文摘

研究最多的联想学习的形式果蝇在于配对有气味的,条件刺激(CS),无条件刺激(美国)。CS的及时到达,我们到一个特定的信息果蝇大脑协会地区,蘑菇体(MB),可以产生新的嗅觉记忆。因此,MB被认为是符合探测器。已经表明,嗅觉信息传达给MB通过胆碱能输入激活乙酰胆碱(ACh)受体,而美国是由生物胺编码(BA)系统。近年来,我们拥有先进的理解在特定神经英航通路和受体参与嗅觉学习和记忆。然而,有些信息存在于胆碱能受体的贡献这一过程。我们首次评估命题,在哺乳动物中,毒蕈碱的乙酰胆碱受体(mAChRs)有助于记忆的形成果蝇。我们的结果表明,药物和基因的封锁mAChRs MB内存破坏嗅觉厌恶的幼虫。这种影响不是解释为一个变更的能力应对动物气味或执行电机程序。这些结果表明,mAChRs MB有助于产生嗅觉记忆果蝇

1。介绍

不同的培训协议中使用果蝇帮助我们促进我们理解学习和记忆的细胞和遗传基础。研究最多和最好的理解是气味的联想学习,那里的有气味的东西或不具有内在价值的动物(CS)配合美国。因此,这种动物的有气味的获得一个新值。生成的类型的内存取决于我们的质量:在一些培训协议电击或厌恶的化学物质如奎宁或盐被用作我们产生厌恶的记忆(1),气味也可以搭配糖产生食欲的记忆(2]。行为和遗传研究已经证明,这联想学习取决于飞大脑的主要神经纤维网的完整性,MB,及其主要神经元,肯扬细胞(;)[3,4]。因此,它已被接受,及时、同步到来的信息CS和美国MB;生成新的嗅觉记忆至关重要(3- - - - - -6]。这不仅是有效的为成年苍蝇还在动物幼虫阶段,正如先前所显示的(7,8]。

神经元包含的文献支持和释放BAs MB传递我们的信息,在成年苍蝇和幼虫(9,10]。值得注意的是,最近的报道先进知识的神经支配aminergic通路MB,特定的受体激活,一些封闭的细胞事件胺;这可能构成的生成新的记忆在幼虫和成虫飞(5,11- - - - - -13]。

另一方面,CS通过胆碱能传递给;输入引起的触角叶(AL)通过内部触角脑束(14]。这是一致的观点是主要的兴奋性神经递质在昆虫大脑(15]。在哺乳动物中众所周知,ACh发挥其不同的行动快速的激活ionotropic烟碱受体(乙酰胆)16]也metabotropic毒蕈碱的乙酰胆碱受体(mAChRs) [17]。十个不同的基因编码的不同子单元果蝇乙酰胆,虽然确切的亚基组成的本地飞神经乙酰胆还不得而知,细胞生理学实验帮助我们获得一些见解在这些渠道的功能属性。例如,电生理学的研究表明,乙酰胆碱激活α-bungarotoxin-sensitive乙酰底层快速兴奋性突触电流果蝇大脑神经元(18,19]。此外,它最近一所示在体外制备的增强AL投影Neuron-MB突触取决于活动的乙酰胆20.]。与所有这些数据一致,成像研究表明,激活乙酰诱发的增加细胞内钙介导细胞可塑性(21]。

另一方面,一个mAChR已被确认和克隆果蝇(22]。的果蝇mAChR显示高序列同源性脊椎动物M1-type mAChR并相应地增加膜磷脂的代谢是显示在不同的表达系统(23- - - - - -25]。有趣的是,没有信息的可能性mAChRs参与嗅觉处理果蝇,尽管它已经表明,这种受体高表达在MB (23,25]。在我们的实验室,我们已经生成了新的协议来引起嗅觉厌恶的记忆果蝇幼虫,基于协议提出并讨论了在戈伯et al ., 201026]。通过使用这个协议我们首次展示mAChRs表示果蝇MB导致幼虫嗅觉厌恶学习和记忆。

2。材料和方法

2.1。飞菌株

苍蝇的w1118年(IsoCJ1)应变被用作控制。这是一个isogenized Canton-S应变携带w1118年突变(27,28]。苍蝇轴承OK107-GAL4转基因交叉到动物,包含RNAi瞄准果蝇mAChR ( )的控制下无人机从布卢明顿获得(# 27571行果蝇库存中心,印第安纳州,美国),直接的表达这个RNAi MB。另一方面,苍蝇包含mAChR-Gal4元素(来自维也纳果蝇资源中心,维也纳,奥地利,# 201245行)交叉到含有UAS-eGFP基因转基因动物(Campusano实验室飞股票的一部分,原来线# 5431,布卢明顿果蝇库存中心,印第安纳州,美国)可视化胞质mAChR eGFP的表达模式。在一些实验中,我们还用GH146-QF, QUAS-Tomato苍蝇(# 30037,布卢明顿果蝇库存中心,印第安纳州,美国)。在不同的实验中,突变体的傻瓜芜菁甘蓝蛋白质(dnc使用1和常规2080年、职责)。苍蝇在19°C, 12/12小时光/暗周期减少Gal4-driven基因的表达和被带到25°C的前一天任何实验的开始。

2.2。协议在幼虫嗅觉学习和记忆

一个新的协议产生嗅觉厌恶记忆基于协议讨论在嘉宝,201026),是用于我们的实验。主要的区别在于,培训和测试板100毫米noncompartmentalized正方形培养皿(英国Sterilin)。气味的容器被放置在板的两端。总布置如图1。方形板在固化琼脂(1%)、半掩着,是否补充2 M氯化钠(美国)。所有程序(培训、评估记忆和嗅觉歧视化验)进行了板由一个盖子,在中心穿孔曝气(0.5毫米直径孔)。

培训协议简要如下:15个或多个幼虫被放置在一个含盐琼脂板,他们是在什么地方接触3分钟有气味的东西,CS。然后,动物在水冲洗,然后放置在第二个训练板,他们是在什么地方接触到第二个有气味的;这次的琼脂中不含盐。这是一个训练周期。这个过程重复了2次在训练周期之间,动物是用水冲洗。一个1分钟intertrial间隔使用。测试记忆训练后,幼虫被放置在舞台的中心,暴露在两个气味,放置在容器在两端。动物的位置对竞技场的中心3分钟后被记录。

这整个过程进行了第二次解释,但反相的气味,有气味的东西不是搭配盐在第一个实验中第二个实验是CS。这就是所谓的相互培训(26]。

在所有的实验中一个“没有决定区”被定义为一个矩形7毫米×10毫米区域中心的记忆测试。动物站在该区域不包括在进一步的数据计算。只有实验,至少13幼虫表达决策都包含在这个工作。

控制天真的响应在不同气味比率(见图1像前面解释的那样)所使用的程序是相同的测试对记忆形成时,和数据被表示为“偏好指数。“为给定的有气味的偏好是按照下列公式计算: 计算的幼虫数量方接近有气味的东西-在一边接近的动物数量有气味的B,除以总数量的幼虫。这个数字代表了幼虫的数量而是有气味的A / B,幼虫的总数的比例用于给定的实验。

培训后,生成的记忆被表示为性能指标,按照下列公式计算: 在“A + B”表明,有气味的东西与盐有关,而“B +”表示有气味的B与盐有关。公式显示,结果表明幼虫的数量,学会了CS和美国之间的关系。

气味是乙酸乙酯用于学习和记忆实验,EA和醋酸n-amyl AA(1: 10 - 1: 100稀释,分别地。在石蜡油)。这些化学物质都是来自Sigma-Aldrich(圣路易斯,密苏里州)。Campusano实验室的所有行为实验进行了飞的房间,保持在25°C,湿度50% ~,在恒照明。

内存性能评估训练后不同时间点(0、5、15、30、45分钟),每个时间点:有独立组动物动物训练,然后记忆是评估在给定的时间点。这个评估后,动物被丢弃。

评估嗅觉敏锐,至少二十幼虫受到气味之一的一侧板与车辆(石蜡油)的另一边。三分钟后,幼虫的数量有气味的东西和车辆被记录。同样的程序进行了其他使用独立的动物团体有气味的东西。偏好幼虫的气味像前面解释的那样计算和偏好指数都是积极的,为幼虫(这些都是诱人的气味29日]。这些数据作为辅助数据S1和S2(见补充资料在网上http://dx.doi.org/10.1155/2015/658918)。

2.3。评价幼虫运动

实验表明(30.]。简单地说,单一的运动第三龄幼虫被记录为140秒(奥林巴斯数码相机)。为了避免外部的潜在影响或视觉线索,录音进行了恒照明下在一个封闭的盒子。运动行为进行了分析使用一个自动跟踪系统(Image-Pro + 6.0软件;媒体控制论公司,美国马里兰州罗克维尔市)和表示为距离覆盖的动物(毫米)(30.]。

2.4。阿托品治疗

只要需要,动物被训练与阿托品琼脂的补充,一个著名的mAChRs拮抗剂。使用不同浓度的阿托品(10 nM, 1μ米,100μ米)。

很难评估的数量达到阿托品幼虫的大脑在我们实验。然而,鉴于我们观察嗅觉记忆缺陷(见部分3)很可能造成这些影响的原因是这种药物一旦达到了幼虫中枢神经系统(CNS)。作为一个间接的方法来估计药物进入幼虫的数量,我们做了实验,琼脂是补充食品着色剂,柠檬黄,0.03毫克/毫升(商业樱桃Ltda、智利)。二十个动物暴露在这colorant-supplemented琼脂1 h,在相同的条件下使用的记忆训练实验。后来,幼虫是用水冲洗和均质。在4000转离心后,着色剂上层清液浓度测量。获得的数据表明,着色剂达到浓度内的幼虫0.21±0.08μg / mL /幼虫( 幼虫)。

2.5。表达式的mAChR幼虫

包含mAChR-Gal4动物获得交配的苍蝇和UAS-eGFP遗传元素交叉重组动物轴承GH146-QF, QUAS-Tomato转基因。只动物从这个十字架都获得GFP阳性和番茄荧光成像。幼虫在磷酸盐predissected (PBS)。大脑仍然附着在体壁在PBS含有4%多聚甲醛固定为30分钟,随后冲洗在PBT(磷酸缓冲含有0.3% Triton x - 100)。大脑进行安装与DAPI Slowfade黄金不变色试剂(生活技术,我们)和可视化在共焦显微镜光谱尼康Eclipse使用20 x C2, 40 x, x和60目标,分辨率为1024×1024像素,Z-step 0.5微米。该软件用于处理和显示ImageJ故事。

2.6。生命伦理和生物安全问题

实验过程都是生命伦理和生物安全委员会的批准Facultad de Ciencias Biologicas,来自智利天主教大学,并按照指南进行了国家科技研究基金(FONDECYT)和Servicio阿格里科拉y Ganadero de智利(凹陷)。

3所示。结果

3.1。找到厌恶嗅觉学习的实验条件果蝇幼虫

果蝇幼虫可以被训练来避免气味与不同的厌恶刺激,包括电击或化学物质如奎宁或盐。互惠训练使用两种不同的气味减少相关的可变性,以及其他因素,天真的偏好表达的动物的气味。图2(一个)显示了一个典型的行为反应在控制幼虫当暴露在两个气味EA和AA。数据表示为偏好当动物暴露于不同比率的EA AA稀释显示中值接近或超过60%的所有实验条件(黑盒)和一个大的变化。这些数据是只修改EA的稀释而获得使用AA在1:10稀释,反映了天真是多么重要控制响应幼虫的气味,像找到稀释导致同等分布的动物在这两种气味的存在。最后一个数据(图所示2(一个)用红色框)的天真的响应幼虫暴露于EA(1: 10稀释)和AA(1: 100稀释)。在这种情况下,偏好表达的动物气味是50±4.7%。这些都是有气味的稀释用于这项工作。

之前它已经表明,幼虫中产生记忆的持续时间取决于不同的因素,包括使用学习协议(例如,有多少培训周期使用)或美国的质量和强度。我们探索其中的一些问题,已经发现,使用三个培训周期会导致内存持续30 - 45分钟。在这个时期,内存性能降低一个级别,没有检测到对气味的偏好(图2 (b))。此外,我们的数据表明,这种嗅觉记忆取决于信号,因为它不是在营地磷酸二酯酶突变体傻瓜或calcium-calmodulin-dependent腺苷酸环化酶突变体芜菁甘蓝(图2 (b))。完全可以生成这些数据表明,厌恶嗅觉记忆果蝇幼虫,预计这种联想记忆,它是短暂的,取决于营地,与先前的报告相一致(5,31日,32]。

3.2。厌恶记忆mAChR贡献果蝇幼虫

一旦条件产生嗅觉厌恶记忆了,我们决定评估这种关联行为mAChRs的贡献。

首先,我们评估的表达mAChRs幼虫。果蝇表达eGFP的控制下mAChR-Gal4包含GH146-QF与动物交配,QUAS-Tomato转基因。因此,在这些动物eGFP表达受体的表达模式,而在红色可以识别AL投射神经元和连接的MB肯扬细胞。如图3在某种程度上,mAChR表示在整个幼虫中枢神经系统,但可以清楚地观察到细胞的身体在腹神经索和幼虫的大脑,在MB和周围地区。高放大倍数故事表明,mAChR本地化花萼和幼虫MB叶(数字3(我)- - - - - -3(左))。小触角叶的表达检测。这些数据表明,幼虫MB mAChR表示。

两种不同的方法被用来评估mAChRs厌恶嗅觉记忆的贡献:一个药理和一个基因。第一个,果蝇幼虫被暴露于阿托品(100μ著名mAChR拮抗剂米),同时训练记忆化验。获得的数据表明,该药物治疗也取消了幼虫的能力产生嗅觉厌恶记忆(图4(一))。另一方面,我们的数据显示,阿托品的作用是剂量依赖性(图4 (b))。自100年治疗μM阿托品并不影响嗅觉敏锐的幼虫(图S1),这些结果表明,mAChRs导致嗅觉厌恶记忆的一代。它已经表明,在成年苍蝇幼虫MB为电动机的表达程序(30.,33]。因此,重要的是要控制运动的动物用阿托品治疗。100年实验动物暴露于阿托品μM证明这个操作不会影响电动机输出在这些动物(幼虫暴露于阿托品覆盖113.1±14.4毫米和95.0±8.5毫米控制动物, 和10幼虫职责。 以及, )。因此,所有这些数据支持的命题mAChRs导致生成一个厌恶嗅觉记忆果蝇幼虫,但是它并没有解决mAChRs作用调节这个记忆。

评估这个问题,我们求助于基因的方法。通过使用Gal4-UAS技术,我们表达了RNAi mAChR ( )幼虫与嗅觉记忆相关的大脑区域,像前面解释的那样MB。动物被训练和记忆性能评估表示。结果表明,厌恶的记忆并不是形成于动物表达 在MB(图4(一))。实验动物进行表达 在MB没有这种基因操纵的影响幼虫运动相比,控制动物(112.5±8.5毫米被动物表达 在MB,相比90.5±6.8毫米和116.1±7.9毫米OK107-Gal4 / +和无人机 / +动物,分别地。 10、10和动物,分别地。 方差分析其次是图基测试后)。完全需要这些数据表明mAChRs MB的一代厌恶嗅觉记忆。

4所示。讨论

不同的蛋白质和分子一直在不同的系统与记忆的形成有关。值得注意的是,一些关键贡献者从节肢动物学习和记忆是高度保守的哺乳动物。这使得它可以研究的一些基本原则基础在无脊椎动物学习和记忆,知识以后,可以外推到更复杂的系统(34,35]。

4.1。联想的嗅觉训练果蝇幼虫

在我们的实验室,我们试图阐明受体的贡献和神经系统复杂行为包括嗅觉学习和记忆。为了进步在这个问题上,我们建立了一个协议关联厌恶嗅觉记忆的形成果蝇幼虫。有人建议,幼虫一样好一个模型系统阐明的一些细胞和分子调节基础在果蝇嗅觉学习和记忆,比成年苍蝇。幼虫相当简单的细胞数量和整体组织的嗅觉系统7,8,36),这是其中一个原因我们和其他人使用它作为动物模型来获得新的见解的细胞和分子机制负责生成新的记忆。

互惠培训协议中我们经常使用实验的目的是获得一个健壮的、可再生的记忆的气味,被认为是独立的有气味的稀释用于培训和/或内存测试,在不同的实验US-paired有气味的切换(26]。这是不同于培训协议,只有一个有气味的东西与我们有关32,37]。然而,我们的数据表明,即使使用互惠培训协议有必要建立适当的实验条件导致平衡分布的动物暴露在气味在测试室之前任何训练。事实上,两种不同的实验与EA / AA稀释比率10导致不同的天真的偏好:当这个比例从1:获得10 AA稀释,偏好观察到60%以上;当1:100稀释AA是用来准备这稀释比例,观察到的偏好约为50%。这些数据表明,重要的是要控制天真的偏好的动物气味中使用嗅觉学习和记忆实验,为这个复杂的行为取决于动物充分感知和响应能力的有气味的刺激。其他因素也会影响动物的表现在这个关联行为包括药物的存在(在我们的例子中阿托品)或美国(即。、盐在我们的实验中)。所有这些因素都控制在我们的实验中(数据显示为补充数据S1和S2),以确保结果确实是解释动物的能力来生成新的记忆。

4.2。mAChRs在果蝇厌恶学习

存在一个g蛋白耦合metabotropic毒蕈碱的乙酰胆碱受体(mAChR,即mAChR-A)所示果蝇(22]。这个mAChR显示高序列homologyto脊椎动物M1-type mAChRs如预期的一样,诱发PLC的激活调节膜磷脂在不同的系统(22- - - - - -24]。最近第二mAChR被确定(又名mAChR-B [38])。第二个假定的mAChR显示一些差异,其氨基酸序列和药理和生理特性与所有脊椎动物和无脊椎动物mAChRs描述之前,包括事实不是被毒蝇碱激活或被阿托品、东莨菪碱两个著名mAChR拮抗剂(38]。因此,目前尚不清楚这是否实际上是一个mAChR。由于这些原因我们我们的工作只关注mAChR-A。

表达的研究表明,mAChR高度表达成人MB和艾尔23,25]。从高通量表达式研究获得的信息表明,这种受体也有表达幼虫中枢神经系统(39),虽然到目前为止没有信息这种受体的表达在特定的幼虫的大脑区域。我们的数据显示,首次mAChR表达在soma和流程在腹神经索和幼虫MB的地区,特别是在花萼和幼虫MB叶,定位这个受体在正确的位置调节嗅觉学习。

两种不同但互补的方法被用来评估的贡献在幼虫mAChRs嗅觉厌恶学习。在一方面,动物被训练和测试在阿托品,mAChRs著名的对手。获得的数据表明,这些动物是无法形成一个厌恶嗅觉记忆,这表明mAChRs所需记忆的形成。这种方法不会说的地方mAChRs作用调节记忆形成,因此一些情况可以解释这一结果。由于胆碱能神经元传递信息的CS MB, mAChRs可能是presynaptically位于艾尔投影Neuron-MB突触调节乙酰胆碱释放MB地区类似已经建议在一个乙酰胆在体外AL-MB突触准备(20.]。mAChRs也可以位于aminergic终端负责发送的信息我们MB,调节突触。调制胺的释放的胆碱能配体是一个我们最近发现的可能性在体外飞大脑准备(40]。也有可能mAChRs MB神经元中表达直接调节这些细胞的活动诱发记忆形成。因为我们的表达研究支持这一命题,我们转向一种基因的方法来评估这最后的可能性。值得注意的是,的具体表达式 在MB完全抑制幼虫的新厌恶嗅觉记忆的形成。总之,这些数据首次证明mAChRs表达MB内存需要一代的厌恶果蝇幼虫。

mAChRs的贡献在嗅觉的记忆已经是建立在其他系统中。例如,它已经被先前表明mAChRs导致嗅觉记忆在蜜蜂41,42]。有趣的是,这些数据支持的毒蕈碱的受体只有嗅觉记忆检索所需,而不是收购。此外,在嗅觉记忆mAChRs蜜蜂的影响具体取决于MBα叶(43]。我们不知道是否需要mAChRs特定记忆阶段或过程果蝇或者像蜜蜂mAChRs需要在特定的幼虫MB地区,但这些都是问题,我们目前正在评估。

另一方面,它已经表明,莨菪碱的政府,一个非选择性拮抗剂M1-M5脊椎动物mAChRs,减少不同类型的记忆在哺乳动物44- - - - - -46]。此外,在老鼠身上获得的数据表达的变异M1-type mAChR显示缺陷对记忆收购和整合47]。值得注意的是,老鼠接受prelimbic皮质显示缺乏嗅觉记忆中莨菪碱(48]。这些数据表明,mAChRs重要贡献者一代的记忆,尤其是嗅觉记忆,在哺乳动物和昆虫。我们的数据有助于理解记忆形成的分子基础果蝇但进一步支持命题,无论明显解剖差异,关键贡献者复杂现象包括节肢动物的嗅觉学习和记忆是守恒的哺乳动物。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者想感谢Campusano实验室的所有成员的评论,帮助实验,和建议。本研究支持Fondecyt 1141233。

补充材料

无花果S1。嗅觉敏锐和歧视不改变盐或盐+阿托品治疗控制动物。A, B,幼虫的行为被记录在测试板有气味的东西之一是在一方(A,醋酸戊酯;B,乙酸乙酯),而车辆(石蜡油)在另一边。测试板与琼脂糖装(对照组),用琼脂糖补充2 m氯化钠(盐组)或用盐和100μM阿托品(盐+阿托品组)。无统计差异(n)观察幼虫的偏好指数计算中存在的气味和车辆,在任何实验条件(P > 0.05,方差分析的一种方法)。c .幼虫暴露在两个气味控制琼脂板测试,或者在测试板含盐或盐份+阿托品,显示无统计差异的偏好指数计算,比控制条件(P > 0.05,方差分析的一种方法)。每个数据两者对应至少15所示的实验中,每一个包括至少15幼虫,幼虫的最小数量包括在任何个人数据在整个图是283只动物。

无花果S2。嗅觉敏锐和歧视不改变动物表达mAChR RNAi。这些研究中使用的动物被表达的mAChR RNAi MB (UAS-RNAimAChR;OK107,橙色酒吧)和他们的基因控制(UAS-RNAimAChR/ +白色的酒吧;玫瑰酒吧,和OK107-Gal4 / +)。A, B,幼虫的行为被记录在测试板有气味的东西之一是在一边当车辆(石蜡油)在另一边(A,醋酸戊酯;B,乙酸乙酯)。测试板与琼脂糖装。无统计差异(n)观察幼虫的偏好指数计算中存在的气味和车辆(P > 0.05,方差分析的一种方法)。c . UAS-RNAi的幼虫mAChR;OK107显示无统计差异的偏好指数计算与遗传控制,当暴露在两个气味在琼脂测试板(P > 0.05,方差分析的一种方法)。每个数据两者对应至少15所示的实验中,每一个包括至少15幼虫,幼虫的最小数量包括在任何个人数据在整个图是301只动物。

  1. 补充材料