Cnidarian Nematostella Vectensis의 연관 학습

학습하고 기억을 형성하는 능력을 통해 동물은 이전 경험을 기반으로 행동을 조정할 수 있습니다. 유기체가 두 가지 별개의 사건 사이의 관계에 대해 배우는 과정인 연관 학습은 다양한 동물 분류군에서 광범위하게 연구되었습니다. 그러나 양측 동물에서 중추 신경계가 출현하기 전에 연관 학습의 존재는 불분명합니다. 말미잘이나 해파리와 같은 자포동물은 중앙집중화가 부족한 신경망을 가지고 있습니다.

집중해야 할 때 집중력 신경계는 뇌의 뉴런 네트워크를 조정하여 우리를 더 집중하고 집중하게 만듭니다. 이러한 집중 상태는 학업, 직장 및 생활에서 우리의 다양한 활동에 도움이 됩니다.

그리고 기억력은 우리 뇌 기능의 매우 중요한 부분으로 인지 능력, 학습 효율성 및 정보 처리 속도와 관련이 있습니다. 새로운 지식을 배우거나 작업을 수행할 때 작업을 보다 효율적으로 완료할 수 있도록 많은 메모리 지원이 필요합니다.

따라서 기억력을 향상시키려면 먼저 중추신경계에 집중해야 합니다. 훈련과 운동을 통해 신경계에 집중하면 사고력과 업무 효율성이 향상되고 학습 능력과 기억력이 향상될 수 있습니다.

특히 신경계는 다음과 같은 방법으로 훈련하고 운동할 수 있습니다. 명상, 규칙적인 작업/휴식, 개인 계획 등과 같은 마음챙김 훈련 방법을 사용합니다. 감정과 감정을 인도하고 스트레스와 나쁜 감정에 능동적으로 대처하는 법을 배우고 균형 잡힌 정신을 유지하십시오.

결국 우리의 노력은 더 빠르고 효율적인 학습 능력과 기억력으로 바뀌고 더 나은 우리 자신이 될 것입니다. 기억력을 향상시켜야 함을 알 수 있습니다. Cistanche는 많은 독특한 효과가 있는 중국 전통 의약 재료이기 때문에 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그 중 하나는 기억력을 향상시키는 것입니다. 다진 고기의 효능은 카르복실산, 다당류, 플라보노이드 등 포함된 다양한 활성 성분에서 비롯됩니다. 이러한 성분은 다양한 채널을 통해 뇌의 건강을 증진할 수 있습니다.

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bilaterians의 자매 그룹으로서 그들은 신경계 기능의 진화를 연구하는 데 특히 적합합니다. 여기에서 우리는 고전적 컨디셔닝 접근법을 사용하여 연상 기억을 형성하는 작은 별 말미잘 Nematostella vectensis의 능력을 조사합니다.

우리는 조건 자극으로서의 빛과 혐오스러운 무조건 자극으로서의 전기 충격을 결합하는 프로토콜을 개발했습니다. 반복적인 훈련 후, 동물들은 빛에만 조건 반응을 나타냈는데, 이는 그들이 연관성을 학습했음을 나타냅니다.

대조적으로, 모든 제어 조건은 연관 메모리를 형성하지 않았습니다. cnidarian 행동의 측면에 빛을 비추는 것 외에도, 이러한 결과는 후생 동물 혈통에서 NS 중앙 집중화가 출현하기 전에 연관 학습을 뿌리 내리고 뇌가 없는 동물에서 인지의 기원과 진화에 대한 근본적인 질문을 제기합니다.

학습과 기억은 동물이 이전 경험을 기반으로 변화하는 환경에서 자신의 행동을 빠르게 조정할 수 있도록 하는 적응 능력을 제공합니다(1-4). 습관화 및 민감화는 단일 자극을 반복적으로 제시할 때 행동 반응 강도를 조절하는 결과를 낳습니다. 대조적으로 연관 학습 중에 유기체는 서로 다른 이벤트 발생 사이에 예측 연관을 형성합니다.

고전적(또는 파블로프식) 컨디셔닝은 생물학적으로 중요한 결과인 무조건 자극(US)(보통 식욕이 있거나 혐오적임)과 처음에는 중립적인 사건인 조건 자극(CS)의 짝짓기에 의존합니다. 연합 기억을 형성하는 단세포 유기체의 능력은 여전히 ​​논쟁의 여지가 있지만(5, 6), 일반적으로 신경계(NS)의 진화가 시냅스 강도와 가소성의 조절을 기반으로 기억 형성의 기반을 제공한다고 가정합니다(7). .

그러나 연관 학습이 수많은 이중문 문에서 연구되었지만 해면동물, 크테노포어, 플라코동물 및 자포동물과 같은 비이중문 분기군에 대한 연구는 여전히 드물다(8).

Bilateria의 자매 그룹인 Cnidaria에는 산호, 해파리 및 말미잘이 포함됩니다. 그들은 확산 신경망으로 조직된 뉴런을 소유합니다. 일반적으로 cnidarian 및 bilaterian 신경계는 공통 신경망과 같은 조상 NS에서 기원한다는 데 동의합니다(9). 지금까지 복제된 적이 없는 두 개의 초기 연구만이 말미잘의 고전적 조건화에 대한 부분적 증거를 보여주었습니다(10, 11).

그러한 희소성은 발표되지 않은 부정적인 결과의 결과일 수도 있고 단순히 선택된 모델 유기체에 대한 과학계의 초점을 반영할 수도 있습니다. 따라서 자포동물을 연구하면 연관 학습의 진화적 기원과 기능에 대한 중요한 질문에 답할 수 있습니다.

여기에서 우리는 anthozoan 모델 Nematostella vectensis에서 조건 자극(CS)으로 빛을 무조건 자극(US)으로 전기 충격과 결합하여 Pavlovian 혐오 고전 컨디셔닝 실험을 수행했습니다.

실제로 빛을 감지하는 전용 구조인 눈이 없음에도 불구하고 Nematostella는 일주기 리듬과 산란 행동을 조절하기 위해 빛 입력에 의존합니다(12). 우리는 동물이 두 자극 사이의 연관성을 배운다면 조건화 후 빛(CS 단독)으로 자극할 때 충격을 예상하여 조건 반응(즉, 신체 후퇴)을 나타낼 것이라고 예측했습니다.

결과

혐오스러운 미국으로서 우리는 전원 공급 장치에 연결된 한 쌍의 바늘을 사용하여 동물을 직접 만지지 않고 작은 진폭(6V)의 전기 충격(ES)을 동물에게 전달했습니다(자세한 내용은 SI 부록 참조). 짧은 시간(≃1초) 동안 동물의 구강 끝 주위에 위치하면 충격이 구강 영역과 촉수의 강력하고 빠르며 가역적인 후퇴를 유발합니다(그림 1A).

우리는 컨디셔닝 전에 광 펄스(CS)에 대한 동물의 반응을 처음에 기록했습니다(그림 1 B 및 D의 사전 테스트). 그런 다음 훈련은 50분의 대규모 컨디셔닝 세션으로 구성되었으며, 페어링된 조건에 대해 빛(CS)이 전기 충격(US)과 동시에 제시되거나 짝이 없는 조건에 대해 비동기화된 방식으로 제시되었습니다(그림 1C, SI 부록의 세부 사항). .

그런 다음 훈련 프로토콜 종료 10분 후 CS에 대한 동물의 반응을 중간에 CS 적용 1분을 포함하는 4-분 비디오 녹화 동안 평가했습니다(그림 1B). 기록을 맹목적으로 분석하고 후퇴하는 동물의 수를 수동으로 채점했습니다(그림 1D).

후퇴하는 동물의 비율은 짝을 이루지 않은 그룹(짝이 없는=30% , 휒2 =10.897, P=0.001)에 비해 쌍을 이루는 그룹(72%)에서 2배 이상 높았습니다. 다른 대조군에서는 더 낮습니다(사전 테스트=19퍼센트, 가벼운=11퍼센트 및 충격=8퍼센트만).

조건 반응(CR)에 의해 유도된 행동 변화를 정량적으로 평가하고 동적 변화를 모니터링하기 위해 포즈 추정 소프트웨어 DeepLabCut(13)을 사용하여 자동화된 분석 워크플로를 설정했습니다. 우리는 각 실험 그룹에서 동시에 기록된 10마리 동물의 몸 축을 따라 세 지점을 추적했습니다(그림 2A 및 SI 부록).

그런 다음 테스트 단계(CS 적용 전, 적용 중 및 적용 후) 동안 각 동물의 몸 길이의 변화를 계산했습니다. 우리의 관찰에 따르면 페어링되지 않은 그룹의 동물과 달리 CS 적용 중에 페어 컨디셔닝을받은 동물이 철회되었습니다 (그림 2B). 다음으로, 쌍을 이루지 않은 그룹(retraction unpaired=24% , 휒2 = 9에 비해 쌍을 이룬 그룹(retractionpaired=49% )에서 CS 적용(그림 2C) 동안 훨씬 더 많은 동물의 후퇴를 득점했습니다. 6204, P=0.002).

마지막으로, 우리는 두 그룹의 모든 동물에서 CS 적용 동안 기록된 최대 후퇴를 측정하여 쌍을 이룬 그룹의 동물이 짝을 이루지 않은 대조군 동물보다 정량적으로 더 많이 후퇴했음을 보여주었습니다(그림 2D, 중앙값은 짝을 이루지 않은=-3.59%, medianpaired= −8.30%, W=2,620, P=0.008).

논의

종합하면, 우리의 결과는 말미잘이 고전적 컨디셔닝 패러다임에서 연관 기억을 형성할 수 있음을 시사하며, 이는 20세기 말 이후로 비양측성 종에서 보고되지 않은 현상입니다(8). 훈련 중 동시에 빛(CS)과 전기 충격(US)을 받는 고전적 조건화를 받은 동물은 그들의 행동을 적응시키고 조건화 후 CS에만 반응했습니다.

수동 채점(72%, 그림 1D)과 자동 분석(49%, 그림 2C) 사이에서 후퇴하는 동물 비율의 차이는 자동 분석에서 신체 길이 감소의 10%로 고정된 임계값 때문일 수 있습니다. . 실제로 후자는 명확한 세로 수축만을 설명하는 반면 훈련된 눈에 보이는 일부 미묘한 후퇴는 신체 길이 변화만 분석하여 구별할 수 없습니다.

전반적으로, 이 동물들은 짝을 이루지 않은 자극을 받은 대조군 동물과 비교하여 양적 및 질적으로 다른 행동 반응을 보였습니다(그림 1D 및 2C 및 D).

더욱이, 조명 전용 및 충격 전용 제어를 통해 각각 CS 또는 US 단독의 반복적인 제시에 의해 유도된 감작 또는 의사 조건화의 잠재적 효과를 배제할 수 있습니다(14).

모든 제어 조건(그림 1D 및 2C 및 D)에서 우리의 관찰은 반복된 CS 또는 US 자극의 잠재적 효과가 다소 제한적임을 시사합니다. 따라서 쌍을 이룬 조건에서 관찰된 행동의 차이를 설명하지 않으며 연관 학습에 대해 강력하게 주장합니다.

대부분의 모델 유기체에서 특정 형태의 기억을 담당하는 정의된 신경 회로와 분자 메커니즘이 확인되었습니다. 그들은 bilaterians 내에서 현저하게 보존되는 것으로 보이며(7), cnidarians에도 존재하는지에 대한 질문을 제기합니다. 특히, 세로토닌 및 도파민과 같은 고전적인 신경 전달 물질 또는 신경 조절제의 존재 및 잠재적인 역할은 여전히 ​​논의되고 있습니다(15).

마찬가지로, cyclic adenosine monophosphate와 PKA(Protein kinase A) 또는 CREB(cAMP response element-binding protein)와 같은 다운스트림 이펙터의 역할은 여전히 ​​중요한 해명 포인트로 남아 있습니다. 반대로 연관 학습이 자포동물에서 독립적으로 진화하고 다른 메커니즘에 의존하는 것도 가능합니다(16).

마지막으로, 자포 동물의 학습은 "체화된 인지", 즉 중앙 뇌가 없는 인지(1, 3, 4)의 설득력 있는 예로 볼 수 있으며, 이들에서 학습된 연관성의 처리, 저장 및 회상에 대한 매혹적인 질문을 제기합니다. 동물.

재료 및 방법

분류되지 않은 어린 수컷 및 암컷 동물은 19도에서 유지되었고, 12:12 광주기를 따랐다. 학습 실험을 위해 그룹당 10마리 또는 18마리(각각 자동 분석 실험 또는 수동 분석 실험)를 아침에 19도를 유지하는 방에서 정사각형 페트리 접시로 옮겼습니다.

4개 그룹의 동물/접시를 각 실험에 대해 동시에 컨디셔닝하고 테스트했습니다. 페어링되지 않음(그림 2). DeepLabCut 2.2.0.2(13)를 사용하여 동물의 신체 부위를 추적하고 데이터를 R(17)로 분석했습니다.

데이터, 자료 및 소프트웨어 가용성.

모든 연구 자료, 세부 프로토콜 및 방법은 SI 부록에 설명되어 있습니다. 데이터와 코드는 Zenodo 저장소(https://doi.org/10.5281/zenodo.7568367)(18)에 보관되었습니다.

감사의 말

이 원고의 이전 버전에 대한 피드백을 제공한 Fabian Rentzsch와 작업을 개선하는 데 도움이 되는 의견을 제시한 두 명의 익명 검토자에게 감사드립니다. 우리는 또한 건설적인 토론에 대해 Sprecher 연구실 구성원과 데이터 분석에 대한 그의 조언에 대해 Rudolf Rohr에게 감사드립니다. 이 작업은 SGS에 IZCOZ0_182957를 부여한 스위스 NSF의 지원을 받았습니다.

참조

P. Lyon, "최소한의 인지"란 어설픈 버전입니까? 적응하다. 행동. 28, 407–424(2020).

2. AB Barron et al., 학습의 다양한 정의 수용. 트렌드 신경과학. 38, 405–407(2015).

3. FA Keijzer, 진화적 수렴 및 생물학적으로 구현된 인지. 인터페이스 포커스 7, 20160123(2017).

4. P. Lyon, F. Keijzer, D. Arendt, M. Levin, 인지 재구성: 생물학적 기초로 내려감. 필로스. 트랜스. R. Soc. 비비올. 과학. 376, 20190750 (2021).

5. SJ Gershman, PE Balbi, CR Gallistel, J. Gunawardena, 단일 세포 학습에 대한 증거 재검토. Elife 10, e61907 (2021).

6. A. Dussutour, 단세포 유기체 학습. 생화학. Biophys. 해상도 공동. 564, 92–102(2021).
7. ER Kandel, Y. Dudai, MR Mayford, 기억의 분자 및 시스템 생물학. 셀 157, 163–186(2014).

8. K. Cheng, Cnidaria 학습: 체계적인 검토. 배우다. 행동. 49, 175–189(2021).

9. MJ Layden, F. Rentzsch, E. Röttinger, 발달 및 재생을 조사하기 위한 모델 시스템으로서 작은 별 말미잘 Nematostella vectensis의 부상: 작은 별 말미잘 Nematostella vectensis 개요. Wiley Interdiscip. 데브 목사 비올. 5, 408–428(2016).

10. JV Haralson, CI Groff, SJ Haralson, 말미잘의 고전적 조건화, Cribrina xanthogrammica. 피시올. 행동. 15, 455–460(1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com