Neuroetologie
Martin Vácha
A) Bezobratlí jako model neuroetologických experimentů
B) Podmiňování jako klíč k funkcím NS a smysl c) Citlivost zvířat na magnetická pole
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 „Robustní" behaviorální Laboratorní podmínky Snadný, levný a rychlý Mutantní linie
Bezobratlí v neuroetologii
Jednoduchý, snadno přístupný nervový systém „Robustní" behaviorálníHpjev Laboratorní podmínky Snadný, levný a rychlý <| Mutantní linie
Mimořádný význam
Bezobratlí v neuroetologii:
• Sensomotorické reflexy
Bezobratlí v neuroetologii:
• Sensomotorické reflexy
Caenorhabditis elegans (háďátko)
Bezobratlí v neuroetologii:
• Sensomotorické reflexy
• Motorické sekvence
Bezobratlí v neuroetologii:
• Sensomotorické reflexy
• Motorické sekvence
• Orientace
Training conditions	Testing conditions Pine cones
A a      nest in Pine         9W VA"" sand cones ■^^'^i	moved here A              nest in ••••• 1
Philanthus triangulum
N. Tinbergen Nobelova cena 1973
Bezobratlí v neuroetologii
Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace
s. o
E <
0 1 5   3 4.5   6 75   910 5 1213 5 15 Time (s)
Bezobratlí v neuroetolog
Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace Učení a paměť
& ''.jit- v 0 ^
(c)
irT^Ž-	Rower supply
A	
ition sigi	
l Thermo sensor	Position scanner ; 1                                   Nr<-1
rutabaga
dunce
ignorant ether-a-go-go
-
- Peltierelements
Current Opinion in Neurobiology
Bezobratlí v ne
Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace Učení a paměť Circadiánní rýmy
Bezobratlí v neuroetologii:
• Sensomotorické reflexy
• Motorické sekvence
• Orientace
• Komunikace
• Učení a paměť
• Circadiánní rýmy
• Smyslové schopnosti
Bezobratlí v neuroetologii:
Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace Učení a paměť Circadiánní rýmy Smyslové schopnosti
LED array
Mosaic platform
Top view, thermal imaging
Glass cover
Heated ring
Bezobratlí v neuroetologii
Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace Učení a paměť Circadiánní rýmy Smyslové schopnosti a dráhy Stárnutí
55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69
Weeks post-adult molt
R3
R2
Rl
L3
1.2 _
II
Ol
0        500      1000     1500     2000 2500 Time (ms)
Bezobratlí v neuroetologii
Sensomotorické reflexy Motorické sekvence Orientace Komunikace Učení a paměť Circadiánní rýmy Smyslové schopnosti Stárnutí
Sexuální orientace
Bezobratlí v neuroetologii:
• Sensomotorické reflexy
• Motorické sekvence
• Orientace
• Komunikace
• Učení a paměť
• Circadiánní rýmy
• Smyslové schopnosti
• Stárnutí
• Sexuální orientace
• Agresivita
Bezobratlí v neuroetologii
• Sensomotorické reflexy
• Motorické sekvence
• Orientace
• Komunikace
• Učení a paměť
• Circadiánní rýmy
• Smyslové schopnosti a dráhy
• Stárnutí
• Sexuální orientace
Agresivita
Působení drog a farmak
micropipet
injector
cylindrical
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...
B) Podmiňování jako klíč k funkci NS a smyslů
Vytvoření podmíněného spojení je důkazem plasticity NS a základem paměti a učení.
(A)
Number of trials
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
Aplysia - zej „mořský zajíc"
Aplysia
Vytvoření podmíněného spojení může být: cílem výzkumu paměti a učení
Trénink a test
Current Opinion in Neurobiology
Vytvoření podmíněného spojení muže být: nástrojem výzkumu smyslových schopností
Odměna nebo trest při tréninku
Vytvoření podmíněného spojení může být: nástrojem výzkumu smyslových schopností
Richard Axel
Nobelova cena 2004 za objevy podstaty čichu
Vytvoření podmíněného spojení může být: nástrojem výzkumu smyslových schopností
Richard Axel
Nobelova cena 2004 za objevy podstaty čichu
C) Magnetorecepce - výzva smyslové fyziologii
Kompas:
Všudypřítomné vodítko
Geomagnetické pole doprovází život od jeho počátku
Schopnost je vnímat je dnes již dobře doložený
Zájem badatelů neklesá
WEB OF SCIENCE
Search Return to Search Results
TM
Citation Report: 648
(from Web of Science Core Collection)
You searched for: TOPIC: (magnetoreception) ...More
This report reflects citations to source items indexed within Web of Science Core Collection. Perform a Cited Reference Search to include citations to items
The latest 20 years are displayed. View a graph with all years.
The latest 20 years are displayed. View a graph with all years.
K čemu dobrá recepce? Užitečné
orientační vodítko.
K čemu dobrá?
2. Lokalizovat pozici - Mapový smysl navigace
"GPS systém" zvířat - závisí na souřadné síti dvou gradientů
Z inklinace se
dá zjistit geografická šířka...
n° 60°E ■
180°
90°N
180° 90° N
60°N
30°N
30°S
60°S
120°W
30°S
60°S
90°S
...a lokalizovat severo-jižní pozici.
Z intenzity se dá zjistit geografická délka
120°E
180° i 90°N
60°N
30°N
30°S
60°S
90°S
120°W
60°W
12CTE
horizontal component
3. Lokální anomálie mohou sloužit jako místní
http://geomag.org/models/EMAG2/Looking_NW_at_Spain.jpg
Kompas nebo mapa?
Karety mají mapu
Používají magnetické parametry jako majáky k orientaci.
Lohmann, K. J., Cain, S. D., Dodge, S. A. and Lohmann, C. M. F. (2001). Regional magnetic fields as navigational markers for sea turtles. Science 294, 364-366.
Mladé karety v systému cívek simulujícím lokální pole.
Horizontal coil power supply
Vertical coil power supply
Cable from digital encoder
Lohmann, K. J., Cain, S. D., Dodge, S. A. and Lohmann, C. M. F. (2001). Regional magnetic fields as navigational markers for sea turtles. Science 294, 364-366.
Langusta karibská
mapu používa také
Simulated northern location: 47.900nT, 59.3° inclination
Capture site:
45.300nT, 55.8° inclinatio
Simulated southern location: 42.800nT, 51.4° inclination
Ernst, D. A. and Lohmann, K. J. (2016). Effect of Magnetic Pulses on Caribbean Spiny Lobsters: Implications for Magnetoreception. J Exp Biol doi:10.1242/jeb. 136036.
4. Z denních variací je možné zjistit čas
National Goomagnotic Sorvico, BGS, Edinburgh
GDAS 1 Fluigate Data
00
Dato: 22-06-2004
r-brtland lat: 30.993N Ion: 35S.516E
12
Hour (UT)
10
24
Dav number: 174
E W
E W
http://www.geophysik.uni-muenchen.^
Neznáme
• Mechanismus recepce
• Lokalizaci receptoru
• Adaptivní význam
Důkazy pro magnetitový kompas :
Nezávislý na světle Rozeznává polaritu pole (S od J) Citlivý na silný magnetický pulz Necitlivý na slabé RF oscilace
Fotochemická reakce?
D + A
h.v /\/\jf fotoexcítace
model „radikálových" párů
D* + A
přenos elektronu
I
(•D+ + .A")S
(•D+ + .A")
přechod mezi singletovým a tripletovým stavem
rsingletovéJ produkty
	(%)-
_s_ (U ><u	70-65-
	60-
leto\	55;
Cl	
„t rip letové' produkty
0° 90° 180° 270° 360° úhel k magnetickému vektoru
GMF vektor může modulovat procesy transdukce světla...
a tvořit viditelné obrazce (?)
w
Solov'yov, I. A., H. Mouritsen, and K. Schulten. 2010. Acuity of a cryptochrome and vision-based magnetoreception system in birds. Biophysical Journal 99: 40-49.
sw
SE
Fotochemický model
Základní teze: Biochemická reakce může být ovlivněna GMF.
Nepárové elektrony mají svůj magnetický moment, který interaguje s okolním polem
B
Acceptor
I
Donor
Nepárové elektrony najdeme v radikálových párech. Ty vznikají např. po dopadu fotonu (chlorofyl, fotolyázy)
Fotochemický model
Fotosensitivní molekulou s kýženými vlastnostmi je nejspíše Kryptochrom
Nalezené v rostlinách Příbuzné fotolyázám Řídící vnitřní hodiny Tvořící radikálové páry
Schulten, K., & Windemuth, A. (1986). Model for a Physiological Magnetic Compass. In G. Maret, J. Kiepenhauer & N. Boccara (Eds.), Biophysical Effects of Steady Magnetic Fields (pp. 99-105). Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo: Springer-Verlag.
Fotochemický model
Citlivost Cry k GMP leží ve „hře" s elektrony mezi proteinem a kofaktorem FAD.
Osud radikálového páru závisí na vzájemné konfiguraci elektronů
(a)
light
singlet
OA/ singlet \ / products
OB
\
triplet x OB products
Shaw J, Boyd A, House M, Woodward R, Mathes F, Cowin G, Saunders M, Baer B. 2015. Magnetic particle-mediated magnetoreception. J R Soc Interface 12: 20150499 http://dxdoiorg/101098/rsif20150499.
Mechanická analogie. I nepatrná energie magnetického pole může ovlivnit to, kterým směrem se systém mimo rovnováhu překlopí
Metody výzkumu
Blacksburg VA
Lund
Severo-jižní orientace pasoucích se krav
Severo-jižní orientace pasoucích se krav
Laboratorní experiment zůstává nejjistějším standardem.
Nejen laboratoř...
Arthropoda,
Malacostraca
Amphipoda
Blešivci Antarktidy
FABIENNE NYSSEN
s
osa azimuT 50-90
Vrtu lovná
Vrtulovna
SZ^'SO-W 57°48'0"W SIWWVJ 57'47^ S7'4S'2CnN S7'A&0-VJ
57'48,30"W Sr48'0"W 57*47'30"W 57'4T0"^ STAffXHN
Tomanova K, Vacha M. 2016. Magnetic orientation of Antarctic amphipod Gondogeneia antarctica is cancelled by very weak radiofrequency fields. J Exp Biol.
Laboratory rig for cockroach magnetosensitivity testing
Neuroetologické metody smyslové fyziologie
Podmiňování a spontánní reakce
■0
Neuroetologické metody smyslové fyziologie
Podmiňování: Trénink a test
Neuroetologické metody smyslové fyziologie
Podmiňování: Trénink a test Trénink: Odměna nebo trest
Light Source
T
		o	o	o	mN t
		i 1	i 1	i 1	
O					--*- O
o					--*- o
o					o
		1 1 T	1 1 T	1 1 T	
		0	0	0	
Trénink Drosophila
Světlo jako atraktivní stimul
	1 /\ 1 1 /   \ 1 ^   l/      \l ^	Ů		
ů	/ \			
■				
Cirkulární diagramy orientace
Trénink
SW analýza obrazu
(=1
Předvolby Pomoc
Obrázek
II
21
6/276 r Počet skupin
Měření úhlů
6§	Počet intervalů Nulový úhel	24	
		0	▼
	Zobrazit Uložit		
Orientace dat-
Na výšku   O Na šířku
Misky
Aktivní
Vyřazené
1 M		*■
2		
3 4		
	1  » I	
5		
6	1  « 1	
7		
8		
9		
Export do Excelu Název listu
Cílová buňka A1
V Otevřít soubor po uložení
Měření pohybů
Považováno za pohyb
Rozdíl úhlů
Rozdíl pozic
15	
20	
			
Tloušťka okraje Citlivost dotyků		1	A j
		3	▼
[Ví Nezapočítávat dotyky			
Zobrazit		Uložit	
Otázky: můžou zvířata magnetické pole vidět? A co přesně vidí?
W NW N NE E
ii iii
Důkazy pro fotochemický model
□ Závislý na světle
□ Nedokáže přímo rozeznat polaritu pole -„vidí" pouze směr osy
Důkazy pro fotochemický model:
□ Závislý na světle
□ Nedokáže přímo rozeznat polaritu pole - „vidP pouze směr osy
□ Necitlivý k silnému pulzu
□ Citlivý na radiové frekvence (100kHz-MHz)
Od 2000 hypotéza RP u hmyzu nabývá na
síle
Kompas hmyzu nepracuje ve tmě
Vacha, M. and H. Soukopova (2004). "Magnetic orientation in the mealworm beetle Tenebrio and the effect of light." J Exp Biol 207(7): 1241-1248.
Ve tmě kompas potemníka nefunguje
Tma 0% RH
N = 100
e = 60°
O = 74,6' r = 0,08 s = 78,0'
Světlo 0% RH
"5"
N = 100
e = 60°
(D= 57,T r= 0,31 s = 67.31
Od 2000 hypotéza RP u hmyzu nabývá na
síle
■ Citlivý na barvu světla
Vacha, M., T. Puzova, et al. (2008). "Effect of light wavelength spectrum on magnetic compass orientation in Tenebrio molitor." J Comp Physiol A 194: 853-859.
Změna barvy světla způsobí posun orientace
UV/UV UV/Green
n=174 MVB=1°
r=0.16 P=0.0143
n=155 MVB=84° r=0.17 P=0.0106
Od 2000 hypotéza RP u hmyzu nabývá na
Vácha, M., D. Drštková, et al. (2008). "Tenebrio beetles use magnetic inclination compass." Naturwissenschaften 95: 761-765. Guerra, P. A., Gegear, R. J. and Reppert, S. M. (2014). A magnetic compass aids monarch butterfly migration. Nature Communications 5, 4164, DOI: 10.1038/ncomms5164
Od 2000 hypotéza RP u hmyzu nabývá na
síle
■ Hmyzí kompas nerozeznává polaritu
Obrácení inklinace otočí orientaci potemníka - kompas není polaritní
Training / Test /
Training /Test\
p < 0.001
B
N = 109 MVB = 354° P < 0.001
N = 115 MVB = 179° P = 0.03
Od 2000 hypotéza RP u hmyzu nabývá na
síle
■ Citlivý k rušení radiovými frekvencemi
Vacha, M., T. Puzova, et al. (2009). "Radiofrequency magnetic field disrupts magnetoreception in American cockroach." Journal of Experimental Biology 212: 3473-3477.
■ Mimořádně citliví k radiofrekvenčnímu rušení. Pouze 2 nT - 0,01 % pozadí GMF !
■ Problém antropogenního znečištění prostředí RF poli
Pro výzkum magnetorecepce je nutné odstíněné prostředí.
Magnetically
induced restlessness (MIR)
Magnetically induced freezing (MIF)
Aversively conditioned temporary immobility.
Kindly see poster P21: Magnetically induced freezing in cockroach. Effect of interstimulus interval.
Jsou to ale skutečně Kryptochromy nutné pro magnetorecepci? Čekalo se na
molekulární důkaz.
2008, 2010 Gegear et al. Drosophila assay
Gegear, R. J., A. Casselman, S. Waddell;, and S. M. Reppert. 2008. Cryptochrome mediates light-dependent magnetosensitivity in drosophila. Nature 454:1014-1018.
Metody:
Spontánní pohybová reakce Periplaneta americana a Blatella germanica na rotaci pole
Reverzní genetika - RNA interference
Vacha, M. 2006. Laboratory behavioural assay of insect magnetoreception: Magnetosensitivity of Periplaneta americana. J. Exp. Biol. 209: 3882-3886.
Magnetically
induced restlessness (MIR)
Existuje polokruhovitá struktura s Cry? Imunocytochemie: vrstva buněk zespodu kopírujících sítnici
black painted
clear painted
25.
20-
15
104
5J
ns
P=0.9 n=94
**
P=0.007 n=98
sf
rfsf
Bazalova O, Kvicalova M, Damulewicz M, Valkova T, Slabý P, Bari Doležel D, Vacha M. 2016. Cryptochrome 2 mediates directional m
LED spectra
»365nm »388nm •408nm »448nm »466nm »505nm ■528nm »596nm ■635nm »663nm
350
405
459
512
564
615
665
MIR je závislý na barvě
ON
OFF
ON
1.5x1015
to
to c o
o 2.3x1017
to CD
3.4x1019
V
350 365 388~
408
448 466
505
528 550
wavelength
(nm)
Bazalova O, kwirainua m namiiiowir? m, ValkovaT, Slabý P, Bartoš P, Netušil R, Tomanova K, Provazník J, Braeunig P, Jing-Lee H, Sauman I, Pokorný R, Doležel D, Vácha M. 2016. Cryptochro^^^fliediates directional magnetoreception in cockroaches. PNAS www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1518622113.
Absorocni knvkv Crv
]. Wang et al. /Journal of Photochemistry and Photobiology C: Phom
20 \-
E
s
w
10 h
ok
ON
OFF: ON
350     400 450
Wavelength {
00
50 600
hm)
6j0
Zhong, D. (2015). Electron Transfer Mechanisms of DNA Repair by Photolyase. Annu. Rev. Phys. Chem. 2015. 66:691-715.
Shrnutí nových výsledků na Periplaneta a Bletella:
• Magnetorecepce 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 a Cry součástí směrové recepce GMF
Bazalova O, Kvicalova M, Damulewicz M, Valkova T, Slabý P, Bartoš P, Netušil R, Tomanova K, Provazník J, Braeunig P, Jing-Lee H, Sauman I, Pokorný R, Doležel D, Vácha M. 2016. Cryptochrome 2 mediates directional magnetoreception in cockroaches. PNAS www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1518622113.
Nejen orientace a směr. Magnetické pole ovlivňuje prostřednictvím Cry cirkadiánní
rytmy
A Canton-S
Fedele, G., Edwards, M. D., Bhutani, S., Hares, J. M., Murbach, M., Greenl, E. W., et al. (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 a směr. Magnetické pole ovlivňuje prostřednictvím Cry cirkadiánní
rytmy
2200-1
Dokonce i slabé RF zpomaluje rytmus pole jsou docela běžná!
- ale takto slabá
Resume a výhledy do budoucna Cryptochromy a jejich úlohy.
• Hodiny
Type I Type I + II Type II
Chaves I, Pokorny R, Byrdin M, Hoang N, Ritz T, Brettel K, Essen L-O, Horst GTJvd, Batschauer A, Ahmad M. 2011. The Cryptochromes: Blue Light Photoreceptors in Plants and Animals. Annu Rev Plant Biol 62:335-364.
Resume a výhledy do budoucna Cryptochromy a jejich úlohy.
Hodiny
Změna membránového potenciálu
A
C     pdf x wt Hk; t hk ./.(wt rescue)
Tiš
Fogle KJ, Baik LS, Houl JH, Tran TT, Roberts L, Dahm NA, Cao Y, Zhou M, Holmes TC. 2015. CRYPTOCHROME-mediated phototransduction by modulation of the potassium ion channel p-subunit redox sensor.
Resume a výhledy do budoucna Cryptochromy a jejich úlohy.
Hodiny
Změna membránového potenciálu Kontrola buněčného cyklu
Eisele, Lewin, et al. "Combined PER2 and CRY1 expression predicts outcome in chronic lymphocytic leukemia." European journal of haematology 83.4 (2009): 320-327.
Resumé a výhledy do budoucna Cryptochromy a jejich úlohy.
• Hodiny
• Změna membránového potenciálu
• Kontrola buněčného cyklu
• Magnetorecepce ^Ma\.^^^^H
http://bioforces.blogspot.cz/2011/06/human-cryptochrome-exľiibits-light.ritml
Resume a výhledy do budoucna Cryptochromy a jejich úlohy.
•  Možná všechny dráhy, kde je přítomen Cry, jsou citlivé na světlo a magnetická pole !
http://bioforces.blogspot.cz/2011/06/human-cryptochrome-exhibits-light.html
Co říci závěrem o výzkumu úlohy Cry na
hmyzím modelu:
• Díky molekulárním technikám hmyz (bezobratlí) pravděpodobně umožní popsat mechanismus magnetické citlivosti
• směr magnetického pole je pro živé systémy důležitější než kompas v ruce pro člověka.
Výzkum posouvá hranice mezi biologií, „kvantovou biologií" a fotochemií.
Praktické aplikace v oblasti ochrany zdraví, kvality spánku, interakcí s technickými zařízeními atd.
Rozbíhající se projekty
• Buňky, transkriptom a magnetické pole
• Cirkadiánní rytmus myší a magnetické pole.
Dosavadní granty:
• Ověření magnetorecepce potemníka moučného. GAČR 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 GAČR 2013-2015.
• Spolupráce s Molekulární chronobiologickou lab. ČB, Marburg, Oxford, Lund,
M Doručená pošta - mrtnv'   X~V |y| Masarykova univerzita     x I ^ Objev: Vědci zjistili, jak x
^-        C ô    i https://www.online.munixz/veda-a-vyzkum/8462-objev-vedci-zjistili-jak-se-zvirata-orientuji-podle-m
Aplikace   fl Inet MU   iS IS MUNI   M Gmail    '  PřF MU   =7 Zprávy  Q Novinky       Globe 24   O ČT24  @ Katastr  Q Mapy       Web of Knw   Q   Ot slovnik.cz   Q český překlad    14; OPWV   -24 BANKA       Aladin   * • Medard   (S Zápis OR FŽ    1 0(
online.muni.cz
Objev: Vědci zjistili Jak se zvířata orientují podle magnetického pole Země
věda&výzkum
16. listopadu 2016 redakce
Martin Vácha se svým týmem ověřoval orientaci podle magnetického pole na hmyzu, konkrétně na potemníkovi moučném, rusovi a švábovi americkém.
Zmiňovaný protein kryptochrom byl nalezen
Fascinující schopnost některých živočichů reagovat na geomagnetické pole byla již dokázána řadou výzkumů. Dosud však vědci nevěděli, jak tento smysl funguje a čím je směr k magnetickému pólu planety vnímán. Průlomový objev učinil kolektiv vědců
události    věda    student    video rubriky
pozvánky
Přednáška O botanické exkurzi v Černé Hoři a Albánii
Přednáška: Z dějin ruské estetiky
Přednáška Kdy dojdou světové zásoby ropy?
Odborné kolokvium Věda v praxi rozvoje Brna?
Reprezentační právnický ples
1 Newsletter:
i Zůstaňte v obraze
MENDEL LECTURES
2016/2017
W   Virtuální prohlídky C_5 vědeckých pracovišť MU
v    ^   O   B fZ
II <T
Děkuji za pozornost.