Bezobratlí v neuroetologii Martin Vácha Bezobratlí v neuroetologii A) Bezobratlí jako model neuroetologických experimentů B) Podmiňování jako klíč k funkcím NS a smyslů C) Magnetorecepce hmyzu Neuroetologie (behaviorální neurobiologie): • Syntéza etologie a neurobiologie (60.1) • Neurální podstata chování • Nástroj řešení otázek neurofyziologie A) Bezobratlí v neuroetologii Jednoduchý, snadno přístupný nervový systém • Larva 10 tis neuronů, ad'lTB^Sc'mil.synapsí „Robustní" behaviorální projev Laboratorní podmínky AmT^ Snadný, levný a rychlý chov W^*"T Mutantní linie \ Bezobratlí v neuroetologii Jednoduchý, snadno přístupný nervový systém „Robustní" behaviorální pr Laboratorní podmínky ■ Snadný, levný a rychlý chov Mutantní linie Mimořádný význam Bezobratlí v neuroetologii: • Sensomotorické reflexy Bezobratlí \ • Sensomotorické reflex Caenorhabditis elegans (háďátko) Bezobratli v neuroetologii: • Sensomotoricke reflexy • Motoricke sekvence Depressor muscle Levator muscle Wing-hinge proprioceptor Depression proprioceptors Clione limacina (valovka plzovita) „Sea angel" Bezobratlí v neuroetologii: • Sensomotorické reflexy • Motorické sekvence • Orientace Training conditions Testing conditions Pine cones nest in sand Pine cones moved ••••• Philanthus triangulum N. Tinbergen Nobelova cena 1973 Bezobratlí v neuroetologii: Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace Bezobratlí v neuroetologii: Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace f ~ p Komunikace . - ' 'f *ÍZ«J?> Učení a paměť * ■ Spn I B2Ě Bezobratlí v neuroetologii: Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace Učení a paměť Circadiánní rýmy [ Bezobratlí v neuroetologii Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace i ^ m^s Komunikace vVNH Učení a paměť .S—ES! Circadiánní rýmy HIHSIB Smyslové schopnosti BBRHRI • •n H ÉÉ • n Bezobratlí v neuroetologii: • Sensomotorické reflexy • Motorické sekvence • Orientace • Komunikace • Učení a paměť • Circadiánní rýmy • Smyslové schopnosti Bezobratlí v neuroetologii Sensomotorické reflexy ^^^^ Motorické sekvence Orientace HE Komunikace I7jí~T^ Učení a paměť HIÁÉ Circadiánní rýmy H^^l Smyslové schopnosti a dráhy Uj^^H Stárnutí El^ffl Bezobratlí v neuroetologii: Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace _ Učení a paměť b Circadiánní rýmy ^ Smyslové schopnosti Stárnutí Sexuální orientace " _ Bezobratlí v neuroetologii Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace Učení a paměť__ Circadiánní rýmy Smyslové schopnosti ^^^^^ Stárnutí WMH Sexuální orientace Agresivita áUĚĚĚL Bezobratlí v neuroetologii Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace Učení a paměť Circadiánní rýmy Smyslové schopnosti a dráhy Stárnutí Sexuální orientace Agresivita E^^E^H Působení drog a farmak I^^^TSI I H Bezobratlí v neuroetologii: • Sensomotorické reflexy • Motorické sekvence • Orientace • Komunikace • Učení a paměť • Circadiánní rýmy • Smyslové schopnosti • Stárnutí • Sexuální orientace • Agresivita Působení drog a farmak Ochota riskovat, emoce atd... Souhrn současných témat řešených behaviorálními přístupy • Paměť a Alzeimerova choroba • Parkinsonismus a jeho léčba • Paměť a stárnutí • Léčba depresí • Účinky drog, závislost/léčba • Autimus a jeho léčba • Strach a jeho podstata/léčba • Výzkum agresivity • Účinky alkoholu a léčba závislosti na něm • Podstata učení - bezobratlí • Podstata učení - obratlovci • Orientace v prostoru • Čichové schopnosti - bezobratlí • Čichové schopnosti - obratlovci • Výzkum citlivost na dotek • Vnímání magnetického pole • Vnímání polarizovaného světla • Vnímání teploty Zrakové schopnosti Pohybové poruchy Léčba bolesti Denní rytmy a jejich poruchy Sociální vztahy a jejich poruchy Testování sedativ a analgetik Hyperkinetická porucha a její léčba Výzkum funkcí mozku a jeho oddílů Repelenty a boj proti přenašečům nemocí Boj proti hospodářským škůdcům Výzkum pozornosti a jejích poruch Welfare hospodářských zvířat Výzkum komunikace zvířat Výzkum sexuální orientace Výzkum ochoty riskovat Zvířata jako biosensory B) Podmiňování \a\ Vytvorení podmínénél plasticity NS a zá\ Pavlov NS a smyslú azem učení. * 8 12 16 20 24 28 32 36 40 Numb»>r «>f triabi Podmiňování jako klíč k funkci NS a smyslů Vytvoření podmíněného spojení je důkazem plasticity NS a základem paměti a učení. Vytvoření podmíněného spojení může být: cílem výzkumu paměti a učení Vytvoření podmíněného spojení může být: cílem výzkumu paměti a učení Habituace u Aplysia Plasticita nervového spojení i na izolovaných gangliích = 57,r r = 0,31 s = 67.3ň Rozlišení inklinační a polaritní reakce ukazuje na typ recepce Hh Hh N 0/2 Hy Hv Hh d. Inklinační kompas ptáků. Normální orientace (a). Dtočíme-li experimentálně vertikální složku geomagnetického pole (b), má to stejný účinek jako otočení složky horizontální (c). Ptáci (ale také čolci a želvy) odvozují tedy polaritu pole ze znaménka sklonu po-lle (inklinace). (Podle: Wiltschko W., Wiltschko R.: J. Comp. Physiol. A 191, 675-693, 2005) Obrácení inklinace otočí orientaci potemníka - kompas není polaritní Training / Test / Training / Test \ jj^--—---- i? 7 mě V* * •f f ••• •i *• ••• • • N = 109 MVB = 354° P < 0.001 N = 115 MVB = 179° P = 0.03 Změna barvy světla způsobí posun orientace Kompas potemníka Tenebrio má znaky na světle závislého mechanismu. Nepodmíněná reakce? • Poziční chování Alignment behavior Becker, (1965) Alignment behavior w Natural field Field rotated 60° CW Magnetic North N=2030 samples 24 animals Inside / Outside = 2.7 W All positions of all animals pooled together B N=2224 samples 26 animals Inside / Outside = 1.6 Magnetic North Fig. 1 B) Body turns in rotating field Time schedule: 4pm 6pm Oam 6am \ 10pm 1pm 6pm 11.30pm 2.30pm Dish loading 1 picture/min = 270 samples Time schedule: Test GMF 60°CW rotation Pulses 5min/5min 1 2 3 4 5 6 4pm 6pm Oam Dish loading 6am 10pm 1pm 6pm 11.30pm 2.30pm 1 picture/min = 270 samples 2005 06-01 13:02:33 • Laboratorní testy chování • Aktivity 6/276 Počet skupin Měření úhlů Počet intervalů Nulový úhel 24 ; Zobrazit Uložit B Otevři soubor po uložení Měřeni pohybů Považováno za pohyb—, Rozdíl úhlů Rozdíl pozic 15 * 20 Tloušťka okraje Citlivost dotyků 3: i— Orientace dat- ✓ Nezapočítávat dotyky Na výšku « Na šřku Zobrazit Uložit Results: (n=62/66) Results: (n=62/66) A 60°CW field shifts in Test 11111 ill 11 □ Tost ■ Control 10.00 h 10.45 hi 1.30 h 12.15 h 13.00 h 13.45 h 14. A B C D E F 1 8 16 14 12 10 8 6 4 2 0 30 h R □ ABF □ CDE F=0.001 p=ns- Test Control 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 □ Test □ Control />=0.03 P=n.s. CDE ABF Kandidát na receptor ? Periplaneta americana Amputace tykadel Rotace pole zvýší neklid Amputace tykadel: • Ztráta sensitivní reakce - receptor je v tykadlech nebo nespecifický vliv stresu • Zachování reakce - receptor není v tykadlech Rotace pole zvýší neklid Periplaneta americana i bez tykadel 60°CW field shifts in DÜDDDDDDD T□ □ .0(^10.4^11.3(^12.1 ^13.0(^13.4^14.30 A) íéBL. P=n.: Test Control B) Projekt kryptochrom • Metody reverzní genetiky - iRNA • Chirurgie - léze, ablace • Imunochistochemie ^^^k Metody: Spontánní pohybová reakce Periplaneta americana na rotaci pole Nepodmíněná reakce Reverzní genetika - RNA interference Vacha, M. 2006. Laboratory behavioural assay of insect magnetoreception: Magnetosensitivity of Periplaneta americana. J. Exp. Biol. 209: 3882-3886. Methods Merritt coil o 2 ■o O ca 1 Control - no MGF rotation - no MIR reaction *4 270 min Test - rotating MGF - MIR reaction Wilcoxon pair test, N=119, P=n.s. Wilcoxon pair test, N=116y P=0.00017 270 min Spektrální křivka chování odpovídá absorpční křivce CRY CM E co CL o o 00 cd 40 Wavelength Ol 1,00E+13 1,00E+14 1,00E+15 1,00E+16 1,00E+17 1,00E+18 1,00E+19 1,00E+20 X - no MIR reaction • " MIR reaction Each symbol covers n=52-98 x 7 0.8 It Dark + 1 h Light +2 h Light 300 400 500 Wavelength { 600 700 nm) Po začernění očí se ztratí magnetická citlivost Existuje polokruhovitá struktura s Cry? Imunocytochemie: vrstva buněk zespodu kopírujících sítnici Shrnutí nových výsledků na Periplaneta a B letěl la: • Magneto recepce je vázaná na oči • Spektrální křivka směrové recepce odpovídá absorpci Cry • Směrová magnetorecepce je závislá na funkčním Cry -» Cry je přítomen v polokruhovité vrstvě pod sítnicí • Fotochemický kompas je solidní hypotéza Závěr a budoucnost hmyzího výzkumu? • Role uvažovaných mechanismů se během doby vyměnily a hypotéza fotochemického vnímání geomagnetického pole nabývá na síle Živočichové dost možná pozorují magnetické okolí zrakem Nejen orientace. Magnetické pole přes Cry ovlivňuje rytmus, geotaxi _Drosophil..._ Fedele, G., Edwards, M. D., Bhutani, S., Hares, J. M., Murbach, M., Greenl, E. W., etal. (2014). Genetic Analysis of Circadian Responses to Low frequency Electromagnetic Fields in Drosophila melanogaster. PLOS Genetics, 10(12), e1004804. Fedele, G., Green, E. W., Rosato, E., & Kyriacou, C. P. (2014). An electromagnetic field disrupts negative geotaxis in Drosophila via a CRY-dependent pathway. Nature Communication, DOI: 10.1038/ncomms5391. Nejen orientace. Magnetické pole ovlivňuje cirkadiální a možná i anuální rytmy - sezónní diapauzu Navoňal G*omaor»*tic Sarvtc* BOS fcrtnhurqh OOA» 1 W»aaa*» Ortl_Mi mand lat »M—I tm: mWI Závěr a budoucnost hmyzího výzkumu magnetorecepce živočichů? • Hmyz díky molekulárním technikám odpovídá na zásadní otázky o mechanismu • O to hůře se ale odpovídá na otázku po významu recepce (octomilka, rus). Závěr a budoucnost hmyzího výzkumu? Třeba ale právě to upozorňuje na to, že směr magnetického poleje pro živé systémy důležitější než kompas v ruce pro člověka JM @ l Nejen laboratoř. FABIENNE NYSSEN Pláž na Lachmanově mysu Vrtu lovná Vrtu lovná I Dosavadní granty: • Ověření magnetorecepce potemníka moučného. G AČ R 2001-2003 • Analýza magnetorecepčního chování laboratorních druhů hmyzu. GAČR 2005-2008 • Neurální podstata magnetorecepce hmyzu. GAČR 2007-2010 • Fyziologická a funkčně genetická analýza magnetorecepce na hmyzím modelu GACR 2013-2015. • Spolupráce o 3 Q) (Q CD O 0 O 0 "O Q) O 00 3" <-tt> Ü) Q) Ä (Q KJ E3 ° y_ čo ^ & re M (í Q. ZÁVĚR: • Bezobratlí jsou vděčným neuroetologickým modelem. • Podmiňování je užitečným nástrojem smyslové fyziologie a neurofyziologie. Bezobratlí pomáhají odhalit tajemství magnetorecepce Děkuji za pozornost.