Asociativní učení v Cnidarian Nematostella Vectensis

Schopnost učit se a vytvářet vzpomínky umožňuje zvířatům přizpůsobit své chování na základě předchozích zkušeností. Asociativní učení, proces, kterým se organismy dozvídají o vztahu mezi dvěma odlišnými událostmi, bylo rozsáhle studováno u různých živočišných taxonů. Existence asociativního učení před vznikem centralizovaného nervového systému u bilaterálních zvířat však zůstává nejasná. Cnidarians, jako jsou mořské sasanky nebo medúzy, mají nervovou síť, která postrádá centralizaci.

Když se potřebujeme soustředit, náš koncentrační nervový systém koordinuje síť neuronů v mozku, abychom byli více soustředění a soustředění. Tento stav koncentrace přispívá k našim různým činnostem ve studiu, práci a životě.

A paměť je velmi důležitou součástí naší mozkové funkce, zahrnuje naše kognitivní schopnosti, efektivitu učení a rychlost zpracování informací. Když se učíme novým znalostem nebo plníme pracovní úkoly, potřebujeme velkou podporu paměti, abychom mohli úkoly plnit efektivněji.

Chceme-li si tedy zlepšit paměť, musíme se nejprve zaměřit na náš centrální nervový systém. Zaměření nervového systému prostřednictvím tréninku a cvičení může zlepšit naši schopnost myšlení a efektivitu práce a zlepšit naši schopnost učit se a paměť.

Konkrétně může být nervový systém trénován a procvičován: udržováním zdravého životního stylu, jako je vyvážená strava, mírné cvičení a dobrý spánek; používání metod tréninku všímavosti, jako je meditace, pravidelná práce/odpočinek a osobní plánování atd.; vést emoce a emoce, naučit se aktivně zacházet se stresem a špatnými emocemi a udržovat vyrovnanou mentalitu.

Nakonec bude naše tvrdá práce vyměněna za rychlejší a efektivnější schopnost učení a paměť, abychom se stali lepší verzí sebe sama. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť. Cistanche může výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche je tradiční čínský léčivý materiál s mnoha unikátními účinky, z nichž jedním je zlepšení paměti. Účinnost mletého masa pochází z různých účinných látek, které obsahuje, včetně karboxylové kyseliny, polysacharidů, flavonoidů atd. Tyto složky mohou podporovat zdraví mozku různými kanály.

Masové kuličky mají antioxidační, protizánětlivé a protisoutěžní účinky.

Klikněte na 10 způsobů, jak zlepšit paměť

Jako sesterská skupina k bilateriánům se zvláště dobře hodí pro studium vývoje funkcí nervového systému. Zde zkoumáme schopnost hvězdice mořské sasanky Nematostella vectensis tvořit asociativní vzpomínky pomocí klasického podmiňovacího přístupu.

Vyvinuli jsme protokol kombinující světlo jako podmíněný podnět s elektrickým šokem jako averzivním nepodmíněným podnětem. Po opakovaném tréninku zvířata vykazovala podmíněnou reakci na samotné světlo – což naznačuje, že se naučili asociaci.

Naproti tomu všechny kontrolní podmínky nevytvářely asociativní paměti. Kromě toho, že vrhají světlo na aspekt cnidarského chování, tyto výsledky zakořeňují asociativní učení před vznikem centralizace NS v linii metazoanů a vyvolávají základní otázky o původu a vývoji kognice u zvířat bez mozku.

Učení a paměť poskytují adaptační schopnosti umožňující zvířatům rychle přizpůsobit své chování v měnícím se prostředí na základě předchozích zkušeností (1–4). Habituace a senzibilizace vedou k modulaci síly odezvy chování při opakované prezentaci jediného podnětu. Naproti tomu během asociativního učení si organismy vytvářejí prediktivní asociaci mezi různými výskyty událostí.

Klasické (nebo pavlovovské) podmiňování se opírá o párování biologicky významného výsledku, nepodmíněného stimulu (US), obvykle apetitivního nebo averzivního, s původně neutrální událostí, podmíněným stimulem (CS). Zatímco schopnost jednobuněčných organismů tvořit asociativní paměti zůstává diskutována (5, 6), obecně se předpokládá, že evoluce nervového systému (NS) poskytuje půdu pro tvorbu paměti, založenou na modulaci synaptické síly a plasticity (7) .

Nicméně, zatímco asociativní učení bylo studováno v mnoha bilaterálních kmenech, studie o nebilateriánských kladech, jako jsou houby, ctenofory, plakozoany a cnidariany, zůstávají řídké (8).

Cnidaria, sesterská skupina Bilateria, zahrnuje korály, medúzy a mořské sasanky. Mají neurony, které jsou organizovány v difúzní nervové síti. Všeobecně panuje shoda v tom, že cnidarianský a bilaterální nervový systém pocházejí ze společného ancestrálního NS podobného nervové síti (9). K dnešnímu dni pouze dvě rané studie, které nebyly nikdy replikovány, prokázaly částečný důkaz klasického kondicionování u mořských sasanek (10, 11).

Takový nedostatek by mohl být důsledkem nepublikovaných negativních výsledků nebo by mohl jednoduše odrážet zaměření vědecké komunity na vybrané modelové organismy. Studium cnidarians proto může odpovědět na zásadní otázky o evolučním původu a funkci asociativního učení.

Zde jsme provedli Pavlovovské averzivní klasické kondiční experimenty, spárování světla jako podmíněného stimulu (CS) s elektrickým šokem jako nepodmíněného stimulu (US) v anthozoálním modelu Nematostella vectensis.

Navzdory absenci očí jako struktur vyhrazených pro vnímání světla se Nematostella spoléhá na světelný vstup k modulaci cirkadiánních rytmů a chování při tření (12). Předpověděli jsme, že pokud se zvířata naučí asociaci mezi oběma stimuly, budou vykazovat podmíněnou reakci (tj. stažení těla), v očekávání šoku, když budou stimulována světlem (samotným CS) po kondicionování.

Výsledek

Jako averzivní USA jsme zvířatům poskytli elektrický šok (ES) o malé amplitudě (6 V), aniž bychom se jich přímo dotkli, pomocí páru jehel připojených ke zdroji energie (podrobnosti v příloze SI). Šok umístěný na krátkou dobu (≃1 s) kolem ústního konce zvířete spustí silné, rychlé a reverzibilní stažení ústní oblasti a chapadel (obr. 1A).

Nejprve jsme zaznamenali reakci zvířat na samotný světelný pulz (CS) před kondicionováním (předběžná zkouška na obr. 1 B a D). Poté trénink sestával z hromadného kondičního sezení v délce 50 minut, kde bylo světlo (CS) prezentováno současně s elektrickým šokem (US) pro spárovaný stav nebo desynchronizovaným způsobem pro nepárový stav (obr. 1C, podrobnosti v příloze SI). .

Poté, 10 minut po skončení tréninkového protokolu, byly reakce zvířat na CS hodnoceny během 4-minutového videozáznamu, zahrnujícího 1 minutu aplikace CS uprostřed (obr. 1B). Záznamy byly naslepo analyzovány a počet zvířat, která se stáhla, byl ručně hodnocen (obr. 1D).

Procento zvířat, která se stáhla, bylo více než dvojnásobné ve spárované skupině (72 procent) ve srovnání s nepárovou skupinou (nespárovaná=30 procenta, 휒2 =10,897, P=0,001) a nižší v ostatních kontrolních skupinách (předtest=19 procent , světlo pouze=11 procent a šok pouze=8 procent ).

Abychom kvantitativně vyhodnotili změny chování vyvolané podmíněnou reakcí (CR) a sledovali dynamické variace, zavedli jsme automatizovaný analytický pracovní postup pomocí softwaru DeepLabCut pro odhad pozice (13). Sledovali jsme tři body podél osy těla 10 zvířat zaznamenaných současně v každé experimentální skupině (obr. 2A a SI příloha).

Poté jsme vypočítali variaci délky těla každého zvířete během testovací fáze: před, během a po aplikaci CS. Naše pozorování odhalila, že zvířata vystavená párovému kondicionování se během aplikace CS stáhla, na rozdíl od zvířat z nepárové skupiny (obr. 2B). Dále jsme zaznamenali významně více zvířat, která se během aplikace CS stáhla (obr. 2C) v párové skupině (stažená retrakce=49 procent) ve srovnání s nepárovou skupinou (retrakce nepárová=24 procent, 휒2 = 9). 6204, P=0.002).

Nakonec jsme změřili maximální retrakci zaznamenanou během aplikace CS u všech zvířat obou skupin, což ukazuje, že zvířata v párové skupině se také kvantitativně stahovala více než nepárová kontrolní zvířata (obr. 2D, medián nepárových=-3,59 procenta). mediánpárovaný= −8,30 procent, W=2,620, P=0,008).

Diskuse

Celkově vzato, naše výsledky naznačují, že mořské sasanky mohou tvořit asociativní vzpomínky v klasickém podmiňovacím paradigmatu, což je fenomén, který nebyl hlášen – pokud je nám známo – u nebilateriánských druhů od konce 20. století (8). Zvířata vystavená klasické kondici, která během tréninku dostávala současně světlo (CS) a elektrický šok (US), přizpůsobila své chování a reagovala pouze na CS po kondicionování.

Rozdíl v procentu zvířat, která se zatáhla, mezi manuálním hodnocením (72 procent, obr. 1D) a automatizovanou analýzou (49 procent, obr. 2C) je pravděpodobně způsobena prahem pevně stanoveným na 10 procentech snížení délky těla v automatizované analýze . Ve skutečnosti to druhé odpovídá pouze za jasné podélné kontrakce, zatímco některé jemné retrakce viditelné trénovaným okem nemusí být rozlišitelné analýzou pouze změny délky těla.

Celkově tato zvířata vykazovala kvantitativně a kvalitativně odlišnou behaviorální reakci ve srovnání s kontrolními zvířaty, která dostávala nepárové stimuly (obr. ID a 2 C a D).

Kontroly pouze pro světlo a pouze otřesy nám navíc umožňují vyloučit potenciální účinek senzibilizace nebo pseudo-kondice vyvolané opakovanou prezentací samotného CS nebo US (14).

Naše pozorování ve všech kontrolních podmínkách (obr. 1D a 2 C a D) naznačují, že potenciální účinek opakované CS nebo US stimulace je spíše omezený. Nevysvětluje proto rozdíl v chování pozorovaném ve stavu páru a silně argumentuje pro asociativní učení.

U většiny modelových organismů byly identifikovány definované nervové okruhy a molekulární mechanismy odpovědné za specifické formy vzpomínek. Zdá se, že jsou pozoruhodně konzervované v bilateriích (7), což vyvolává otázku, zda jsou přítomny také u cnidarianů. Stále se diskutuje zejména o přítomnosti a potenciální roli klasických neurotransmiterů nebo neuromodulátorů, jako je serotonin a dopamin (15).

Stejně tak úloha cyklického adenosinmonofosfátu a jeho následných efektorů, jako je proteinkináza A (PKA) nebo protein vázající prvek cAMP (CREB), zůstává zásadním bodem, který je třeba objasnit. Naopak je také možné, že se asociativní učení u cnidarianů vyvinulo nezávisle a spoléhá na různé mechanismy (16).

Konečně, učení v cnidarians by mohlo být považováno za přesvědčivý příklad „ztělesněné kognice“, tj. kognice bez centrálního mozku (1, 3, 4), a vyvolává fascinující otázky týkající se zpracování, ukládání a vybavování naučených asociací v těchto zvířat.

Materiály a metody

Netříděné mladé samce a samice byly chovány při 19 stupních a byl dodržován světelný cyklus 12:12. Pro experimenty s učením bylo 10 nebo 18 zvířat na skupinu (pro automatizované nebo manuálně analyzované experimenty, v tomto pořadí) ráno přeneseno do čtvercových Petriho misek v místnosti udržované při 19 stupních.

Čtyři skupiny zvířat/misky byly kondicionovány a testovány současně pro každý experiment: buď 1 skupina/podmínka, tj. párové, nepárové, pouze lehké a pouze šokové skupiny (obr. 1C), buď 2 skupiny párových a 2 skupiny nepárové (obr. 2). Části těl zvířat byly sledovány pomocí DeepLabCut 2.2.0.2 (13) a data byla analyzována v R (17).

Dostupnost dat, materiálů a softwaru.

Všechny studijní materiály, podrobné protokoly a metody jsou popsány v příloze SI. Data a kód byly uloženy v úložišti Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.7568367) (18).

PODĚKOVÁNÍ.

Děkujeme Fabianu Rentzschovi za jeho zpětnou vazbu k dřívějším verzím tohoto rukopisu a dvěma anonymním recenzentům za jejich užitečné komentáře, které zlepšily naši práci. Děkujeme také členům laboratoře Sprecher za konstruktivní diskuse a Rudolfu Rohrovi za jeho rady ohledně analýzy dat. Tato práce byla podpořena švýcarským grantem NSF IZCOZ0_182957 společnosti SGS

Odkaz

P. Lyon, Co je "minimální poznání" nedopečená verze? Přizpůsobit se. Chovej se. 28, 407–424 (2020).

2. AB Barron et al., Přijetí více definic učení. Trendy Neurosci. 38, 405–407 (2015).

3. FA Keijzer, Evoluční konvergence a biologicky vtělené poznání. Rozhraní Focus 7, 20160123 (2017).

4. P. Lyon, F. Keijzer, D. Arendt, M. Levin, Přerámování kognice: Jak se dostat k biologickým základům. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 376, 20190750 (2021).

5. SJ Gershman, PE Balbi, ČR Gallistel, J. Gunawardena, Přehodnocení důkazů pro učení v jednotlivých buňkách. Elife 10, e61907 (2021).

6. A. Dussutour, Učení v jednobuněčných organismech. Biochem. Biophys. Res. Commun. 564, 92–102 (2021).
7. ER Kandel, Y. Dudai, MR Mayford, Molekulární a systémová biologie paměti. Cela 157, 163–186 (2014).

8. K. Cheng, Učení v Cnidarii: Systematický přehled. Učit se. Chovej se. 49, 175–189 (2021).

9. MJ Layden, F. Rentzsch, E. Röttinger, Vzestup hvězdice sasanky Nematostella vectensis jako modelového systému pro zkoumání vývoje a regenerace: Přehled sasanky hvězdice Nematostella vectensis. Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol. 5, 408–428 (2016).

10. JV Haralson, CI Groff, SJ Haralson, Klasické kondicionování v sasance, Cribrina xanthogrammica. Physiol. Chovej se. 15, 455-460 (1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com