat (Fig.1). De golflengte van het gestreepte patroon wordt constant gehouden op λ = 21 °. Het contrast frequentie van de bewegende stimuli kan worden gevarieerd tussen de 0,35, 0,72, 1,07 en 1.49Hz. Omdat de reactie van de dieren hangt alleen af ​​van het contrast frequentie ω / λ (ω = hoeksnelheid, λ = patroon golflengte) als het patroon contrast is hoog genoeg (Fermi en Reichhardt, 1963), hebben we niet afwijken λ de hele experimenten . De luminantie van de heldere strepen aan de zijkant van het dier is ongeveer 15cd/m2 en het contrast 0,8. De verbinding oog van de wandelende tak (Carausius morosus) heeft 24 ommatidia in het dorso-ventrale as (Friza, 1928) en een paar meer in de rostro-caudale as. Omdat de divergentie hoek van de wandelende tak oog is gemiddeld 6,2 ° (Jander en Volk-Henrichs, 1970) ons patroon golflengte is ongeveer 4 keer de hoek van de ommatidia. De experimenten worden opgezet in een verduisterde kooi van Faraday en uitgevoerd in een donkere kamer bij 20-22 ° C. </li><li> Naar voren lopen wordt veroorzaakt door een progressieve patroon op beide schermen, waar de strepen op elk scherm naar de rand, of een enkele zwarte balk op een witte achtergrond geplaatst tussen de schermen </li><li> Draaien wordt veroorzaakt door strepen bewegen in dezelfde richting op beide schermen. We hebben niet gevonden een correlatie tussen de snelheid van de bewegende strepen en de hoek van de bocht. Zodra de luminantie van de gestreepte patroon is ingesteld voor het induceren lopen, dat doet het meestal niet nodig verdere aanpassingen, maar het kan worden aangepast voor verschillende dieren naar gelang de behoefte door de spanning van de halogeenlampen in de projectoren. </li></ol> 3. Voorbereiding van het proefdier <ol><li> Vrouwelijke volwassen wandelende takken (Carausius morosus) zijn gelijmd (tandheelkundig cement, ProTempII, 3M ESPE, Seefeld, Duitsland) ventrale zijde naar beneden op een dun balsa stick (3x5x100mm, BxHxL), die is ingevoegd in een koperen buis die met meerdere connectors heeft. Het dier wordt gehouden voor ongeveer een minuut tot de lijm is ten minste gedeeltelijk verhard. </li><li> Het hoofd en de benen steken aan de voorkant en zijkant van de deuvel om het vrije verkeer mogelijk te maken. Het gebied van de coxae van alle benen evenals het grootste deel van de buik moet worden gelaten vrij zijn van lijm. </li><li> Insect hoofd, borstkas, en de distale uiteinden van elk dijbeen en scheenbeen zijn gemarkeerd met fluorescerende pigmenten (Dr. Kremer Farbmühle, Aichstetten, Duitsland), gemengd met tandheelkundig cement voor later video tracking. </li></ol> 4. Plaatsing van EMG elektroden Spieractiviteit van verschillende beenspieren, zoals in dit voorbeeld, is de gradenboog en oprolmechanisme coxae spieren, die zich in de thorax en de oorzaak protractie (voorwaartse beweging) en retractie (achterwaartse beweging) van het been, opgenomen door middel van EMG-elektroden geïmplanteerd in de thorax. Alle EMG-opnames zijn differentieel versterkt. Het signaal was 100x versterkt in een voorversterker (elektronica workshop, Zoölogisch Instituut, Keulen), band-pass gefilterd, (100Hz-2000Hz), verder versterkt (10x), en geïmporteerd via een AD converter in spike2 (Vers.5.05, CED, Cambridge, Verenigd Koninkrijk). <ol><li> De elektroden zijn gemaakt van gecoat koperdraden (Elektrisola, Eckernhagen, Duitsland; 47μm buitendiameter). Voor de ene elektrode, twee draden eerst worden ingesmeerd met lijm, dan zijn de twee kleverige draden om elkaar heen gedraaid </li><li> Aan de ene kant de twisted draadeinden worden vastgesoldeerd aan een mini-stekker. Aan de andere kant de draden zijn afgesneden te reinigen uiteinden leveren zonder isolatie voor de opname in het dier. </li><li> De EMG-elektroden zijn Plugged in de kleine connector aan het eind van de koperen pijp. </li><li> Een minuten pin wordt gebruikt om kleine gaten in de cuticula </li><li> De uiteinden van de elektrode worden vervolgens gescheiden en ingebracht in een spier op ongeveer 1 mm afstand van elkaar, die in onze ervaring, een goed signaal geeft ruis verhouding. Zorg ervoor dat u niet aan de elektroden te diep in te voegen in de spier in om de schade te voorkomen. Figuur 2 toont de locatie van de elektroden in de thorax van het dier. Figuur 3 toont een dier met de elektrode draden op zijn plaats. </li><li> We maken gebruik van een kleine druppel histoacrylic lijm (3M Vetbond, St.Paul, MN, USA) om de draden op hun plaats. </li><li> Een grond draad wordt ingebracht in de buik. </li></ol> 5. Registratie van de Tarsale Contact Tarsale contact is altijd opgenomen, samen met EMG sporen. Sinds het gladde oppervlak is verdeeld in twee helften, kan maximaal twee contralaterale tarsale contacten worden geregistreerd op hetzelfde moment. Voor dit doel wordt het been gebruikt als een &quot;switch&quot; om een ​​circuit te sluiten tussen de plaat en de versterker. Stroom kan worden toegepast op de platen afzonderlijk door twee sockets aan de basis van elke plaat. We kunnen genereren twee vierkante golf signalen met 2-4MV amplitudes met een pulsgenerator (Model MS501, elektronica workshop, Zoölogisch Instituut, Keulen) die fase vertraagd 90 °. De signalen worden verzwakt door de 60 dB (/ 1000) en toegepast op de twee helften van het gladde oppervlak. In dit experiment gebruiken we alleen een van de twee signalen. Het is tegelijkertijd ingevoerd in een lock-in versterker als een referentie signaal. De 2-fase lock-in-versterker (elektronica workshop, Zoölogisch Instituut, Keulen) selectief versterkt alleen signalen van dezelfde frequentie en fase als de meegeleverde referentie signaal. Een tweede kanaal detecteert alleen de 90 ° fase vertraagde signaal. Ruis signalen op andere frequenties dan de referentie-frequentie zijn afgewezen en hebben geen invloed op de meting. De versterker uitgangssignaal wordt toegevoerd aan een AD-converter (Micro 1401k II, CED, Cambridge, VK) en gedigitaliseerd met behulp van Spike2. Tussen de touch-down-en-off lift van de tarsus op en van de gladde ondergrond, stroom van de plaat door de tarsus en scheenbeen in de koperdraad (zie hieronder: 5,3 tot 5,8). De gekozen versterker heeft een hoge ingangsweerstand (1MΩ) en het signaal spanning is erg klein om te voorkomen dat die het loopgedrag van het dier. De stroom die door tarsus en de tibia is tussen de 2 en 4NA. Het signaal doorlooptijd tijdens de touch-down, tussen de toegang tot het smeermiddel en het contact met het oppervlak is minder dan 1 ms. Het contact signaal overgang tijdens de lift-off is minder steil en meer vertraagd. Dit is te wijten aan de vertraagde scheuren van het smeermiddel van het spronggewricht door een capillaire opstijging effect en als gevolg van beweging van het been, zonder volledige lift-off in zwaaifase. <ol><li> De koperen pijp met de balsa stok waaraan het dier is gelijmd wordt ingevoegd in een micromanipulator om hoogteverstelling van het dier tussen de 7 en 12 mm boven het gladde oppervlak, dat op de hoogte komt overeen tijdens de gratis wandel mogelijk te maken. </li><li> Om de stroom te meten wanneer het insect tarsus van de bewaakte been op de grond, is een draad (47μm diameter) gesneden van ongeveer 15 cm lange stukken. </li><li> De isolatie van een koper wordt verwijderd door het verbranden van het weg met alcohol. </li><li> Een lus is gevormd met een uiteinde van de draad en gleed over de tarsus van het dier </li><li> De lus wordt gebonden aan het distale uiteinde van het scheenbeen om een ​​goed contact tussen dier en draad te bieden. </li><li> De draad wordt vervolgens vastgesteld op de borstkas van het dier met een daling van twee-componenten lijm (ProTempII, zie boven), en aangesloten op de differentiële versterker door middel van een alligator klem. </li><li> Ter verbetering van de geleidbaarheid van de draad aan de uiteinden, een daling van de elektrode crème wordt toegepast (Marquette Hellige, Freiburg, Duitsland) op het gebied van contact. </li><li> De signaalsterkte wordt dan getest op de monitor. Als gevolg van de low-pass filter eigenschappen van de lock-in-versterker (10ms tijd constant) en de geleidelijke lift-off/touch-down van het spronggewricht, het signaal is niet een exact vierkant signaal. Men moet dan ook passende drempels dicht bij de overgang punt in te stellen naar de precieze timing van de tarsale contact vast te stellen en controleer handmatig elke gebeurtenis bepaald door de digitalisering software. Op basis van de tarsale contact, definieerden we het tijdstip waarop de tarsus van een bepaald been was op de grond als houding en het tijdstip waarop het werd in de lucht als zwaaifase. </li><li> De trigger signaal voor de camera is tegelijk opgenomen met de EMG op te sporen en de tarsale contact-signaal, en maakt het mogelijk een nauwkeurige frame per frame correlatie van gedrag en opgenomen sporen. </li></ol> 6. Optische Opname van beenbewegingen voor digitale Analyse De tijdelijke frequentie van de wandelende takken op een gladde ondergrond kunnen bereiken 3-4Hz (Graham en Cruse, 1981). <ol><li>Voordat u opneemt lopen sequenties, is een spiegel geplaatst op een hoek van 45 ° achter het dier om een ​​extra visuele monitor voor touch-down te hebben. De camera is van buitenaf geactiveerd en foto&#39;s worden ingevoerd in een PC via een FireWire-interface. </li><li> We nemen lopen sequenties van boven met een high speed video camera (Marlin F-033C, Allied Vision Technologies, Stadtroda, Duitsland) op 100fps digitaal te analyseren van de beenbewegingen, en correleren ze met EMG-activiteit en tarsale contact. </li><li> Tijdens de opname van het lopen sequenties, is het dier verlicht met blauwe LED-arrays (30-50V DC, luminantie 24cd, Electronics Workshop, Zoölogisch Instituut, Universiteit van Keulen), die worden aangepast in intensiteit van de fluorescente markers te verlichten. Volgens de literatuur (Schlegtendal, 1934), doe wandelende takken niet in het bezit kleuren zien en we hebben niet waargenomen een negatief effect van het UV-licht verlichting op de draaiende reactie. Een gele filter voor de cameralens onderdrukt de korte golflengte van het licht activering en geeft een hoger contrast voor de video-opnames. </li><li> De video-bestanden kunnen worden geanalyseerd met behulp van motion tracking software (WINanalyze, Vers.1.9, Mikromak service, Berlijn, Duitsland). </li></ol> 7. Het opnemen van Walking Sequences <ol><li> Als controle, eerst een wandeling sequentie met een intact dier wordt geregistreerd. </li><li> De snelheid van de gestreepte patroon is ingesteld, en het patroon en de video-opname zijn ongeveer begonnen op hetzelfde moment. </li><li> Als het dier niet spontaan start motoriek, kan het worden gestimuleerd op de buik met een borstel (Bäßler en Wegener, 1983), of door een trekje van lucht naar de antennes. In dit geval, de dieren raakte aan de linkerkant van de buik hebben de neiging om linksaf te slaan en vice versa. Het gestreepte patroon blijft bewegen totdat het dier stopt met lopen of tot na 3 minuten van continue opnamen. </li><li> Om te testen hoe ver de spieractiviteit in een been is afhankelijk van de zintuiglijke input uit het naburige benen, is het dier aangezet tot haar benen autotomize. De site van autotomie sluit zich vanzelf binnen enkele seconden. Een voorbeeld van een dier met autotomized voor-en achterbenen is weergegeven in figuur 3. </li><li> Bijvoorbeeld, voor experimenten met dieren met slechts een middelbare been, we veroorzaken autotomie van de pro-en metathoracic benen door te knijpen de proximale femur met een pincet (Schmidt en Grund, 2003) of knip de benen op het niveau van de coxae na de opname van de intacte dier. Na dat een minimum van 30 minuten voor de hersteltijd wordt gegeven aan het dier. </li><li> Dan gaan we opnemen nieuwe wandel-sequenties als voorheen. In de gereduceerde voorbereidingen, we moeten vaak braken lopen met behulp van verf penseelstreken. </li></ol> 8. Representatieve resultaten: <img src="/files/ftp_upload/2629/2629fig1.jpg" alt="Figuur 1" /> Figuur 1 Experimentele opstelling, A:. Foto van een wandelende tak vastgebonden boven het gladde oppervlak, gemarkeerd met fluorescerende pigmenten voor been tracking en bedraad voor EMG opname en tarsale contact meting. B: elektrisch schema voor dubbele been tarsale contact opnemen tijdens het lopen op de gladde ondergrond. <img src="/files/ftp_upload/2629/2629fig2.jpg" alt="Figuur 2" /> Figuur 2. Posities voor de plaatsing van EMG elektroden in de gradenboog en oprolmechanisme spieren in de borstkas van de wandelende tak middelste been. ML: middelste been, FL: voorpoot <img src="/files/ftp_upload/2629/2629fig3.jpg" alt="Figuur 3" /> . Figuur 3 Stick insect met EMG draden in de pro-en oprolmechanisme spieren van het middelste been op zijn plaats; voor-en achterbenen zijn verwijderd om het effect van de aanwezigheid van de naburige benen studie over de kinematica en de spieractiviteit van de middelste poten in de verminderde voorbereiding. <img src="/files/ftp_upload/2629/2629fig4.jpg" alt="Figuur 4" /> Figuur 4. Voorbeeld spoor van oprolmechanisme EMG-activiteit met een referentie-signaal van de tarsale contact in een binnenkant midden been tijdens het draaien. Aan het begin van het trace (eerste blauwe box) het oprolmechanisme is actief tijdens houding, terwijl het been heeft contact met de grond (&quot;gesloten circuit&quot;), wat aangeeft dat het been maakt naar voren stappen, na een korte schakelaar (tweede blauwe doos), de oprolmechanisme is actief tijdens swing, terwijl de been in de lucht (&quot;open circuit&quot;, de derde blauwe doos), met het optreden van de achteruit gerichte stappen. <img src="/files/ftp_upload/2629/2629fig5.jpg" alt="Figuur 5" /> Figuur 5. Schermafbeelding van een opname van de gradenboog (bovenste spoor) en retractor (midden sporen) spieren en de gelijktijdig opgenomen tarsale contact trace (bodemtrace). Let op de wisselende activiteit in de EMG-sporen die overeenkomt met de activiteit van de twee spieren in de stap-cyclus, dat is gradenboog activiteit vlak voor en tijdens deswing, toen de tarsale contact spoor signalen verlies van contact met de grond, en retractor activiteiten tijdens en na touch-down van het spronggewricht, wanneer been is in houding. De insert geeft de bijbehorende video-bestand dat overeenkomt met deze opname die wordt gebruikt om het gedrag van het dier te controleren.

<ol>
	<li>B&#228;ssler, U., Wegener, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motor+output+of+the+denervated+thoracic+ventral+nerve+cord+in+the+stick+insect+Carausius+morosus.">Motor output of the denervated thoracic ventral nerve cord in the stick insect Carausius morosus.</a> J. Exp. Biol. 105, 127-147 (1983).</li><li>B&#246;hm, H., Messai, E., Heinzel, H. -. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Activity+of+command+fibres+in+free-ranging+crayfish,+Orconectes+limosus+Raf.">Activity of command fibres in free-ranging crayfish, Orconectes limosus Raf.</a> Naturwissenschaften. 84, 408-410 (1997).</li><li>B&#252;schges, A., Gruhn, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanosensory+feedback+in+walking:+from+joint+control+to+locomotor+pattern.">Mechanosensory feedback in walking: from joint control to locomotor pattern.</a> Adv.Insect Physiology. 34, 194-234 (2008).</li><li>B&#252;schges, A., Akay, T., JP, G. a. b. r. i. e. l., Schmidt, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organizing+network+action+for+locomotion:+insights+from+studying+insect+walking.">Organizing network action for locomotion: insights from studying insect walking.</a> Brain Res Rev. 57, 162-171 (2008).</li><li>Camhi, J. M., Levy, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organization+of+a+complex+movement:+fixed+and+variable+components+of+the+cockroach+escape+behavior.">Organization of a complex movement: fixed and variable components of the cockroach escape behavior.</a> J Comp Physiol A. 163, 317-328 (1988).</li><li>Camhi, J. M., Nolen, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Properties+of+the+escape+system+of+cockroaches+during+walking.">Properties of the escape system of cockroaches during walking.</a> J Comp Physiol A. 142, 339-346 (1981).</li><li>Clarac, F., Libersat, F., Pfl&#252;ger, H. J., Rathmayer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motor+pattern+analysis+in+the+shore+crab+(Carcinus+maenas)+walking+freely+in+water+and+on+land.">Motor pattern analysis in the shore crab (Carcinus maenas) walking freely in water and on land.</a> J Exp Biol. 133, 395-414 (1987).</li><li>Duch, C., Pfl&#252;ger, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motor+patterns+for+horizontal+and+upside+down+walking+and+vertical+climbing+in+the+locust.">Motor patterns for horizontal and upside down walking and vertical climbing in the locust.</a> J Exp Biol. 198, 1963-1976 (1995).</li><li>Fermi, G., Reichhardt, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optomotorische+Reaktionen+der+Fliege+Musca+domestica.+Abh&#228;ngigkeit+der+Reaktion+von+der+Wellenl&#228;nge,+der+Geschwindigkeit,+dem+Kontrast+und+der+mittleren+Leuchtdichte+bewegter+periodischer+Muster.">Optomotorische Reaktionen der Fliege Musca domestica. Abh&#228;ngigkeit der Reaktion von der Wellenl&#228;nge, der Geschwindigkeit, dem Kontrast und der mittleren Leuchtdichte bewegter periodischer Muster.</a> Kybernetik. 2, 15-28 (1963).</li><li>Fischer, H., Kautz, H., Kutsch, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+radiotelemetric+2-channel+unit+for+transmission+of+muscle+potentials+during+free+flight+of+the+desert+locust,+Schistocerca+gregaria.">A radiotelemetric 2-channel unit for transmission of muscle potentials during free flight of the desert locust, Schistocerca gregaria.</a> J Neurosci Methods. 64, 39-45 (1996).</li><li>Friza, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Zur+Frage+der+F&#228;rbung+und+Zeichnung+des+facettierten+Insektenauges.">Zur Frage der F&#228;rbung und Zeichnung des facettierten Insektenauges.</a> Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 8, 289-336 (1928).</li><li>G&#246;tz, K. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principles+of+optomotor+reactions+in+insects.">Principles of optomotor reactions in insects.</a> Bibl. Ophthalmol. 82, 251-2559 (1972).</li><li>Gruhn, M., Rathmayer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+implantable+electrode+design+for+both+chronic+in+vivo+nerve+recording+and+axon+stimulation+in+freely+behaving+crayfish.">An implantable electrode design for both chronic in vivo nerve recording and axon stimulation in freely behaving crayfish.</a> J Neurosci Methods. 118, 33-40 (2002).</li><li>Gruhn, M., Hoffmann, O., D&#252;bbert, M., Scharstein, H., B&#252;schges, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tethered+stick+insect+walking:+a+modified+slippery+surface+setup+with+optomotor+stimulation+and+electrical+monitoring+of+tarsal+contact.">Tethered stick insect walking: a modified slippery surface setup with optomotor stimulation and electrical monitoring of tarsal contact.</a> J Neurosci Methods. 158, 195-206 (2006).</li><li>Gruhn, M., Zehl, L., B&#252;schges, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Straight+walking+and+turning+on+a+slippery+surface.">Straight walking and turning on a slippery surface.</a> J Exp Biol. 212, 194-209 .</li><li>Gruhn, M., Uckermann, G. v. o. n., Westmark, S., Wosnitza, A., B&#252;schges, A., Borgmann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+stepping+velocity+in+the+stick+insect+Carausius+morosus.">Control of stepping velocity in the stick insect Carausius morosus.</a> J Neurophysiol. 102, 1180-1192 .</li><li>Hama, N., Tsuchida, Y., 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=Behavioral+context-dependent+modulation+of+descending+statocyst+pathways+during+free+walking,+as+revealed+by+optical+telemetry+in+crayfish.">Behavioral context-dependent modulation of descending statocyst pathways during free walking, as revealed by optical telemetry in crayfish.</a> J Exp Biol. 210, 2199-2211 (2007).</li><li>Hassenstein, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=&#220;ber+die+Wahrnehmung+der+Bewegung+von+Figuren+und+unregelm&#228;&#946;igen+Helligkeitsmustern+(nach+verhaltensphysiologischen+Untersuchungen+an+dem+R&#252;sselk&#228;fer+Chlorophanus+viridis.">&#220;ber die Wahrnehmung der Bewegung von Figuren und unregelm&#228;&#946;igen Helligkeitsmustern (nach verhaltensphysiologischen Untersuchungen an dem R&#252;sselk&#228;fer Chlorophanus viridis.</a> Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 40, 556-592 (1958).</li><li>Jander, J. 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> Untersuchungen zum Mechanismus und zur zentralnerv&#246;sen Steuerung des Kurvenlaufs bei Stabheuschrecken (Carausius morosus) [dissertation]. , (1982).</li><li>Jander, R., Volk-Henrichs, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Das+strauch-spezifische+Perzeptorsystem+der+Stabheuschrecke+(Carausius+morosus).">Das strauch-spezifische Perzeptorsystem der Stabheuschrecke (Carausius morosus).</a> Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 70, 425-447 (1970).</li><li>Kirschfeld, K., Zettler, F., Weiler, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+resolution+of+lens+and+compound+eyes.">The resolution of lens and compound eyes.</a> Neural Principles in Vision. , 354-370 (1976).</li><li>Kutsch, W., Schwarz, G., Fischer, H., Kautz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wireless+transmission+of+muscle+potentials+during+free+flight+of+a+locust.">Wireless transmission of muscle potentials during free flight of a locust.</a> J Exp Biol. 185, 367-373 (1993).</li><li>Scharstein, 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+universal+projector+for+optomotor+stimulation.">A universal projector for optomotor stimulation.</a> , (1985).</li><li>Schlegtendal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Beitrag+zum+Farbensinn+der+Arthropoden.">Beitrag zum Farbensinn der Arthropoden.</a> Zeitschr. f. vergl. Physiologie. 20, 573-581 .</li><li>Schmidt, J., Grund, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rhythmic+activity+in+a+motor+axon+induced+by+axotomy.">Rhythmic activity in a motor axon induced by axotomy.</a> Neuroreport. 14, 1267-1271 (2003).</li><li>Shankar, P. N., Kumar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+Determination+of+the+Kinematic+Viscosity+of+Glycerol-Water+Mixtures.">Experimental Determination of the Kinematic Viscosity of Glycerol-Water Mixtures.</a> Proc. Mathematical and Physical Sci. 444, 573-581 (1994).</li><li>Tryba, A. K., Ritzmann, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-Joint+coordination+during+walking+and+foothold+searching+in+the+Blaberus+cockroach+I.+Kinematics+and+electromyograms.">Multi-Joint coordination during walking and foothold searching in the Blaberus cockroach I. Kinematics and electromyograms.</a> J Neurophysiol. 83, 3323-3336 .</li><li>Tryba, A. K., Ritzmann, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-Joint+coordination+during+walking+and+foothold+searching+in+the+Blaberus+cockroach.+II.+Extensor+motor+neuron+pattern.">Multi-Joint coordination during walking and foothold searching in the Blaberus cockroach. II. Extensor motor neuron pattern.</a> J Neurophysiol. 83, 3337-3350 .</li><li>Tsuchida, Y., Hama, N., 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=An+optical+telemetry+system+for+underwater+recording+of+electromyogram+and+neuronal+activity+from+non-tethered+crayfish.">An optical telemetry system for underwater recording of electromyogram and neuronal activity from non-tethered crayfish.</a> J Neurosci Methods. 137, 103-109 (2004).</li><li>Wang, H., Ando, N., Kanzaki, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+control+of+free+flight+maneuvers+in+a+hawkmoth,+Agrius+convolvuli.">Active control of free flight maneuvers in a hawkmoth, Agrius convolvuli.</a> J Exp Biol. 211, 423-432 (2008).</li></ol>

We hebben beschreven een setup die het mogelijk maakt het optisch geïnduceerde generatie van het draaien gedrag en vergunningen om een ​​grote mate van de ontkoppeling van de neuronally gegenereerd lopen activiteit van de passieve effecten die worden veroorzaakt door de mechanische verplaatsing van de andere lopen ledematen op de grond. Mogelijke informatiestroom tussen de benen door het zenuwstelsel over de grond reactie krachten of tarsale contact, aan de andere kant, is nog steeds mogelijk en laat de onderzoeker de studie van de invloed van dergelijke informatie in het gereduceerde voorbereiding. Grote voordelen van het gladde oppervlak setup onder meer dat de dieren een zeer sterke neiging om te lopen, en in tegenstelling tot lopen of stappen op een treadwheel, het dier kan swing en standfase bewegingen in alle richtingen van de natuurlijke lopen uit te voeren te tonen. Daarnaast is de mate van vrijheid voor alle de benen waarop het dier kan curve lopen of het is een intact of semi-intacte voorbereiding uit te voeren. Omdat de benen kunnen niet zomaar passief verplaatst worden door de voorwaartse beweging van het dier of de beweging van de ondergrond onder, elke beweging weerspiegelt de motor output van dat been (Cruse, 1976; Graham en Wendler, 1981). De setup is zeer geschikt om de neuronale basis van adaptieve gedrag zoals draaien of vooruit ten opzichte van achteruit lopen te onderzoeken, omdat men kan elektrofysiologische opnames van motorische activiteit combineren met de analyse van de beweging van de ledematen kinematica. We gebruikten de stick insect optomotor reactie op het lopen te roepen. De reacties van de dieren aan de roterende streeppatroon tonen hun bereidheid om curve lopen, terwijl vastgebonden over de gladde ondergrond uit te voeren. De meeste verrassend voor ons, enkel de benen in single-leg voorbereidingen kwalitatief tonen hetzelfde patroon bewegen als in het intacte dier. We hebben dus reden om te geloven dat de controle van de curve loopt grotendeels kan functioneren zonder de coördinatie van zintuiglijke input uit het naburige benen. Het is belangrijk om te testen in verdere experimenten of de activiteit van de motorneuronen van de verwijderde benen is ook beïnvloed door de optomotor patroon. De installatie kan eenvoudig worden aangepast om de studie van andere taken, zoals recht vooruit en achteruit lopen door het plaatsen van een enkele streep in de voorkant van het dier of zachtjes trekken de antennes mogelijk te maken. De precieze meting van de grond contact met ons in staat stelt te correleren spieractiviteit en been positie. De hoge tijdsresolutie van deze elektrische contact-signaal is beter dan 1ms en leidt ons naar een nieuw inzicht in de timing van de overgang van swing naar standfase. De resolutie is erger voor het standpunt om de overgang swing te wijten aan de vertraging in de afschuiving van het uitvoeren van smeermiddel en een gebrek aan noodzaak van een volledige lift-off tijdens protractie op de glibberige ondergrond. Toch is de kennis over de precieze gang naar houding overgang is een bijzonder nuttige eerste stap willen we de mechanismen te begrijpen die de controle spieren timing en de gecoördineerde activiteiten van de beenspieren in verschillende contexten gedrag (zie ook: Büschges et al., 2008;. Büschges &amp; Gruhn 2008). Als voorbeeld hebben we gebruik gemaakt het oprolmechanisme en de gradenboog coxae spier van de middelste been en precies gecorreleerd zijn activiteiten met de omschakeling van swing tot standfase, terwijl we tegelijkertijd toezicht gehouden op de gedragsmatige context waarin het been werd gebruikt. Voor dit doel, we geïnduceerde lopen en nam de spieractiviteit continu. Een gegeven been kan een binnen of een buiten been zijn, afhankelijk van de draairichting. In de intensivering middelste been, als een binnenkant van het been in de functionele zin kan worden opgemerkt dat oprolmechanisme en gradenboog spieren kan zowel werken als functioneel standpunt in de spieren, omdat met tussenpozen het been naar achteren stappen in aanvulling op naar voren gerichte stappen produceert (zie Fig.4 ). De electromyograms (EMGS) uit beide spieren waren verholpen en genormaliseerd naar de tijd van de touch-down en de latentie van de eerste spier spikes was berekend. Interessant is dat de latency van beide spieren met betrekking lift-off en touch-down zijn afhankelijk van de functie van de spier als respectievelijke swing of houding spier (zie Fig.4) en niet op de spier zelf, en laten slechts kleine wijzigingen in de timing van de activiteit begin. De meeste verklaringen voor de verandering van staat van swing tot houding aannemen dat zintuiglijke signalen van tarsale contact leiden tot de start van de houding. De interessante vraag hoe de korte wachttijden tussen de touch-down en spier activering in de wandelende tak zijn gebracht en op welke zintuiglijke informatie waarvan ze afhankelijk kunnen nu worden aangepakt met de gewijzigde setup. Kortom, laten we een glad oppervlak setup die ons in staat stelt om op betrouwbare ontlokken rechte en kromme lopen in stationaire wandelende takken. Kinematica, spieractiviteit en de timing van de tarsale touch-down en lift-off kan worden gevolgd en gecorreleerd in de twee verschillende gedrags-contexts op hetzelfde moment. Dit geeft ons een uitstekend hulpmiddel om de gedetailleerde verbinding tussen de spieractiviteit en gedragsmatige context studie voor een enkele poot als in het intacte dier en de onderliggende mechanismen.

<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN" "http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-transitional.dtd">
<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" xml:lang="en" lang="en">	
		
		<div>
		<table border="1">
		<thead>
		<tr>
		<th>Material Name</th>
		<th>Type</th>
		<th>Company</th>
		<th>Catalogue Number</th>
		<th>Comment</th>
		</tr>
		</thead>
		<tbody>
		
<tr>
<td>2-component epoxy glue</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>UHU plus, UHU GmbH, Germany</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>glass screens (diameter 130mm)</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Marata screens, Linos Photonics, G&#246;ttingen, Germany</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>dental cement</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>ProTemp II, 3M ESPE, Seefeld, Germany</td>
<td>3M Id : 70-2011-0358-0 Catalog Number : 46430</td>
<td>Available through 3M (<a href="http://www.3m.com/">http://www.3m.com/</a>)or dental suppliers</td>
</tr>
<tr>
<td>fluorescent pigments </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Dr. Kremer Farbm&#252;hle, Aichstetten, Germany</td>
<td>Cat.#s: i.e 56200 Fluorescent Pigment Golden Yellow 56350 Fluorescent Pigment Flame Red</td>
<td><a href="http://kremer-pigmente.de/en">http://kremer-pigmente.de/en</a> or <a href="http://www.kremerpigments.com/
">http://www.kremerpigments.com/</a>
</td>
</tr>
<tr>
<td>histoacrylic glue </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>3M Vetbond, St.Paul, MN, USA</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>supplier: WPI</td>
</tr>
<tr>
<td>coated copper wire</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Elektrisola Eckernhagen</td>
<td>&nbsp;</td>
<td><a href="http://www.elektrisola.com/">http://www.elektrisola.com/</a></td>
</tr>
<tr>
<td>electrode cream </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Marquette Hellige, Freiburg, Germany</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Product is now discontinued, we suggest for example: <a href="www.grasstechnologies.com">www.grasstechnologies.com</a></td>
</tr>
<tr>
<td>pulse generator </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Model MS501, electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>lock-in-amplifier </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>AD converter </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Micro 1401k II, CED, Cambridge, UK</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>preamplifier </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>high speed video camera </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Marlin F-033C, Allied Vision Technologies, Stadtroda, Germany</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>UV LED arrays </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>30-50V DC, electronics workshop, Zoological Institute, Cologne, Germany</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&lambda;390-395nm 
Luminance 24cd</td>
</tr>
<tr>
<td>Digitalizing software Spike2 </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Vers.5.05, CED, Cambridge, UK</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>motion tracking software </td>
<td>&nbsp;</td>
<td>(WINanalyze, Vers.1.9, Mikromak service, Berlin, Germany</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>		</tbody>
		</table>
		</div>

studying the neural basis of adaptive locomotor behavior in insects

Het bestuderen van de neurale basis van loopgedrag, een gezicht vaak het probleem dat het moeilijk is om de neuronally geproduceerd stappen uitvoer gescheiden zijn van die been bewegingen die het gevolg zijn van passieve krachten en interacties met andere poten door de gemeenschappelijke contact met het substraat. Als we willen begrijpen, dat deel uitmaakt van een bepaalde beweging wordt geproduceerd door het zenuwstelsel motorvermogen, kinematische analyse van stepping bewegingen, moet derhalve worden aangevuld met elektrofysiologische opnames van motorische activiteit. De opname van neuronale of spieractiviteit in een gedragen dier wordt vaak beperkt door de elektrofysiologische apparatuur die het dier kan beperken in zijn vermogen om met zo veel vrijheidsgraden bewegen mogelijk te maken. Dit kan vermeden worden door gebruik te maken implanteerbare elektrodes en vervolgens met het dier bewegen op een lange draad (dat wil zeggen Clarac et al., 1987;. Duch &amp; Pflüger, 1995; Böhm et al., 1997;. Gruhn &amp; Rathmayer, 2002) of door het verzenden de gegevens met behulp van telemetrie-apparaten (Kutsch et al., 1993; Fischer et al., 1996;. Tsuchida et al., 2004;. Hama et al., 2007;.. Wang et al., 2008). Beide van deze elegante methoden, die met succes worden toegepast in grotere geleedpotigen, blijken vaak moeilijk toe te passen in kleinere lopen insecten die gemakkelijk of verstrikt raken in de lange ketting of worden gehinderd door het gewicht van de telemetrische apparaat en de batterijen. Bovendien is in al deze gevallen is het nog steeds onmogelijk om onderscheid te maken tussen de puur neuronale basis van de motoriek en de effecten die uitgeoefend wordt door de mechanische koppeling tussen de benen lopen door het substraat. Een oplossing voor dit probleem is om de experimenten uit te voeren in een tethered dieren die vrij is om te wandelen in plaats en dat is lokaal opgeschort, bijvoorbeeld over een glad oppervlak, wat effectief verwijdert de meeste contact met de grond mechanica. Deze is gebruikt om te ontsnappen reacties (Camhi en Nolen, 1981; Camhi en Levy, 1988) studie, draaien (Tryba en Ritzman, 2000a, b;. Gruhn et al., 2009a), achteruit lopen (Graham en Epstein, 1985) of veranderingen in de snelheid (Gruhn et al.., 2009b) en het laat de onderzoeker gemakkelijk intra-en extracellulaire fysiologie te combineren met kinematische analyses (Gruhn et al., 2006).. We maken gebruik van een glad oppervlak setup om de timing van de beenspieren te onderzoeken in het gedrag wandelende tak met betrekking tot de touch-down en lift-off onder verschillende gedrags-paradigma&#39;s, zoals recht vooruit en gebogen lopen in intacte en verminderde de voorbereidingen.

Watch this Scientific Journal Video about Studying the Neural Basis of Adaptive Locomotor Behavior in Insects at JoVE.com

Studying the Neural Basis of Adaptive Locomotor Behavior in Insects

We beschrijven een methode om motorische activiteit, afgestemd op de elektrisch opgenomen tarsale contact signaal in een vastgebonden insect record, lopen op een gladde ondergrond. Dit wordt gebruikt om de neurale basis van adaptief gedrag onder verminderde invloed van de mechanische interactie tussen de benen door het substraat te bestuderen.

Het bestuderen van de neurale basis van Adaptive locomotorisch gedrag bij insecten

Studying the neural basis of walking behavior, one often faces the problem that it is hard to separate the neuronally produced stepping output from those ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Single Sensillum Recordings in the Insects Drosophila melanogaster and Anopheles gambiae

Single Sensillum Recordings in the Insects Drosophila melanogaster and Anopheles gambiae

Single Sensillum Opnamen in de Insecten Drosophila melanogaster En Anopheles gambiae</em

The sense of smell is essential for insects to find foods, mates, predators, and oviposition sites3. Insect olfactory sensory neurons (OSNs) are enclosed ...

Studying the Integration of Adult-born Neurons

Het bestuderen van de integratie van Adult geboren Neuronen

Neurogenesis occurs in adult mammalian brains in the sub-ventricular zone (SVZ) of the lateral ventricle and in the sub-granular zone (SGZ) of the ...

High-resolution Live Imaging of Cell Behavior in the Developing Neuroepithelium

Met een hoge resolutie Live-Imaging van cel gedrag in de ontwikkelingslanden Neuroepithelium

The embryonic spinal cord consists of cycling neural progenitor cells that give rise to a large percentage of the neuronal and glial cells of the central ...

Co-analysis of Brain Structure and Function using fMRI and Diffusion-weighted Imaging

Co-analyse van hersenstructuur en functie met behulp van fMRI en Diffusie-gewogen beeldvorming

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when ...

In Vivo Two-photon Imaging Of Experience-dependent Molecular Changes In Cortical Neurons

In Vivo Two-photon Imaging Of Experience-dependent Molecular Changes In Cortical Neurons

In vivo twee-foton beeldvorming van ervaring-afhankelijke moleculaire veranderingen in corticale neuronen

The brain's ability to change in response to experience is essential for healthy brain function, and abnormalities in this process contribute to a variety ...

Determination of the Spontaneous Locomotor Activity in Drosophila melanogaster

Determination of the Spontaneous Locomotor Activity in Drosophila melanogaster

Bepaling van de Spontane bewegingsactiviteit in<em&gt; Drosophila melanogaster</em

Drosophila melanogaster has been used as an excellent model organism to study environmental and genetic manipulations that affect behavior. One such ...

Dyeing Insects for Behavioral Assays: the Mating Behavior of Anesthetized Drosophila

Dyeing Insects for Behavioral Assays: the Mating Behavior of Anesthetized Drosophila

Verven Insecten for Behavioral Testen: het paargedrag van verdoofde<em&gt; Drosophila</em

Mating experiments using Drosophila have contributed greatly to the understanding of sexual selection and behavior. Experiments often require simple, easy ...

A Simple Flight Mill for the Study of Tethered Flight in Insects

Een eenvoudige Flight Mill voor de studie van Tethered Flight in Insecten

Flight in insects can be long-range migratory flights, intermediate-range dispersal flights, or short-range host-seeking flights. Previous studies have ...

Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Tijdafhankelijke toename in het netwerkrespons bij de stimulatie van neuronale celculturen op micro-elektrode arrays

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network ...

High-throughput Analysis of Locomotor Behavior in the Drosophila Island Assay

High-throughput Analysis of Locomotor Behavior in the Drosophila Island Assay

High-throughput analyse van Locomotor gedrag in de Drosophila eiland Assay

Advances in next-generation sequencing technologies contribute to the identification of (candidate) disease genes for movement disorders and other ...