Assosiativ læring i The Cnidarian Nematostella Vectensis

Evnen til å lære og danne minner gjør at dyr kan tilpasse atferden sin basert på tidligere erfaringer. Assosiativ læring, prosessen der organismer lærer om forholdet mellom to forskjellige hendelser, har blitt grundig studert i forskjellige dyretaksa. Imidlertid er eksistensen av assosiativ læring, før fremveksten av sentraliserte nervesystemer hos bilaterale dyr, fortsatt uklart. Cnidarians som sjøanemoner eller maneter har et nervenett, som mangler sentralisering.

Når vi trenger å fokusere, koordinerer konsentrasjonsnervesystemet vårt nettverket av nevroner i hjernen for å gjøre oss mer fokuserte og fokuserte. Denne konsentrasjonstilstanden bidrar til våre ulike aktiviteter innen studier, arbeid og liv.

Og hukommelse er en veldig viktig del av hjernefunksjonen vår, det involverer vår kognitive evne, læringseffektivitet og informasjonsbehandlingshastighet. Når vi lærer ny kunnskap eller utfører arbeidsoppgaver, trenger vi mye minnestøtte slik at vi kan gjennomføre oppgaver mer effektivt.

Derfor, hvis vi ønsker å forbedre hukommelsen vår, må vi først fokusere på sentralnervesystemet vårt. Fokusering av nervesystemet gjennom trening og trening kan forbedre vår tenkeevne og arbeidseffektivitet, og forbedre læringsevnen og hukommelsen.

Nærmere bestemt kan nervesystemet trenes og trenes ved å: opprettholde en sunn livsstil, som et balansert kosthold, moderat trening og god søvn; bruke mindfulness-treningsmetoder, som meditasjon, regelmessig arbeid/hvile, og personlig planlegging, etc.; veilede følelser og følelser, lære å aktivt håndtere stress og vonde følelser, og opprettholde en balansert mentalitet.

Til slutt vil vårt harde arbeid byttes ut mot raskere og mer effektiv læringsevne og hukommelse, for å bli en bedre versjon av oss selv. Det kan sees at vi trenger å forbedre hukommelsen vår. Cistanche kan forbedre hukommelsen betydelig fordi Cistanche er et tradisjonelt kinesisk medisinsk materiale med mange unike effekter, en av dem er å forbedre hukommelsen. Effekten av kjøttdeig kommer fra en rekke aktive ingredienser den inneholder, inkludert karboksylsyre, polysakkarider, flavonoider, etc. Disse ingrediensene kan fremme helsen til hjernen gjennom ulike kanaler

Kjøttboller har antioksidanter, anti-inflammatoriske og konkurransehemmende effekter.

Klikk vet 10 måter å forbedre hukommelsen

Som søstergruppe til bilaterianere er de spesielt godt egnet for å studere utviklingen av nervesystemfunksjoner. Her undersøker vi kapasiteten til stjernesjøanemonen Nematostella vectensis til å danne assosiative minner ved å bruke en klassisk kondisjoneringsmetode.

Vi utviklet en protokoll som kombinerer lys som den betingede stimulansen med et elektrisk sjokk som den aversive ubetingede stimulansen. Etter gjentatt trening viste dyrene en betinget respons på lys alene - noe som indikerer at de lærte assosiasjonen.

Derimot dannet ikke alle kontrollforhold assosiative minner. I tillegg til å kaste lys over et aspekt av cnidarisk atferd, roter disse resultatene assosiativ læring før fremveksten av NS-sentralisering i den metazoaniske avstamningen og reiser grunnleggende spørsmål om opprinnelsen og utviklingen av kognisjon hos hjerneløse dyr.

Læring og hukommelse gir tilpasningsevner som lar dyr justere atferden sin raskt i et skiftende miljø, basert på tidligere erfaringer (1–4). Tilvenning og sensibilisering resulterer i modulering av atferdsresponsstyrken ved gjentatt presentasjon av en enkelt stimulus. I motsetning til dette, under assosiativ læring, danner organismer en prediktiv assosiasjon mellom forskjellige hendelsesforekomster.

Klassisk (eller pavlovsk) kondisjonering er avhengig av sammenkoblingen av et biologisk signifikant utfall, den ubetingede stimulansen (US), vanligvis appetittvekkende eller aversiv, med en i utgangspunktet nøytral hendelse, den betingede stimulus (CS). Mens encellede organismers evne til å danne assosiative minner fortsatt diskuteres (5, 6), antas det generelt at utviklingen av nervesystemer (NS) gir grunnlaget for minnedannelse, basert på modulering av synaptisk styrke og plastisitet (7) .

Mens assosiativ læring har blitt studert i en rekke bilaterale phyla, er studier på ikke-bilateriske klader, som svamper, ctenophores, placozoans og cnidarians, fortsatt sparsomme (8).

Cnidaria, søstergruppen til Bilateria, inkluderer koraller, maneter og sjøanemoner. De har nevroner, som er organisert i et diffust nervenett. Det er generelt enighet om at cnidarian og bilaterian nervesystem stammer fra en felles nervenett-lignende forfedres NS (9). Til dags dato har bare to tidlige studier, som aldri ble replikert, vist delvis bevis for klassisk kondisjonering hos sjøanemoner (10, 11).

Slik knapphet kan være konsekvensen av upubliserte negative resultater eller kan ganske enkelt gjenspeile fokuset til det vitenskapelige samfunnet på utvalgte modellorganismer. Derfor kan det å studere cnidarians svare på avgjørende spørsmål om den evolusjonære opprinnelsen og funksjonen til assosiativ læring.

Her utførte vi Pavlovske aversive klassiske kondisjoneringseksperimenter, og paret lys som den betingede stimulansen (CS) med et elektrisk sjokk som den ubetingede stimulansen (US) i antozomodellen Nematostella vectensis.

Faktisk, til tross for fraværet av øyne som dedikerte strukturer for å føle lys, er Nematostella avhengig av lysinngang for å modulere døgnrytmer og gyteatferd (12). Vi spådde at hvis dyr lærte assosiasjonen mellom begge stimuli, ville de vise en betinget respons (dvs. kroppsretraksjon), i påvente av sjokket, når de ble stimulert med lys (CS alene) etter kondisjonering.

Resultater

Som et aversivt USA leverte vi et elektrisk støt (ES) med liten amplitude (6 V) til dyr uten å berøre dem direkte, ved å bruke et par nåler koblet til en strømforsyning (detaljer i SI-vedlegg). Plassert i kort tid (≃1 s) rundt den orale enden av dyret, utløser sjokket en sterk, rask og reversibel tilbaketrekking av munnregionen og tentaklene (fig. 1A).

Vi registrerte først responsen til dyrene på lyspulsen (CS) alene, før kondisjonering (pretest i fig. 1 B og D). Deretter besto treningen av en masse kondisjonsøkt på 50 minutter, hvor lys (CS) ble presentert samtidig med elektrisk støt (US) for den parede tilstanden eller på en desynkronisert måte for den uparede tilstanden (fig. 1C, detaljer i SI-vedlegg) .

Deretter, 10 minutter etter slutten av treningsprotokollen, ble dyrenes reaksjoner på CS vurdert under et 4-min. videoopptak, som omfattet 1 min med CS-påføring i midten (fig. 1B). Opptakene ble blindt analysert, og antallet dyr som trekker seg tilbake ble målt manuelt (fig. 1D).

Prosentandelen av dyr som trakk seg tilbake var mer enn dobbelt så høy i den parede gruppen (72 prosent ) sammenlignet med den uparede gruppen (uparede=30 prosent , 휒2 =10.897, P=0.001) og lavere i de andre kontrollgruppene (pretest=19 prosent , lys bare=11 prosent og sjokk bare=8 prosent ).

For å kvantitativt vurdere atferdsendringene fremkalt av den betingede responsen (CR) og for å overvåke dynamiske variasjoner, etablerte vi en automatisert analysearbeidsflyt ved bruk av poseringsestimeringsprogramvaren DeepLabCut (13). Vi sporet tre punkter langs kroppsaksen til 10 dyr registrert samtidig i hver forsøksgruppe (fig. 2A og SI vedlegg).

Deretter beregnet vi variasjonen av kroppslengden til hvert dyr under testfasen: før, under og etter CS-applikasjonen. Våre observasjoner viste at dyr som ble utsatt for paret kondisjonering trakk seg tilbake under CS-applikasjonen, i motsetning til dyr fra den uparrede gruppen (fig. 2B). Deretter scoret vi signifikant flere dyr som trakk seg tilbake under CS-påføring (fig. 2C) i den sammenkoblede gruppen (tilbaketrekkingsparet=49 prosent) sammenlignet med den uparrede gruppen (tilbaketrekninguparret=24 prosent, 휒2 = 9. 6204, P=0.002).

Til slutt målte vi den maksimale tilbaketrekkingen registrert under CS-påføring i alle dyr i begge gruppene, og viste at dyrene i den parede gruppen også kvantitativt trakk tilbake mer enn uparrede kontrolldyr (fig. 2D, median uparet=-3,59 prosent , medianparet= −8,30 prosent , W=2,620, P=0.008).

Diskusjon

Samlet antyder resultatene våre at sjøanemoner kan danne assosiative minner i et klassisk kondisjoneringsparadigme, et fenomen som ikke er rapportert – så vidt vi vet – hos en ikke-bilaterian art siden slutten av det 20. århundre (8). Dyr som ble utsatt for klassisk kondisjonering, som samtidig fikk lys (CS) og et elektrisk støt (US) under trening, tilpasset atferden og reagerte på CS alene etter kondisjonering.

Forskjellen i prosentandelen av dyr som trekker seg tilbake mellom den manuelle skåringen (72 prosent, fig. 1D) og den automatiserte analysen (49 prosent, fig. 2C) skyldes sannsynligvis terskelen fastsatt til 10 prosent av kroppslengdereduksjonen i den automatiserte analysen . Faktisk står sistnevnte bare for klare langsgående sammentrekninger, mens noen subtile tilbaketrekkinger som er synlige for det trente øyet kanskje ikke kan skilles ved å analysere kun kroppslengdevariasjonen.

Totalt sett viste disse dyrene en kvantitativt og kvalitativt forskjellig atferdsrespons sammenlignet med kontrolldyr, som mottok uparede stimuli (fig. 1D og 2 C og D).

Dessuten lar kontrollene kun lys og sjokk oss utelukke en potensiell effekt av sensibilisering eller pseudokondisjonering indusert av gjentatt presentasjon av henholdsvis CS eller US alene (14).

Våre observasjoner i alle kontrollforhold (fig. 1D og 2 C og D) tyder på at den potensielle effekten av gjentatt CS- eller US-stimulering er ganske begrenset. Den forklarer derfor ikke forskjellen i atferd observert i den parede tilstanden og argumenterer sterkt for assosiativ læring.

I de fleste modellorganismer har definerte nevrale kretsløp og molekylære mekanismer som er ansvarlige for spesifikke former for minner blitt identifisert. De ser ut til å være bemerkelsesverdig konserverte i bilaterianere (7), noe som reiser spørsmålet om de også er tilstede hos cnidarians. Spesielt er tilstedeværelsen og den potensielle rollen til klassiske nevrotransmittere eller nevromodulatorer, som serotonin og dopamin, fortsatt omdiskutert (15).

Likeledes er rollen til syklisk adenosinmonofosfat og dets nedstrømseffektorer som Proteinkinase A (PKA) eller cAMP-responselementbindende protein (CREB) fortsatt et avgjørende punkt som skal belyses. Motsatt er det også mulig at assosiativ læring utviklet seg uavhengig hos cnidarians og er avhengig av ulike mekanismer (16).

Til slutt kan læring hos cnidarians sees på som et overbevisende eksempel på «embodied cognition», dvs. kognisjon uten en sentral hjerne (1, 3, 4), og reiser fascinerende spørsmål om prosessering, lagring og tilbakekalling av lærte assosiasjoner i disse. dyr.

Materialer og metoder

Usorterte unge hann- og hunndyr ble holdt ved 19 grader, og en lyssyklus på 12:12 ble fulgt. For læringsforsøk ble 10 eller 18 dyr per gruppe (henholdsvis for automatiserte eller manuelt analyserte eksperimenter) overført om morgenen til firkantede petriskåler i et rom holdt på 19 grader.

Fire grupper av dyr/retter ble kondisjonert og testet samtidig for hvert eksperiment: enten 1 gruppe/tilstand, dvs. sammenkoblede, uparrede, kun lette og sjokk-bare grupper (fig. 1C), enten 2 grupper av parede og 2 grupper med uparet (fig. 2). Dyrenes kroppsdeler ble sporet ved hjelp av DeepLabCut 2.2.0.2 (13), og dataene ble analysert i R (17).

Tilgjengelighet av data, materialer og programvare.

Alt studiemateriell, detaljerte protokoller og metoder er beskrevet i SI-vedlegg. Data og kode er deponert i et Zenodo-depot (https://doi.org/10.5281/ zenodo.7568367) (18).

TAKK.

Vi takker Fabian Rentzsch for hans tilbakemelding på tidligere versjoner av dette manuskriptet og de to anonyme anmelderne for deres nyttige kommentarer som forbedret arbeidet vårt. Vi takker også medlemmer av Sprecher-laben for konstruktive diskusjoner og Rudolf Rohr for hans råd om dataanalyse. Dette arbeidet ble støttet av det sveitsiske NSF-tilskuddet IZCOZ0_182957 til SGS

Henvisning

P. Lyon, Hva er "minimal kognisjon" den halvbakte versjonen? Tilpasse. Oppførsel. 28, 407–424 (2020).

2. AB Barron et al., Omfavner flere definisjoner av læring. Trender Neurosci. 38, 405–407 (2015).

3. FA Keijzer, Evolusjonær konvergens og biologisk legemliggjort kognisjon. Interface Focus 7, 20160123 (2017).

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

5. SJ Gershman, PE Balbi, CR Gallistel, J. Gunawardena, revurdere bevisene for læring i enkeltceller. Elife 10, e61907 (2021).

6. A. Dussutour, Læring i encellede organismer. Biochem. Biofys. Res. Commun. 564, 92–102 (2021).
7. ER Kandel, Y. Dudai, MR Mayford, hukommelsens molekylære og systembiologi. Cell 157, 163–186 (2014).

8. K. Cheng, Learning in Cnidaria: En systematisk gjennomgang. Lære. Oppførsel. 49, 175–189 (2021).

9. MJ Layden, F. Rentzsch, E. Röttinger, The rise of the starlet sea anemone Nematostella vectensis som et modellsystem for å undersøke utvikling og regenerering: Oversikt over starlet sjøanemon Nematostella vectensis. Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol. 5, 408–428 (2016).

10. JV Haralson, CI Groff, SJ Haralson, Klassisk kondisjonering i sjøanemonen, Cribrina xanthogrammica. Physiol. Oppførsel. 15, 455-460 (1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com