Aprenentatge associatiu en el cnidari Nematostella Vectensis

La capacitat d'aprendre i formar records permet als animals adaptar el seu comportament a partir d'experiències prèvies. L'aprenentatge associatiu, el procés mitjançant el qual els organismes aprenen sobre la relació entre dos esdeveniments diferents, s'ha estudiat àmpliament en diversos tàxons animals. No obstant això, l'existència d'aprenentatge associatiu, abans de l'aparició de sistemes nerviosos centralitzats en animals bilaterians, encara no està clara. Els cnidaris com les anemones de mar o les meduses posseeixen una xarxa nerviosa, que no té centralització.

Quan necessitem enfocar-nos, el nostre sistema nerviós de concentració coordina la xarxa de neurones del cervell per fer-nos més concentrats i concentrats. Aquest estat de concentració és propici per a les nostres diferents activitats en l'estudi, el treball i la vida.

I la memòria és una part molt important de la nostra funció cerebral, implica la nostra capacitat cognitiva, l'eficiència d'aprenentatge i la velocitat de processament de la informació. Quan aprenem nous coneixements o realitzem tasques laborals, necessitem molt suport de memòria per poder completar les tasques de manera més eficient.

Per tant, si volem millorar la nostra memòria, primer hem de centrar-nos en el nostre sistema nerviós central. Centrar el sistema nerviós mitjançant l'entrenament i l'exercici pot millorar la nostra capacitat de pensament i l'eficiència del treball, i millorar la nostra capacitat d'aprenentatge i memòria.

En concret, el sistema nerviós es pot entrenar i fer exercici: mantenint un estil de vida saludable, com una dieta equilibrada, exercici moderat i bon son; utilitzar mètodes d'entrenament de mindfulness, com ara la meditació, el treball/descans regular i la planificació personal, etc.; guiar les emocions i les emocions, aprendre a afrontar activament l'estrès i les males emocions i mantenir una mentalitat equilibrada.

Al final, el nostre esforç s'intercanviarà per una capacitat d'aprenentatge i una memòria més ràpides i eficients, per convertir-nos en una millor versió de nosaltres mateixos. Es pot veure que hem de millorar la nostra memòria. Cistanche pot millorar significativament la memòria perquè Cistanche és un material medicinal tradicional xinès amb molts efectes únics, un dels quals és millorar la memòria. L'eficàcia de la carn picada prové de la varietat d'ingredients actius que conté, com l'àcid carboxílic, polisacàrids, flavonoides, etc. Aquests ingredients poden promoure la salut del cervell a través de diversos canals.

Les mandonguilles tenen efectes antioxidants, antiinflamatoris i anticompetitius.

Feu clic a Coneix 10 maneres de millorar la memòria

Com a grup germà dels bilaterians, són especialment adequats per estudiar l'evolució de les funcions del sistema nerviós. Aquí, sondem la capacitat de l'anemona de mar estrellada Nematostella vectensis per formar memòries associatives mitjançant un enfocament de condicionament clàssic.

Hem desenvolupat un protocol que combina la llum com a estímul condicionat amb una descàrrega elèctrica com a estímul aversiu no condicionat. Després d'un entrenament repetitiu, els animals van mostrar una resposta condicionada només a la llum, cosa que indica que van aprendre l'associació.

En canvi, totes les condicions de control no van formar memòries associatives. A més de donar llum a un aspecte del comportament dels cnidaris, aquests resultats arrelen l'aprenentatge associatiu abans de l'aparició de la centralització de NS en el llinatge dels metazous i plantegen preguntes fonamentals sobre l'origen i l'evolució de la cognició en animals sense cervell.

L'aprenentatge i la memòria proporcionen capacitats adaptatives que permeten als animals ajustar el seu comportament ràpidament en un entorn canviant, basant-se en experiències prèvies (1-4). L'habituació i la sensibilització donen lloc a la modulació de la força de la resposta del comportament després de la presentació repetida d'un únic estímul. En canvi, durant l'aprenentatge associatiu, els organismes formen una associació predictiva entre diferents esdeveniments.

El condicionament clàssic (o pavlovià) es basa en l'aparellament d'un resultat biològicament significatiu, l'estímul incondicionat (EUA), generalment apetitiu o aversió, amb un esdeveniment inicialment neutre, l'estímul condicionat (CS). Tot i que la capacitat dels organismes unicel·lulars de formar memòries associatives continua sent discutida (5, 6), en general se suposa que l'evolució dels sistemes nerviós (NS) proporciona el terreny per a la formació de la memòria, basada en la modulació de la força sinàptica i la plasticitat (7). .

Tanmateix, mentre que l'aprenentatge associatiu s'ha estudiat en nombrosos fils bilateris, els estudis sobre clades no bilaterians, com esponges, ctenòfors, placozous i cnidaris, segueixen sent escassos (8).

Cnidaria, el grup germà de Bilateria, inclou coralls, meduses i anemones de mar. Posseeixen neurones, que estan organitzades en una xarxa nerviosa difusa. En general, s'acorda que els sistemes nerviós cnidaris i bilaterians s'originen a partir d'un NS ancestral semblant a una xarxa nerviosa comú (9). Fins ara, només dos estudis primerencs, que mai es van replicar, han mostrat proves parcials del condicionament clàssic de les anemones de mar (10, 11).

Aquesta escassetat podria ser la conseqüència de resultats negatius no publicats o simplement podria reflectir l'enfocament de la comunitat científica en organismes models seleccionats. Per tant, estudiar els cnidaris pot respondre preguntes crucials sobre l'origen evolutiu i la funció de l'aprenentatge associatiu.

Aquí, vam realitzar experiments de condicionament clàssic aversiu de Pavlovian, combinant la llum com a estímul condicionat (CS) amb una descàrrega elèctrica com a estímul no condicionat (EUA) al model d'antozous Nematostella vectensis.

De fet, malgrat l'absència d'ulls com a estructures dedicades a detectar la llum, Nematostella es basa en l'entrada de llum per modular els ritmes circadians i els comportaments de generació (12). Vam predir que si els animals aprenguessin l'associació entre ambdós estímuls, exhibirien una resposta condicionada (és a dir, retracció corporal), en previsió del xoc, quan s'estimulaven amb llum (només CS) després del condicionament.

Resultats

Com a EUA aversiu, vam lliurar una descàrrega elèctrica (ES) de petita amplitud (6 V) als animals sense tocar-los directament, utilitzant un parell d'agulles connectades a una font d'alimentació (detalls a l'apèndix SI). Col·locat durant un temps curt (≃ 1 s) al voltant de l'extrem oral de l'animal, el xoc desencadena una retracció forta, ràpida i reversible de la regió oral i els tentacles (Fig. 1A).

Inicialmente vam registrar la resposta dels animals només al pols de llum (CS), abans del condicionament (prova prèvia a la figura 1 B i D). Llavors, l'entrenament va consistir en una sessió de condicionament massiva de 50 min, on es presentava llum (CS) simultàniament amb descàrrega elèctrica (US) per a la condició aparellada o de manera desincronitzada per a la condició no aparellada (Fig. 1C, detalls a l'apèndix SI) .

Aleshores, 10 minuts després del final del protocol d'entrenament, es van avaluar les reaccions dels animals al CS durant una gravació de vídeo de 4-min, que inclou 1 min d'aplicació de CS al mig (Fig. 1B). Els enregistraments es van analitzar a cegues i el nombre d'animals que es van retreure es va anotar manualment (Fig. 1D).

El percentatge d'animals que es van retreure va ser més del doble més gran en el grup aparellat (72 per cent) en comparació amb el grup no aparellat (= 30 per cent no aparellat, 휒2 =10,897, P=0,001) i més baix en els altres grups de control (pretest=19 per cent , llum només=11 per cent i xoc només=8 per cent ).

Per avaluar quantitativament els canvis de comportament provocats per la resposta condicionada (CR) i per controlar les variacions dinàmiques, vam establir un flux de treball d'anàlisi automatitzat mitjançant el programari d'estimació de poses DeepLabCut (13). Hem seguit tres punts al llarg de l'eix corporal de 10 animals registrats simultàniament a cada grup experimental (Fig. 2A i apèndix SI).

A continuació, vam calcular la variació de la longitud corporal de cada animal durant la fase de prova: abans, durant i després de l'aplicació de CS. Les nostres observacions van revelar que els animals sotmesos a condicionament aparellat es van retreure durant l'aplicació de CS, en contrast amb els animals del grup no aparellat (Fig. 2B). A continuació, vam anotar significativament més animals que es retraien durant l'aplicació de CS (Fig. 2C) al grup aparellat (retractionpaired=49 per cent) en comparació amb el grup no aparellat (retractionunpaired=24 per cent, 휒2 = 9). 6204, P=0.002).

Finalment, vam mesurar la retracció màxima registrada durant l'aplicació de CS en tots els animals d'ambdós grups, demostrant que els animals del grup aparellat també es retraïen quantitativament més que els animals de control no aparellats (Fig. 2D, mediana no aparellat=-3,59 per cent, medianpaired= −8,30 per cent, W=2,620, P=0,008).

Discussió

En conjunt, els nostres resultats suggereixen que les anemones de mar poden formar memòries associatives en un paradigma de condicionament clàssic, un fenomen no reportat, que sabem, en una espècie no bilateriana des de finals del segle XX (8). Els animals sotmesos a condicionament clàssic, que reben simultàniament llum (CS) i una descàrrega elèctrica (US) durant l'entrenament, van adaptar el seu comportament i van reaccionar només al CS després del condicionament.

La diferència en el percentatge d'animals que es retrauen entre la puntuació manual (72 per cent, figura 1D) i l'anàlisi automatitzada (49 per cent, figura 2C) probablement es deu al llindar fixat en un 10 per cent de la reducció de la longitud corporal a l'anàlisi automatitzada. . De fet, aquest últim només té en compte les contraccions longitudinals clares, mentre que algunes retraccions subtils visibles per l'ull entrenat poden no ser distingibles analitzant només la variació de la longitud del cos.

En general, aquests animals van mostrar una resposta de comportament diferent quantitativament i qualitativament en comparació amb els animals control, que van rebre estímuls no aparellats (Figs. 1D i 2 C i D).

A més, els controls només de llum i només de xoc ens permeten descartar un efecte potencial de sensibilització o pseudocondicionament induït per la presentació repetida del CS o dels EUA sols, respectivament (14).

Les nostres observacions en totes les condicions de control (Figs. 1D i 2 C i D) suggereixen que l'efecte potencial de l'estimulació repetida de CS o US és bastant limitat. Per tant, no explica la diferència de comportament observada en la condició de parella i defensa fermament l'aprenentatge associatiu.

En la majoria d'organismes model, s'han identificat circuits neuronals definits i mecanismes moleculars responsables de formes específiques de records. Sembla que es conserven notablement dins dels bilateris (7), cosa que planteja la qüestió de si també estan presents en els cnidaris. En particular, encara es debat la presència i el paper potencial dels neurotransmissors o neuromoduladors clàssics, com la serotonina i la dopamina (15).

Així mateix, el paper de l'adenosina monofosfat cíclica i els seus efectors aigües avall com la proteïna quinasa A (PKA) o la proteïna d'unió a l'element de resposta cAMP (CREB) segueix sent un punt crucial per dilucidar. Per contra, també és possible que l'aprenentatge associatiu hagi evolucionat de manera independent en els cnidaris i es recolzi en diferents mecanismes (16).

Finalment, l'aprenentatge en els cnidaris es podria veure com un exemple convincent de "cognició encarnada", és a dir, la cognició sense un cervell central (1, 3, 4), i planteja preguntes fascinants sobre el processament, l'emmagatzematge i la memòria d'associacions apreses en aquests animals.

Materials i mètodes

Els animals mascles i femelles juvenils no classificats es van mantenir a 19 graus i es va seguir un cicle de llum de 12:12. Per als experiments d'aprenentatge, 10 o 18 animals per grup (per a experiments automatitzats o analitzats manualment, respectivament) es van transferir al matí a plaques de Petri quadrades en una habitació mantinguda a 19 graus.

Es van condicionar i provar simultàniament quatre grups d'animals/plats per a cada experiment: 1 grup/condició, és a dir, aparellats, no aparellats, només lleugers i només de xoc (Fig. 1C), 2 grups de parella i 2 grups de no aparellats (Fig. 2). Les parts del cos dels animals es van fer un seguiment mitjançant DeepLabCut 2.2.0.2 (13) i les dades es van analitzar a R (17).

Disponibilitat de dades, materials i programari.

Tots els materials d'estudi, protocols detallats i mètodes es descriuen a l'apèndix SI. Les dades i el codi s'han dipositat en un repositori Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.7568367) (18).

AGRAÏMENTS.

Agraïm a Fabian Rentzsch els seus comentaris sobre versions anteriors d'aquest manuscrit i als dos revisors anònims pels seus comentaris útils que van millorar el nostre treball. També donem les gràcies als membres del laboratori Sprecher per les discussions constructives i a Rudolf Rohr pels seus consells sobre l'anàlisi de dades. Aquest treball va comptar amb el suport de la subvenció suïssa NSF IZCOZ0_182957 a SGS

Referència

P. Lyon, De què és la "cognició mínima" la versió mig cuita? Adaptar. Comportament. 28, 407–424 (2020).

2. AB Barron et al., Embracing multiple definitions of learning. Tendències Neurosci. 38, 405–407 (2015).

3. FA Keijzer, Convergència evolutiva i cognició encarnada biològicament. Interface 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. Ciència. 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, Aprenentatge en organismes unicel·lulars. Bioquímica. Biofísica. Res. Commun. 564, 92–102 (2021).
7. ER Kandel, Y. Dudai, MR Mayford, La biologia molecular i de sistemes de la memòria. Cel·la 157, 163–186 (2014).

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

9. MJ Layden, F. Rentzsch, E. Röttinger, The rise of the starlet sea anemone Nematostella vectensis com a model system to investigate development and regeneration: Overview of starlet sea anemone Nematostella vectensis. Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol. 5, 408–428 (2016).

10. JV Haralson, CI Groff, SJ Haralson, Condicionament clàssic a l'anemone de mar, Cribrina xanthogrammica. Physiol. Comportament. 15, 455–460 (1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com