Hydra vulgarisの行動中の神経および筋肉活動の全身イメージング：収縮バーストに対する浸透圧の影響

神経コードは、神経系の活動を筋肉の活動に、行動の生成に関連付けています。それを解読するには、行動する動物の神経系全体と筋肉組織の活動を包括的に測定することが理想的です。この方向へのステップとして、Cnidarian Hydra vulgarisを使用して、生理学的および環境的条件が単純な収縮行動とそれに伴う神経および筋肉の活動をどのように変えるかを探りました。ニューロンと筋肉細胞の全身カルシウムイメージングを使用し、収縮挙動に対する温度、培地浸透圧、栄養状態、および体の大きさの効果を研究しました。マウントされたHydra製剤では、温度、栄養状態、または体の大きさの変化は、神経または筋肉の活動、または収縮挙動に大きな影響を与えませんでした。しかし、媒体の浸透圧の変化は収縮挙動と足の分離を体系的に変化させ、低浸透圧培地ソリューションの頻度を増加させ、高浸透圧培地で減少させました。同様の効果は外胚葉で見られましたが、内胚葉筋では見られませんでした。浸透圧性はまた、収縮バースト（CB）ニューロンの活性を双方向に変化させましたが、外胚葉のリズミカルポテンシャル（RP）ニューロンのネットワークには影響しませんでした。これらの発見は、CBニューロンと外胚葉筋の活性における浸透圧依存性の変化を示しており、CBニューロンが培地低浸透圧に反応し、外胚葉筋を活性化してCBを生成するという仮説と一致しています。この専用反射は、浸透圧損傷を防ぐための排泄システムとして役立つ可能性があります。この研究は、行動する動物における神経および筋肉の活動全体を研究する可能性を示しています。

The neural code relates the activity of the nervous system to the activity of the muscles to the generation of behavior. To decipher it, it would be ideal to comprehensively measure the activity of the entire nervous system and musculature in a behaving animal. As a step in this direction, we used the cnidarian Hydra vulgaris to explore how physiological and environmental conditions alter simple contractile behavior and its accompanying neural and muscle activity. We used whole-body calcium imaging of neurons and muscle cells and studied the effect of temperature, media osmolarity, nutritional state, and body size on contractile behavior. In mounted Hydra preparations, changes in temperature, nutrition state, or body size did not have a major effect on neural or muscle activity, or on contractile behavior. But changes in media osmolarity systematically altered contractile behavior and foot detachments, increasing their frequency in hypo-osmolar media solutions and decreasing it in hyperosmolar media. Similar effects were seen in ectodermal, but not in endodermal muscle. Osmolarity also bidirectionally changed the activity of contraction burst (CB) neurons, but did not affect the network of rhythmic potential (RP) neurons in the ectoderm. These findings show osmolarity-dependent changes in the activity of CB neurons and ectodermal muscle, consistent with the hypothesis that CB neurons respond to media hypo-osmolarity, activating ectodermal muscle to generate CBs. This dedicated reflex could serve as an excretory system to prevent osmotic injury. This work demonstrates the feasibility of studying an entire neuronal and muscle activity in a behaving animal.