Lillehjernens størrelse er relatert til fryktminne og domestisering av kyllinger.

for mer informasjon:ali.ma@wecistanche.com

Lillehjernens størrelse er relatert til frykthukommelseog domestisering av kyllinger

Katajamaa, Rebecca Wright, Dominic Henriksen, Rie, Jensen, Per*

Linköping University IFM-Biology 581 83 Linköping Sverige

*Tilsvarende forfatter:Per. jensen@liu.se

Klikk for åCistanche tubulosa fordeler og bivirkninger for hukommelsen

Abstrakt

Red Junglefowl ble valgt for divergerende nivåer av frykt for mennesker i løpet av åtte generasjoner, noe som førte til at seleksjonslinjene var forskjellige i fryktnivåer så vel som i proporsjonale hjerne- og cerebellummasser. Fugler fra de to linjene ble deretter krysset for å oppnå et F3-kryss for å studere korrelasjonene mellom hjernemasse og fryktinnlæring. Vi utsatte 105 F3-dyr individuelt for en frykttilvenning oghukommelsetest ved åtte dagers alder, hvor reaksjonene på gjentatte lysglimt ble vurdert to påfølgende dager. Etter utslakting ble den absolutte og relative størrelsen av hver av fire hjerneregioner målt. Trinnvis regresjon ble brukt til å analysere effektene av størrelsen på hver hjerneregion på tilvenning oghukommelse. Det var ingen effekter av noen hjerneregion på tilvenningen på dag én. Imidlertid hadde fugler med en større absolutt størrelse på lillehjernen betydelig reduserte reaksjoner på de fryktelige stimuli på dag to, noe som indikerer en bedrehukommelseav stimuli. Ingen andre regioner hadde signifikante effekter. Vi konkluderer med at økt cerebellum-størrelse kan ha vært viktig for å lette domestisering av kyllinger, slik at de kunne tilpasse seg et liv med mennesker.

1. Introduksjon

Et definerende trekk ved det såkalte domestiseringssyndromet hos dyr er en redusert størrelse på hjernen i forhold til kroppsmasse [1]. Imidlertid påvirkes forskjellige hjerneregioner ulikt av domestisering [2] og hos kyllinger har vi tidligere funnet at den genetiske arkitekturen som styrer størrelsen på regionene er forskjellig, slik at deler av hjernen kan reagere på seleksjon uavhengig [3]. I tråd med dette har tamme kyllinger mindre hjerner i forhold til kroppsstørrelsen sammenlignet med den ville stamfaren, den røde jungelfuglen, mens lillehjernen faktisk er betydelig større både i absolutte og proporsjonale mål [3]. I Red Junglefowl valgt for enten høy eller lav frykt for mennesker, fant vi lignende effekter: etter bare noen få generasjoner med seleksjon hadde de tammere fuglene totalt sett mindre hjerner i forhold til kroppsstørrelse, men større lillehjernen enn de fryktsomme [4]. Dette indikerer at lillehjernen kan være involvert i å håndtere fryktelige stimuli hos kyllinger, og at dette kan ha vært viktig under domestisering da den normalt veldig sky forfedres røde jungelfuglen tilpasset seg et liv blant mennesker.

Lillehjernen ble lenge ansett for å være hovedsakelig opptatt av bevegelseskontroll, men nyere forskning viser at den er involvert i en rekke kognitive prosesser [5- 7]. Både positive og negative følelser ser ut til å bli behandlet av cerebellare kretsløp med en overvekt av de negative [8]. Imidlertid kommer mest kunnskap om cerebellar involvering i emosjonell prosessering fra pattedyr. For eksempel, hos mennesker og andre primater er den involvert i kognitiv utvikling og sosiale interaksjoner [9], og hos rotter spiller den en rolle i fryktkondisjoneringhukommelsekonsolidering [10]. I lys av dette, og våre tidligere observasjoner hos kyllinger, antok vi derfor at lillehjernens størrelse kan være relatert til sentrale atferdsaspekter som er relevante for domestisering, slik som evnen til å tilvenne seg fryktelige stimuli.

Her studerte vi fryktreaksjoner i en F3-kryss mellom røde junglefugler valgt for høy kontra lav frykt for mennesker og målte størrelsen og sammensetningen av hjernen deres. Målet var å analysere hvordan fugler med forskjellige hjernesammensetninger tilvenner og husker en oppsiktsvekkende, men ufarlig stimulans, som et mål på frykt.hukommelse.

2. Materiale og metoder

Det komplette datasettet er tilgjengelig som elektronisk tilleggsmateriale (tabell S1).

Med utgangspunkt i en utavlet populasjon av Red Junglefowl, valgte vi separate linjer avhengig av deres svar i en standardisert frykt-for-menneske-test. Detaljer om avl og oppstalling av fuglene, samt seleksjonsordningen, er rapportert tidligere [11]. En rekke korrelerte seleksjonsresponser ble observert, inkludert en relativ reduksjon i hjernemasse og en økning i relativ cerebellummasse i lavfryktlinjen [4].

Ved å bruke fugler fra den åttende utvalgte generasjonen, avlet vi en intercross ved å krysse to hanner og to hunner fra hver utvalgslinje med en gjensidig design. I F1- og F2-intercross-generasjonene ble fugler tilfeldig avlet for å generere et F3-kryss bestående av totalt 105 dyr, som utgjør testpopulasjonen vår. Ytterligere detaljer om avlsordningen finnes i [12].

Ved åtte dagers alder ble ungene testet i frykttilvenning oghukommelsetest, bestående av to testanledninger ispedd 24 - 28 t. Ved hver av de to testanledningene ble en kylling plassert for seg selv i en lukket, jevnt opplyst testarena, som måler 25 x 25 x 30 cm. Integrert i gulvet var en LED-lyskilde som sendte ut blått lys, og etter 30 s i arenaen ble kyllingene utsatt for en serie på fem korte (1 s) lysglimt med 30 s mellomrom. Tretti sekunder etter siste blink ble kyllingen fjernet og erstattet av neste dyr.

Testene ble tatt opp på video, og de umiddelbare skremselsresponsene til kyllingene på hvert av de påfølgende lysblinkene ble målt ved hjelp av Observer-programvaren (Noldus Inc) fra opptakene i henhold til en fem-graders skala, der den laveste poengsummen (1) var registrert når ingen reaksjon på blitsen kunne observeres, og høyest (5) for maksimal fryktreaksjon. For å validere poengsummen ble et tilfeldig delutvalg (10 prosent ) av videoene skåret av to uavhengige observatører, og observatørskårkorrelasjonen var rs=0.91 (P<0.001). details="" and="" ethograms="" for="" the="" scores="" can="" be="" found="" in="">

For å få et samlet mål på intensiteten og avtakelsen av fryktresponsen, beregnet vi arealet under kurven (AUC) for hver kylling på hver av testdagene. AUC ble beregnet ved å legge til arealene under kurven for hvert av de fem 30--intervallene. En lavere AUC betyr lavere totale reaksjonsscore.

Da fuglene var 32 uker gamle, ble alle veid og slaktet ved rask halshugging. Hjernene ble fjernet og dissekert i fire deler i henhold til protokollen brukt av Henriksen et al [3]: hjernehalvdel, optiske fliker, lillehjernen, og den resterende delen inneholder f.eks. hjernestamme og hypothalamus. Umiddelbart etter disseksjon ble hver hjerneregion veid separat, og den våte massen ble oppnådd ved bruk av en skala med en presisjon på 0,001 g. Tidligere forskning har funnet en høy korrelasjon mellom våt masse og volum [3].

The measured masses of the brain regions had a distribution that did not significantly deviate from normality, as determined by inspection of Q-Q-plots (Shapiro-Wilks test P>0.05 for alle regioner). For å analysere forholdet mellom hjernesammensetning og fryktreaksjoner, utførte vi en trinnvis regresjonsanalyse. Modellen besto av AUC som respons og inkluderte kroppsvekt og absolutt vekt av den totale hjernen og av hver av de fire hjerneregionene. Regresjonen ble utført separat for den første og andre testen.

Alle avvik er gitt som standardfeil for gjennomsnittet.

3. Resultater

Hannene (N{{0}}) var signifikant større enn kvinner (N=46) (1087,1 ± 10,4 g mot 791,9 ± 9,1 g; P=0. 031, t-test), og hadde større absolutte hjernemasser (hanner: 2,77 ± 0,02 g, kvinner: 2,50 ± 0,02 g; P<0.001, t-test).="" consistent="" with="" the="" overall="" larger="" brain,="" the="" absolute="" masses="" of="" each="" of="" the="" separate="" brain="" regions="" were="" also="" significantly="" larger="" in="" males=""><0.001, t-test).="" there="" were="" no="" sex="" effects="" on="" auc="" either="" on="" the="" first="" test="" occasion="" (9.4="" ±="" 0.4="" vs="" 10.1="" ±="" 0.6;="" p="0.33," t-test),="" or="" on="" the="" second="" test="" (males:="" 8.1="" ±="" 0.4;="" females:="" 8.8="" ±="" 0.5;="" p="0.32,">

I den første frykttesten reagerte de fleste kyllinger sterkt på det første lysglimt, og viste deretter gradvis en mindre intens skremmerespons på de følgende lysglimtene (fig 1), i samsvar med en rask tilvenningsrespons. På den andre testen var de gjennomsnittlige oppsiktsvekkende reaksjonene mindre intense allerede ved første lysglimt (fig 1), noe som indikerer at kyllingene husket stimulansen fra den første testen, og igjen viste tegn på tilvenning innen testen. Forskjellen mellom intensiteten av reaksjonene gjenspeiles i AUC, som var betydelig lavere ved den andre testanledningen (fig 1; t=3.45 P<0.01; paired="" sample="" t-test),="" indicating="" a="" consolidation="" of="">hukommelsefra første prøve.

I den trinnvise regresjonsmodellen ble ingen variabler beholdt som signifikante for AUC ved den første testanledningen. For den andre testen var den absolutte størrelsen på lillehjernen den eneste signifikante prediktoren for AUC (R2=0.041, F=4.25, P=0.042), der en større lillehjernen var assosiert med en mindre AUC (fig 2). Effekten viste seg å være mer uttalt hos menn (fig 2), selv om assosiasjonen ikke fikk betydning hos noen av kjønnene separat.

4. Diskusjon

Vi fant at i en F3-kryss mellom røde junglefugler valgt for høy og lav frykt for mennesker, var fugler med en større lillehjernen betydelig bedre til å huske og tilvenne seg en fryktelig, men ufarlig stimulus. Dette indikerer at lillehjernens størrelse kan ha vært en viktig faktor for vellykket domestisering av kyllinger.

En større lillehjørne er tidligere rapportert i domestiserte hvite leghorn-egglag sammenlignet med forfedres røde junglefugler [3], og likeledes i Red Junglefowl valgt for redusert frykt for mennesker [4], noe som tyder på at lillehjernen kan ha viktige funksjoner i forhold til tamhet og domestisering hos kyllinger. Våre nåværende resultater er med på å bekrefte dette siden evnen til å leve og trives i nærheten av mennesker må ha vært sentral for tidlige husdyr [13], og dette ville utvilsomt blitt tilrettelagt av en økt evne til å tilvenne seg harmløse stimuli som i utgangspunktet kan ha blitt oppfattet som skremmende.

Hjernen er et kostbart organ. For å optimalisere energibruken har adaptive endringer i hjernestørrelse og sammensetning derfor utviklet seg under domestisering [1,2,14] [15] [16,17]. I samsvar med mosaikk-hjerneteorien kan forskjellige regioner utvikle seg uavhengig, noe som fremgår av de forskjellige genetiske arkitekturene som ligger til grunn for størrelsen og veksten til forskjellige hjernedeler [2,3]. Lillehjernen er en del av virveldyrhjernen som lenge har vært ansett for det meste som et senter for bevegelseskontroll, men forskning de siste tiårene har vist at den har mye bredere funksjoner. Hos mennesker er det involvert i sosial kognisjon og læring [5,18] og hos kyllinger og vaktel påvirker det reproduktiv atferd [3,6]. Hos rotter spiller lillehjernen en viktig rolle i konsolideringen av fryktminner, og våre nåværende resultater samsvarer med dette [10].

Resultatene våre viser en signifikant sammenheng mellom cerebellar masse og frykttilvenning hos kyllinger, men tillater ingen konklusjoner om hva det er som forårsaker dette, og effekten er relativt svak med en R2 på 4,1 prosent. Lillehjernen til fugler har en annen anatomi enn hos pattedyr, og dens sammensetning og tilkobling er forskjellig selv mellom raser av samme art [2]. Effektene vi observerer kan for eksempel være et resultat av økt antall nevroner eller andre celletyper eller økt nevrontetthet. Fremtidig forskning bør fokusere på å belyse hvilke aspekter av den økte massen som ligger til grunn for de observerte atferdseffektene.

Det er bemerkelsesverdig at ingen annen hjerneregionstørrelse hadde en signifikant assosiasjon med læringsprosessen målt i dette eksperimentet. Men med de relativt grove målingene som er brukt, kan vi ikke utelukke involvering av andre deler av hjernen, som for eksempel amygdala eller hypothalamus, og vi var ikke i stand til å vurdere forbindelsen mellom lillehjernen og andre områder.

Kyllinger har domestisert fra rød jungelfugl for minst 8000 år siden [19] og stamfaren i naturen er ekstremt sky og redd for mennesker [20]. Derfor må et første og nødvendig skritt mot vellykket domestisering ha vært en reduksjon i frykt, og det har blitt antydet at dette faktisk var en viktig drivkraft bak mange typiske domestiserte egenskaper [13]. Hos kaniner er endringer i hjernestrukturen under domestisering i samsvar med endret fryktprosessering [17] og domestiserte kyllinger har en samlet redusert hjernemasse i forhold til kroppsstørrelse [3]. Hos tamme kyllinger utgjør imidlertid lillehjernen en større andel av hjernen enn hos Rød Junglefowl [3]. De samme effektene ble observert etter bare noen få generasjoner med seleksjon på Red Junglefowl for redusert frykt for mennesker: den tammere seleksjonslinjen utviklet en proporsjonalt mindre hjerne som helhet og en proporsjonalt mindre telencephalon, men en proporsjonalt større lillehjernen [4]. Dette var assosiert med endringer i frykthukommelse[21]. Forskjellene som tidligere er observert mellom de to utvalgte røde junglefugl-linjene kan være forårsaket av mange forskjellige faktorer, inkludert genetisk drift. Imidlertid demonstrerer F3-intercross-tilnærmingen som brukes her tydelig en genetisk korrelasjon mellom cerebellummasse og frykthukommelse, noe som tyder på at lillehjernens størrelse hos kyllinger kan ha gitt adaptiv verdi under domestisering.

Avslutningsvis viser resultatene våre at lillehjernens masse i rød junglefugl er assosiert med mer effektiv tilvenning oghukommelseav en fryktelig, men ufarlig stimulans. I lys av tidligere funn, at lillehjernen er større hos tamme kyllinger så vel som hos rød junglefugl valgt for redusert frykt for mennesker, tyder de nåværende funnene på at større lillehjernemasse kan ha gjort det lettere for vill rød junglefugl å tilpasse seg et liv med mennesker, og dermed kan ha vært viktig for vellykket domestisering av kyllinger.

Referanser

1. Pris, EO 2002 Dyredomestisering og atferd. Wallingford: CABI. (doi:10.1079/9780851995977.0000)

2. Rehkämper, G., Frahm, HD & Cnotka, J. 2008 Mosaikkevolusjon og adaptiv hjernekomponentendring under domestisering sett på bakgrunn av evolusjonsteori. Brain Behavior and Evolution 71, 115–126. (doi:10.1159/000111458)

3. Henriksen, R., Johnsson, M., Andersson, L., Jensen, P. & Wright, D. 2016 The domesticated brain: genetics of brain mass and brain structure in an fugleart. Scientific Reortsp 6, 1–9. (doi:10.1038/srep34031)

4. Agnvall, B., Beltéky, J. & Jensen, P. 2017 Hjernestørrelsen reduseres ved seleksjon for tamhet i Red Junglefowl– korrelerte effekter i vitale organer. Vitenskapelige rapporter 7,

3306. (doi:10.1038/s41598-017-03236-4)

5. Barton, RA 2012 Legemliggjort kognitiv evolusjon og lillehjernen. Philosophical Transactions of the Royal Society B 367, 2097–2107. (doi:10.1098/rstb.2012.0112)

6. Ebneter, C., Pick, JL & Tschirren, B. 2016 En avveining mellom reproduktive investeringer og mors lillehjernens størrelse i en prekosial fugl. Biology Letters 12,

20160659. (doi:10.1098/rsbl.2016.0659)

7. Van Overwalle, F., D'aes, T. & Mariën, P. 2015 Sosial kognisjon og lillehjernen: En metaanalytisk tilkoblingsanalyse. Human Brain Mapping 36, 5137–5154. (doi:10.1002/hbm.23002)

8. Adamaszek, M. et al. 2017 Consensus Paper: Lillehjernen og følelser. Lillehjernen 16, 552-576. (doi:10.1007/s12311-016-0815-8)

9. Wang, SSH, Kloth, AD & Badura, A. 2014 Lillehjernen, sensitive perioder og autisme. Neuron 83, 518–532.

10. Sacchetti, B., Baldi, E., Lorenzini, CA & Bucherelli, C. 2002 Cerebellar rolle i frykt-kondisjonerende konsolidering. Proceedings of the National Academy of Sciences 99, 8406–8411. (doi:10.1073/pnas.112660399)

11. Agnvall, B., Jöngren, M., Strandberg, E. & Jensen, P. 2012 Heritability and Genetic Correlations of Fear-Related Behaviour in Red Junglefowl–Possible Impplications for Early Domestication. PLoS ONE 7, e35162. (doi:10.1371/journal.pone.0035162)

12. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 Tamhet korrelerer med domestiseringsrelaterte trekk i en rød junglefugl-intercross. Genes Brain & Behavior, 1–12.

(doi:10.1111/gbb.12704)

13. Agnvall, B., Beltéky, J., Katajamaa, R. & Jensen, P. 2018 Er utviklingen av domestisering drevet av tamhet? En selektiv anmeldelse med fokus på kyllinger. Applied Animal Behaviour Science 205, 227–233. (doi:10.1016/j.applanim.2017.09.006)

14. Ksepka, DT et al. 2020 Tempo og mønster av Avian Brain Size Evolution. Current Biology 30, 2026–2036.e3. (doi:10.1016/j.cub.2020.03.060)

15. Maklakov, AA, Immler, S., Gonzalez-Voyer, A., Rönn, J. & Kolm, N. 2011 Hjerner og byen: spurvefugler med stor hjerne lykkes i urbane miljøer. Biologibrev 7, 730–732. (doi:10.1098/rsbl.2011.0341)

16. Kotrschal, A., Rogell, B., Bundsen, A., Svensson, B., Zajitschek, S., Brännström, I., Immler, S., Maklakov, AA & Kolm, N. 2013 Artificial Selection on Relative Hjernestørrelse i Guppy avslører kostnadene og fordelene ved å utvikle en større hjerne. Current Biology 23, 168–171. (doi:10.1016/j.cub.2012.11.058)

17. Brusini, I. et al. 2018 Endringer i hjernens arkitektur er i samsvar med endret fryktbehandling hos tamkaniner. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 115, 7380–7385. (doi:10.1073/pnas.1801024115)

18. Van Overwalle, F., Van de Steen, F., van Dun, K. & Heleven, E. 2020 Tilkobling mellom storhjernen og lillehjernen under sosial og ikke-sosial sekvensering ved bruk av dynamisk årsaksmodellering. Neuroimage 206, 116326.(doi:10.1016/j.neuroimage.2019.116326)

19. Tixier- Boichard, M., Bed'hom, B. & Rognon, X. 2011 Kyllingdomestisering: Fra arkeologi til genomikk. Comptes Rendus Biologies 334, 197–204.

(doi:10.1016/j.crvi.2010.12.012)

20. Collias, NE & Collias, EC 1996 Sosial organisering av en rød junglefugl, Gallus gallus, populasjon relatert til evolusjonsteori. Animal Behaviour 51, 1337–1354.

21. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 Seleksjon for redusert frykt hos røde junglefugler endrer hjernesammensetning og påvirker frykthukommelse. Royal Society Open Science 7, 200628. (doi:10.1098/rsos.200628)