Асоциативно обучение в Cnidarian Nematostella Vectensis

Способността да учат и формират спомени позволява на животните да адаптират поведението си въз основа на предишен опит. Асоциативното учене, процесът, чрез който организмите научават за връзката между две отделни събития, е широко изследван в различни животински таксони. Въпреки това, съществуването на асоциативно обучение, преди появата на централизирани нервни системи при двустранни животни, остава неясно. Книдарии като морски анемонии или медузи притежават нервна мрежа, на която липсва централизация.

Когато трябва да се фокусираме, нашата нервна система за концентрация координира мрежата от неврони в мозъка, за да ни направи по-концентрирани и съсредоточени. Това състояние на концентрация е благоприятно за различните ни дейности в ученето, работата и живота.

А паметта е много важна част от мозъчната ни функция, включва нашите когнитивни способности, ефективност на учене и скорост на обработка на информация. Когато научаваме нови знания или изпълняваме работни задачи, имаме нужда от много памет, за да можем да изпълняваме задачите по-ефективно.

Ето защо, ако искаме да подобрим паметта си, първо трябва да се съсредоточим върху централната си нервна система. Фокусирането на нервната система чрез тренировки и упражнения може да подобри способността ни за мислене и работна ефективност и да подобри способността ни за учене и памет.

По-конкретно, нервната система може да бъде тренирана и упражнявана чрез: поддържане на здравословен начин на живот, като балансирана диета, умерени упражнения и добър сън; използване на методи за обучение на вниманието, като медитация, редовна работа/почивка и лично планиране и др.; насочвайте емоциите и емоциите, научете се активно да се справяте със стреса и лошите емоции и поддържайте балансиран манталитет.

В крайна сметка нашата упорита работа ще бъде заменена с по-бързи и по-ефективни способности за учене и памет, за да станем по-добра версия на себе си. Вижда се, че трябва да подобрим паметта си. Cistanche може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche е традиционен китайски лекарствен материал с много уникални ефекти, един от които е да подобри паметта. Ефикасността на мляното месо идва от различни активни съставки, които съдържа, включително карбоксилна киселина, полизахариди, флавоноиди и др. Тези съставки могат да стимулират здравето на мозъка по различни канали

Кюфтетата имат антиоксидантни, противовъзпалителни и антиконкурентни ефекти.

Щракнете върху познайте 10 начина за подобряване на паметта

Като сестринска група на двустранните, те са особено подходящи за изучаване на еволюцията на функциите на нервната система. Тук изследваме способността на звездната морска анемона Nematostella vectensis да формира асоциативни спомени чрез използване на класически подход за кондициониране.

Разработихме протокол, съчетаващ светлината като условен стимул с електрически шок като неприятен безусловен стимул. След повтарящо се обучение, животните проявяват условен отговор само на светлина - което показва, че са научили връзката.

Обратно, всички контролни условия не образуват асоциативни спомени. Освен че хвърлят светлина върху аспект на поведението на книдариите, тези резултати вкореняват асоциативното обучение преди появата на NS централизация в метазоанната линия и повдигат фундаментални въпроси за произхода и еволюцията на познанието при безмозъчни животни.

Ученето и паметта осигуряват адаптивни способности, позволяващи на животните да коригират поведението си бързо в променяща се среда въз основа на предишен опит (1-4). Привикването и сенсибилизацията водят до модулиране на силата на отговора на поведението при многократно представяне на единичен стимул. Обратно, по време на асоциативното обучение, организмите образуват предсказуема връзка между различни събития.

Класическото (или павловско) кондициониране разчита на сдвояването на биологично значим резултат, безусловния стимул (US), обикновено апетитен или отблъскващ, с първоначално неутрално събитие, условния стимул (CS). Докато способността на едноклетъчните организми да формират асоциативни спомени остава дискутирана (5, 6), обикновено се приема, че еволюцията на нервните системи (NS) осигурява основата за формиране на памет, базирана на модулацията на синаптичната сила и пластичност (7) .

Въпреки това, докато асоциативното обучение е изследвано в многобройни двустранни типове, изследванията върху небилатерни клади, като гъби, ктенофори, плакозои и книдарии, остават оскъдни (8).

Cnidaria, сестринската група на Bilateria, включва корали, медузи и морски анемонии. Те притежават неврони, които са организирани в дифузна нервна мрежа. Общоприето е, че книдарните и двустранните нервни системи произхождат от обща нервна мрежа, подобна на предшественик NS (9). Към днешна дата само две ранни проучвания, които никога не са били повторени, са показали частични доказателства за класическо кондициониране в морски анемонии (10, 11).

Такъв недостиг може да е следствие от непубликувани отрицателни резултати или може просто да отразява фокуса на научната общност върху избрани моделни организми. Следователно изучаването на книдарии може да отговори на решаващи въпроси за еволюционния произход и функцията на асоциативното обучение.

Тук проведохме аверсивни класически експерименти на Pavlovian, сдвоявайки светлината като условен стимул (CS) с електрически шок като безусловен стимул (US) в anthozoan модел Nematostella vectensis.

В действителност, въпреки липсата на очи като специални структури за усещане на светлина, Nematostella разчита на входна светлина, за да модулира циркадните ритми и поведението на хвърляне на хайвера (12). Ние прогнозирахме, че ако животните научат връзката между двата стимула, те ще проявят условна реакция (т.е. прибиране на тялото), в очакване на шока, когато бъдат стимулирани със светлина (само CS) след кондициониране.

Резултати

Като отблъскващ САЩ, ние доставихме електрически шок (ES) с малка амплитуда (6 V) на животни, без да ги докосваме директно, използвайки чифт игли, свързани към захранване (подробности в SI Приложение). Позициониран за кратко време (≃1 s) около оралния край на животното, шокът предизвиква силно, бързо и обратимо прибиране на устната област и пипалата (фиг. 1A).

Първоначално записахме отговора на животните само на светлинния импулс (CS), преди кондиционирането (предварителен тест на Фиг. 1 B и D). След това обучението се състоеше от масирана сесия за кондициониране от 50 минути, където светлината (CS) беше представена едновременно с електрически шок (US) за сдвоеното състояние или по десинхронизиран начин за несдвоеното състояние (Фиг. 1C, подробности в SI Приложение) .

След това, 10 минути след края на протокола за обучение, реакциите на животните към CS бяха оценени по време на 4-минутен видеозапис, обхващащ 1 минута приложение на CS в средата (фиг. 1B). Записите бяха анализирани на сляпо и броят на прибиращите се животни беше отбелязан ръчно (фиг. 1D).

Процентът на животните, които се прибират, е повече от два пъти по-висок в групата с двойка (72 процента) в сравнение с групата без двойка (неспарени=30 процента, 휒2 =10.897, P=0.001) и по-ниско в другите контролни групи (предтест=19 процента, само светлина=11 процента и само удар=8 процента).

За количествена оценка на промените в поведението, предизвикани от условния отговор (CR) и за наблюдение на динамичните вариации, ние създадохме автоматизиран работен процес за анализ, използвайки софтуера за оценка на поза DeepLabCut (13). Ние проследихме три точки по протежение на оста на тялото на 10 животни, записани едновременно във всяка експериментална група (фиг. 2A и SI приложение).

След това изчислихме вариацията на дължината на тялото на всяко животно по време на фазата на тестване: преди, по време и след приложението на CS. Нашите наблюдения разкриха, че животните, подложени на сдвоено кондициониране, се прибират по време на приложението на CS, за разлика от животните от несдвоената група (фиг. 2B). След това отбелязахме значително повече животни, които се прибират по време на прилагане на CS (фиг. 2C) в сдвоената група (retractionpaired=49 процента) в сравнение с несдвоената група (retractionunpaired=24 процента, 휒2 = 9). 6204, P=0.002).

И накрая, ние измерихме максималното прибиране, регистрирано по време на прилагане на CS при всички животни от двете групи, показвайки, че животните в групата по двойка също са количествено прибирали повече от контролните животни без двойка (Фиг. 2D, медиана на несдвоените=−3,59 процента, средна двойка= −8,30 процента, W=2,620, P=0.008).

Дискусия

Взети заедно, нашите резултати предполагат, че морските анемонии могат да формират асоциативни спомени в класическа парадигма на кондициониране, феномен, който не е съобщаван - доколкото ни е известно - в небилатерни видове от края на 20-ти век (8). Животните, подложени на класическо кондициониране, получаващи едновременно светлина (CS) и електрически шок (US) по време на тренировка, адаптират поведението си и реагират само на CS след кондициониране.

Разликата в процента на прибиращите се животни между ръчното оценяване (72 процента, Фигура 1D) и автоматизирания анализ (49 процента, Фигура 2C) вероятно се дължи на прага, фиксиран на 10 процента от намалението на дължината на тялото в автоматизирания анализ . В действителност, последното отчита само ясни надлъжни контракции, докато някои фини ретракции, видими за тренираното око, може да не бъдат различими чрез анализиране само на вариацията на дължината на тялото.

Като цяло, тези животни показват количествено и качествено различен поведенчески отговор в сравнение с контролните животни, които получават несдвоени стимули (Фигури 1D и 2 C и D).

Нещо повече, контролите само за светлина и само за шок ни позволяват да изключим потенциален ефект от сенсибилизация или псевдокондициониране, предизвикано от повторното представяне на CS или само на US, съответно (14).

Нашите наблюдения при всички контролни условия (фигури 1D и 2 C и D) предполагат, че потенциалният ефект от повтаряща се CS или US стимулация е доста ограничен. Следователно това не обяснява разликата в поведението, наблюдавано в състоянието на двойки, и силно подкрепя асоциативното обучение.

В повечето моделни организми са идентифицирани дефинирани невронни вериги и молекулярни механизми, отговорни за специфични форми на спомени. Те изглеждат забележително запазени в двустранните (7), повдигайки въпроса дали присъстват и в книдариите. По-специално, все още се обсъжда присъствието и потенциалната роля на класически невротрансмитери или невромодулатори, като серотонин и допамин (15).

По същия начин, ролята на цикличния аденозин монофосфат и неговите ефектори надолу по веригата, като протеин киназа А (PKA) или cAMP отговор елемент-свързващ протеин (CREB) остава решаваща точка, която трябва да бъде изяснена. Обратно, също е възможно асоциативното обучение да се е развило независимо при книдариите и да разчита на различни механизми (16).

И накрая, ученето при книдарии може да се разглежда като завладяващ пример за „въплътено познание“, т.е. познание без централен мозък (1, 3, 4), и повдига интересни въпроси относно обработката, съхранението и извикването на научени асоциации в тези животни.

Материали и методи

Несортирани млади мъжки и женски животни се държат при 19 градуса и се следва светлинен цикъл 12:12. За експерименти с обучение, 10 или 18 животни на група (съответно за автоматизирани или ръчно анализирани експерименти) се прехвърлят сутрин в квадратни петриеви панички в стая, поддържана при 19 градуса.

Четири групи животни/блюда бяха кондиционирани и тествани едновременно за всеки експеримент: или 1 група/условие, т.е. сдвоени, несдвоени, само леки и само шокови групи (фиг. 1C), или 2 групи сдвоени и 2 групи с нечифтни (фиг. 2). Частите на тялото на животните бяха проследени с помощта на DeepLabCut 2.2.0.2 (13) и данните бяха анализирани в R (17).

Наличност на данни, материали и софтуер.

Всички учебни материали, подробни протоколи и методи са описани в SI Приложение. Данните и кодът са депозирани в хранилище на Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.7568367) (18).

БЛАГОДАРНОСТИ.

Благодарим на Fabian Rentzsch за неговата обратна връзка относно по-ранните версии на този ръкопис и на двамата анонимни рецензенти за техните полезни коментари, които подобриха нашата работа. Също така благодарим на членовете на лабораторията Sprecher за конструктивните дискусии и на Рудолф Рор за съветите му относно анализа на данни. Тази работа беше подкрепена от грант IZCOZ0_182957 на SGS от швейцарския NSF

справка

P. Lyon, На какво е "минималното познание" полуизпечената версия? Адаптирай се. поведение. 28, 407–424 (2020).

2. AB Barron et al., Възприемане на множество дефиниции за учене. Тенденции Neurosci. 38, 405–407 (2015).

3. FA Keijzer, Еволюционна конвергенция и биологично въплътено познание. Интерфейс Фокус 7, 20160123 (2017).

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

5. SJ Gershman, PE Balbi, CR Gallistel, J. Gunawardena, Преразглеждане на доказателствата за обучение в единични клетки. Elife 10, e61907 (2021).

6. A. Dussutour, Обучение в едноклетъчни организми. Biochem. Biophys. Рез. Общ. 564, 92–102 (2021).
7. ER Kandel, Y. Dudai, MR Mayford, Молекулярна и системна биология на паметта. Клетка 157, 163–186 (2014).

8. K. Cheng, Обучение в Cnidaria: систематичен преглед. Уча. поведение. 49, 175–189 (2021).

9. MJ Layden, F. Rentzsch, E. Röttinger, Възходът на морската актиния Nematostella vectensis като моделна система за изследване на развитието и регенерацията: Преглед на актинията Nematostella vectensis. Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol. 5, 408–428 (2016).

10. JV Haralson, CI Groff, SJ Haralson, Класическо кондициониране в морската анемона, Cribrina xanthogrammica. Physiol. поведение. 15, 455–460 (1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com