Învățare asociativă în Cnidarian Nematostella Vectensis

Capacitatea de a învăța și de a forma amintiri permite animalelor să își adapteze comportamentul pe baza experiențelor anterioare. Învățarea asociativă, procesul prin care organismele învață despre relația dintre două evenimente distincte, a fost studiată pe larg în diferite taxoni animale. Cu toate acestea, existența învățării asociative, înainte de apariția sistemelor nervoase centralizate la animalele bilateriane, rămâne neclară. Cnidarii precum anemonele de mare sau meduzele posedă o plasă nervoasă, care nu are centralizare.

Când trebuie să ne concentrăm, sistemul nostru nervos de concentrare coordonează rețeaua de neuroni din creier pentru a ne face mai concentrați și mai concentrați. Această stare de concentrare este propice pentru diversele noastre activități în studiu, muncă și viață.

Și memoria este o parte foarte importantă a funcției creierului nostru, ea implică capacitatea noastră cognitivă, eficiența învățării și viteza de procesare a informațiilor. Când învățăm cunoștințe noi sau îndeplinim sarcini de lucru, avem nevoie de mult suport de memorie pentru a putea îndeplini sarcinile mai eficient.

Prin urmare, dacă vrem să ne îmbunătățim memoria, trebuie mai întâi să ne concentrăm asupra sistemului nostru nervos central. Concentrarea sistemului nervos prin antrenament și exerciții ne poate îmbunătăți capacitatea de gândire și eficiența muncii, precum și capacitatea de învățare și memoria.

Mai exact, sistemul nervos poate fi antrenat și exercitat prin: menținerea unui stil de viață sănătos, cum ar fi o dietă echilibrată, exerciții fizice moderate și somn bun; utilizarea metodelor de antrenament pentru mindfulness, cum ar fi meditația, munca/odihna regulată și planificarea personală etc.; ghidați emoțiile și emoțiile, învățați să faceți față în mod activ stresului și emoțiilor rele și mențineți o mentalitate echilibrată.

În cele din urmă, munca noastră grea va fi schimbată cu o capacitate de învățare și o memorie mai rapidă și mai eficientă, pentru a deveni o versiune mai bună a noastră. Se poate observa că trebuie să ne îmbunătățim memoria. Cistanche poate îmbunătăți semnificativ memoria deoarece Cistanche este un material medicinal tradițional chinezesc cu multe efecte unice, dintre care unul este îmbunătățirea memoriei. Eficacitatea cărnii tocate vine dintr-o varietate de ingrediente active pe care le conține, inclusiv acid carboxilic, polizaharide, flavonoide etc. Aceste ingrediente pot promova sănătatea creierului prin diverse canale.

Chiftelele au efecte antioxidante, antiinflamatorii și anticoncurențiale.

Faceți clic pe cunoaște 10 moduri de a îmbunătăți memoria

Fiind grupul soră al bilaterienilor, ei sunt deosebit de potriviti pentru studiul evoluției funcțiilor sistemului nervos. Aici, analizăm capacitatea anemonei marine Nematostella vectensis de a forma amintiri asociative folosind o abordare clasică de condiționare.

Am dezvoltat un protocol care combină lumina ca stimul condiționat cu un șoc electric ca stimul aversiv necondiționat. După antrenament repetitiv, animalele au prezentat un răspuns condiționat doar la lumină, ceea ce indică faptul că au învățat asocierea.

În schimb, toate condițiile de control nu au format amintiri asociative. Pe lângă faptul că aruncă lumină asupra unui aspect al comportamentului cnidarian, aceste rezultate înrădăcinează învățarea asociativă înainte de apariția centralizării NS în descendența metazoarelor și ridică întrebări fundamentale cu privire la originea și evoluția cogniției la animalele fără creier.

Învățarea și memoria oferă capacități de adaptare care le permit animalelor să își ajusteze comportamentul rapid într-un mediu în schimbare, pe baza experiențelor anterioare (1-4). Obișnuirea și sensibilizarea au ca rezultat modularea forței răspunsului comportamental la prezentarea repetată a unui singur stimul. În schimb, în ​​timpul învățării asociative, organismele formează o asociere predictivă între diferite evenimente.

Condiționarea clasică (sau pavloviană) se bazează pe împerecherea unui rezultat semnificativ biologic, stimulul necondiționat (US), de obicei apetitiv sau aversiv, cu un eveniment inițial neutru, stimulul condiționat (CS). În timp ce capacitatea organismelor unicelulare de a forma amintiri asociative rămâne dezbătută (5, 6), în general se presupune că evoluția sistemelor nervoase (NS) oferă terenul pentru formarea memoriei, bazată pe modularea forței sinaptice și a plasticității (7) .

Cu toate acestea, în timp ce învățarea asociativă a fost studiată în numeroase fili bilaterian, studiile asupra cladelor nonbilateriane, cum ar fi bureții, ctenoforii, placozoarele și cnidarii, rămân rare (8).

Cnidaria, grupul soră al Bilateria, include corali, meduze și anemone de mare. Ei posedă neuroni, care sunt organizați într-o rețea nervoasă difuză. În general, este de acord că sistemele nervoase cnidariene și bilateriane provin dintr-un NS ancestral asemănător unei rețele nervoase comune (9). Până în prezent, doar două studii timpurii, care nu au fost niciodată replicate, au arătat dovezi parțiale pentru condiționarea clasică a anemonelor de mare (10, 11).

O astfel de lipsă ar putea fi consecința unor rezultate negative nepublicate sau ar putea pur și simplu să reflecte concentrarea comunității științifice asupra unor organisme model selectate. Prin urmare, studierea cnidarilor poate răspunde la întrebări cruciale despre originea evolutivă și funcția învățării asociative.

Aici, am efectuat experimente de condiționare clasică aversivă pavloviană, asociind lumina ca stimul condiționat (CS) cu un șoc electric ca stimul necondiționat (US) în modelul de antozoare Nematostella vectensis.

Într-adevăr, în ciuda absenței ochilor ca structuri dedicate pentru a simți lumina, Nematostella se bazează pe intrarea luminii pentru a modula ritmurile circadiene și comportamentele de depunere a icrelor (12). Am prezis că, dacă animalele ar învăța asocierea dintre ambii stimuli, ele ar prezenta un răspuns condiționat (adică, retragerea corpului), în așteptarea șocului, atunci când sunt stimulate cu lumină (numai CS) după condiționare.

Rezultate

Ca US aversiv, am livrat un șoc electric (ES) de amplitudine mică (6 V) animalelor fără a le atinge direct, folosind o pereche de ace conectate la o sursă de alimentare (detalii în Anexa SI). Poziționat pentru o perioadă scurtă de timp (≃ 1 s) în jurul capătului bucal al animalului, șocul declanșează o retragere puternică, rapidă și reversibilă a regiunii bucale și a tentaculelor (Fig. 1A).

Am înregistrat inițial răspunsul animalelor la pulsul de lumină (CS), înainte de condiționare (pretest în Fig. 1 B și D). Apoi, antrenamentul a constat într-o sesiune de condiționare în masă de 50 de minute, în care lumina (CS) a fost prezentată simultan cu șoc electric (US) pentru condiția pereche sau într-o manieră desincronizată pentru condiția nepereche (Fig. 1C, detalii în Anexa SI) .

Apoi, la 10 minute după încheierea protocolului de antrenament, reacțiile animalelor la CS au fost evaluate în timpul unei înregistrări video de 4-min, cuprinzând 1 min de aplicare CS în mijloc (Fig. 1B). Înregistrările au fost analizate în orb, iar numărul de animale care se retrag a fost marcat manual (Fig. 1D).

Procentul de animale care se retrag a fost de peste două ori mai mare în grupul pereche (72 la sută) comparativ cu grupul nepereche (= 30 procente nepereche, 휒2 =10,897, P=0,001) și mai scăzut în celelalte grupuri de control (pretest=19 procente, lumină doar=11 procente și șoc doar=8 procente).

Pentru a evalua cantitativ schimbările comportamentale provocate de răspunsul condiționat (CR) și pentru a monitoriza variațiile dinamice, am stabilit un flux de lucru de analiză automatizat folosind software-ul de estimare a poziției DeepLabCut (13). Am urmărit trei puncte de-a lungul axei corpului a 10 animale înregistrate simultan în fiecare grup experimental (Fig. 2A și apendicele SI).

Apoi, am calculat variația lungimii corpului fiecărui animal în timpul fazei de testare: înainte, în timpul și după aplicarea CS. Observațiile noastre au arătat că animalele supuse condiționării pereche s-au retras în timpul aplicării CS, spre deosebire de animalele din grupul nepereche (Fig. 2B). Apoi, am înregistrat semnificativ mai multe animale care se retrag în timpul aplicării CS (Fig. 2C) în grupul pereche (retractionpaired=49 procente) comparativ cu grupul neîmperecheat (retractionunpaired=24 procente, 휒{2 = 9). 6204, P=0.002).

În cele din urmă, am măsurat retragerea maximă înregistrată în timpul aplicării CS la toate animalele din ambele grupuri, arătând că animalele din grupul pereche s-au retras cantitativ mai mult decât animalele de control nepereche (Fig. 2D, mediana nepereche=-3,59 la sută, medianpaired= −8,30 la sută, W=2,620, P=0,008).

Discuţie

Luate împreună, rezultatele noastre sugerează că anemonele de mare pot forma amintiri asociative într-o paradigmă de condiționare clasică, un fenomen neraportat – după cunoștințele noastre – la o specie nonbilateriană de la sfârșitul secolului al XX-lea (8). Animalele supuse condiționării clasice, primind simultan lumină (CS) și un șoc electric (US) în timpul antrenamentului, și-au adaptat comportamentul și au reacționat numai la CS după condiționare.

Diferența în procentul de animale care se retrag între scorul manual (72%, Fig. 1D) și analiza automată (49%, Fig. 2C) se datorează probabil pragului fixat la 10% din reducerea lungimii corpului în analiza automată. . Într-adevăr, acesta din urmă ține cont doar de contracții longitudinale clare, în timp ce unele retractii subtile vizibile pentru ochiul antrenat ar putea să nu fie distinse prin analizarea doar a variației lungimii corpului.

În general, aceste animale au prezentat un răspuns comportamental diferit cantitativ și calitativ în comparație cu animalele de control, care au primit stimuli neperechi (Figurile 1D și 2 C și D).

Mai mult, controalele doar pentru lumină și numai pentru șoc ne permit să excludem un efect potențial de sensibilizare sau pseudo-condiționare indus de prezentarea repetată a CS sau, respectiv, US singur (14).

Observațiile noastre în toate condițiile de control (Figurile 1D și 2 C și D) sugerează că efectul potențial al stimulării repetate CS sau US este destul de limitat. Prin urmare, nu explică diferența de comportament observată în condiția de pereche și susține cu tărie învățarea asociativă.

În majoritatea organismelor model, au fost identificate circuite neuronale definite și mecanisme moleculare responsabile pentru forme specifice de amintiri. Ele par a fi conservate remarcabil în cadrul bilaterienilor (7), ridicând întrebarea dacă sunt prezenți și la cnidari. În special, prezența și rolul potențial al neurotransmițătorilor sau neuromodulatorilor clasici, cum ar fi serotonina și dopamina, sunt încă dezbătute (15).

De asemenea, rolul adenozin monofosfatului ciclic și al efectorilor săi din aval, cum ar fi protein kinaza A (PKA) sau proteina de legare a elementului de răspuns cAMP (CREB) rămâne un punct crucial care trebuie elucidat. În schimb, este posibil și ca învățarea asociativă să fi evoluat independent la cnidari și să se bazeze pe mecanisme diferite (16).

În cele din urmă, învățarea la cnidari ar putea fi văzută ca un exemplu convingător de „cogniție încorporată”, adică cunoașterea fără creier central (1, 3, 4) și ridică întrebări fascinante cu privire la procesarea, stocarea și reamintirea asocierilor învățate din acestea. animalelor.

Materiale și metode

Animalele tinere masculi și femelele nesortate au fost ținute la 19 grade și a fost urmat un ciclu de lumină de 12:12. Pentru experimentele de învățare, 10 sau 18 animale per grup (pentru experimente automate sau, respectiv, analizate manual) au fost transferate dimineața în plăci Petri pătrate într-o cameră ținută la 19 grade.

Patru grupuri de animale/vase au fost condiționate și testate simultan pentru fiecare experiment: fie 1 grup/condiție, adică grupuri pereche, nepereche, numai lumină și doar șoc (Fig. 1C), fie 2 grupuri de perechi și 2 grupuri de nepereche (Fig. 2). Părțile corpului animalelor au fost urmărite folosind DeepLabCut 2.2.0.2 (13), iar datele au fost analizate în R (17).

Disponibilitatea datelor, materialelor și software-ului.

Toate materialele de studiu, protocoalele detaliate și metodele sunt descrise în Anexa SI. Datele și codul au fost depuse într-un depozit Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.7568367) (18).

MULȚUMIRI.

Mulțumim lui Fabian Rentzsch pentru feedback-ul său cu privire la versiunile anterioare ale acestui manuscris și celor doi recenzenți anonimi pentru comentariile lor utile care ne-au îmbunătățit munca. Mulțumim, de asemenea, membrilor laboratorului Sprecher pentru discuțiile constructive și lui Rudolf Rohr pentru sfaturile sale privind analiza datelor. Această activitate a fost susținută de către NSF elvețian, grant IZCOZ0_182957 către SGS

Referinţă

P. Lyon, Despre ce este „cogniția minimă” versiunea pe jumătate coaptă? Adapta. Comportament. 28, 407–424 (2020).

2. AB Barron et al., Embracing multiple definiții ale învățării. Trends Neurosci. 38, 405–407 (2015).

3. FA Keijzer, Convergența evolutivă și cunoașterea încorporată biologic. Interfață Focus 7, 20160123 (2017).

4. P. Lyon, F. Keijzer, D. Arendt, M. Levin, Reframing cognition: Getting down to biological basics. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 376, 20190750 (2021).

5. SJ Gershman, PE Balbi, CR Gallistel, J. Gunawardena, Reconsidering the evidence for learning in single cells. Elife 10, e61907 (2021).

6. A. Dussutour, Învățarea în organismele unicelulare. Biochim. Biophys. Res. comun. 564, 92–102 (2021).
7. ER Kandel, Y. Dudai, MR Mayford, Biologia moleculară și a sistemelor de memorie. Celula 157, 163–186 (2014).

8. K. Cheng, Learning in Cnidaria: A systematic review. Învăța. Comportament. 49, 175–189 (2021).

9. MJ Layden, F. Rentzsch, E. Röttinger, The rise of the starlet sea anemone Nematostella vectensis ca un sistem model pentru a investiga dezvoltarea și regenerarea: Prezentare generală a starletei anemone de mare Nematostella vectensis. Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol. 5, 408–428 (2016).

10. JV Haralson, CI Groff, SJ Haralson, Condiționarea clasică în anemona de mare, Cribrina xanthogrammica. Physiol. Comportament. 15, 455–460 (1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com