Neurala kretsar för beteende omvandla sensoriska ingångar till motorutgångar i mönster med strategiskt värde. Att bestämma hur neuroner längs en sensormotorisk krets bidrar till denna omvandling är centralt för 19 förståelse beteende. För att göra detta krävs en kvantitativ ram för att beskriva beteendedynamiken. Här byggde vi ett höggenomströmningsoptogenetiskt system för Drosophila larv att kvantifiera sensorimotor 21 transformationer underliggande navigationsbeteende. Vi uttrycker CsChrimson, en rödförskjuten variant av 22 Kanalrodopsin, i specifika kemosensoriska neuroner, och exponerar ett stort antal fritt flytta 23 djur till slumpmässiga optogenetiska aktiveringsmönster. Vi kvantifierar deras beteendesvar och använder 24 omvänd korrelationsanalys för att avslöja de linjära och statiska icke-linjära komponenterna i navigationsdynamiken 25 som funktioner av optogenetiska aktiveringsmönster hos specifika sensoriska neuroner. Vi finner att linjär-icke-linjära 26 (LN) modeller exakt förutsäga navigeringen beslutsfattande för olika optogenetisk aktivering 27 vågformer. Vi använder vår metod för att etablera navigeringens valence och dynamik driven av 28 optogenetiska aktivering av olika kombinationer av bittersensoriska nervceller. Vår metod fångar 29 dynamiken i optogenetiskt framkallat beteende i kompakta, kvantitativa omvandlingar som kan vara 30 används för att karakterisera kretsar för sensorimotorisk bearbetning och deras bidrag till navigering beslut-31 beslutsfattande. Drosophila larv navigation innebär reglering av övergångar mellan två grundläggande motortillstånd, kör 43 under vilka djuret rör sig framåt med rytmiska peristaltiska vågor och svängar under vilka larv 44 sveper sitt huvud fram och tillbaka tills den väljer riktningen för en ny körning (4-6) ( Bild 1A). Attraktiva och 45 motbjudande svar kan uppskattas av larvens tendens att aggregera nära eller undvika en 46-miljöstimulans (7). Attraktiva och motbjudande svar kan också observeras i rörelse 47 mönster av enskilda larver (4, 8, 9). När larven stöter på förbättrade förhållanden över tiden, sänker den sannolikheten för att avsluta varje körning med en sväng, vilket förlänger körs i gynnsamma riktningar. När 49 larv möter förbättrade förhållanden under varje huvud svep av en tur, ökar sannolikheten för att 50 starta en ny körning, vilket startar fler körningar i gynnsamma riktningar. Således, att utsätta larven för en 51 attraherande tenderar att undertrycka övergångar från körningar till svängar och stimulera övergångar från vändningar till körningar; 52 att utsätta larven för ett motbjudande har motsatt effekter. Mycket framsteg har gjorts när det gäller att förstå den molekylära och cellulära organisationen av det 54 kemosensoriska systemet i Drosophila larva, men hur specifika kemosensoriska neuroner förmedlar information 55 för att styra navigationsrörelser fortfarande dåligt förstådd. (sju, tio till tolv). En utmaning med att studera 56 kemoaxis är att det är svårt att ge sensorisk input för att bete djur med den flexibilitet, receptor-57 specificitet, och precision som behövs för att bygga beräkningsmodeller av kemosensor-styrd navigering. Den 58 senaste utvecklingen av en rödförskjuten version av Channelrhodopsin, CsChrimson, som aktiveras vid 59 våglängder som är osynliga för larvens fototaxisystem, tillåter oss nu att specifikt manipulera 60 aktiviteten hos neuroner i att uppföra djur med tillförlitlighet och reproducerbarhet (13). Här sökte vi en matematisk karakterisering av navigationsdynamiken som framkallades av optogenetisk 62 aktivering av olika uppsättningar neuroner. Vi fokuserar på navigeringen driven av kemosensoriska ingångar. Även om organisationen av den kemosensoriska periferin är väl definierad, den kvantitativa kartläggningen från 64 sensorisk aktivitet till beteendedynamik har ännu inte fastställts. För att göra detta, konstruerade vi en hög 65 genomströmning experimentell installation som kan registrera kör-och vridrörelser av fritt rörliga larver 66 utsätts för definierad optogenetisk aktivering av utvalda kemosensoriska neuroner. Genom att mäta stora 105 de fritt rörliga larver. Vi använde den enklaste vita processen för omvänd korrelering, en Bernoulli process 106 där vi tilldelade -1 för lampor OFF och +1 för lampor på, och beräknade den genomsnittliga stimulans historia som 107 föregick varje körning för att vända eller vända för att köra övergång (Fig 1E, F). Dessa händelseutlösta stimulanshistorier 108 representerar hur djuret använder optogenetiska aktiveringsmönster hos specifika neuroner för att reglera varje motor 109-statsövergång och står i proportion till de linjära filterkomponenterna i f r→t och f t→r (se Material och 110 Metoder och Kompletterande Metoder). 111 112 113 558 Odors............................................................................................................... Neuron 61(4):570-586. 559 16. Vad är det för fel på dig? Brand AH, Perrimon N (1993) Riktad genuttryck som ett medel för att förändra cell öden och 560 generera dominerande fenotyper. Utveckling 118(2):401-415. Det är 561 17. Keene AC, Sprecher SG (2012) Se ljuset: fotobeteende i fruktflugslarver. Trender Neurosci 562 35(2):104-110. Det är 563 18. Asahina K, Louis M, Piccinotti S, Vosshall LB (2009) En krets som stöder koncentration-invariant 564 lukt uppfattning i Drosophila. J Biol 8.1:9..........................................................................................................................
Till exempel har ett optogenetiskt system nyligen införts för att undersöka hur neuroner bidrar till att omvandla sensoriska ingångar till motoriska utgångar REF.
Reverse-correlation analysis of navigation dynamics in Drosophila larva using optogenetics
{'venue': None, 'journal': 'bioRxiv', 'mag_field_of_study': ['Biology']}