Dysgu Cysylltiol yn Y Cnidarian Nematostella Vectensis

Mae'r gallu i ddysgu a ffurfio atgofion yn galluogi anifeiliaid i addasu eu hymddygiad yn seiliedig ar brofiadau blaenorol. Mae dysgu cysylltiadol, sef y broses a ddefnyddir gan organebau i ddysgu am y berthynas rhwng dau ddigwyddiad gwahanol, wedi'i hastudio'n helaeth mewn tacsa anifeiliaid amrywiol. Fodd bynnag, mae bodolaeth dysgu cysylltiadol, cyn ymddangosiad systemau nerfol canolog mewn anifeiliaid dwyochrog, yn parhau i fod yn aneglur. Mae cnidariaid fel anemonïau'r môr neu slefrod môr yn meddu ar rwyd nerfau, sydd â diffyg canoli.

Pan fydd angen i ni ganolbwyntio, mae ein system nerfol grynodiad yn cydlynu'r rhwydwaith o niwronau yn yr ymennydd i'n gwneud ni'n fwy ffocws a ffocws. Mae'r cyflwr hwn o ganolbwyntio yn ffafriol i'n gweithgareddau amrywiol mewn astudio, gwaith a bywyd.

Ac mae cof yn rhan bwysig iawn o swyddogaeth ein hymennydd, mae'n cynnwys ein gallu gwybyddol, effeithlonrwydd dysgu, a chyflymder prosesu gwybodaeth. Pan fyddwn yn dysgu gwybodaeth newydd neu'n cyflawni tasgau gwaith, mae angen llawer o gefnogaeth cof arnom fel y gallwn gwblhau tasgau'n fwy effeithlon.

Felly, os ydym am wella ein cof, rhaid inni ganolbwyntio'n gyntaf ar ein system nerfol ganolog. Gall canolbwyntio'r system nerfol trwy hyfforddiant ac ymarfer corff wella ein gallu meddwl ac effeithlonrwydd gwaith, a gwella ein gallu dysgu a'n cof.

Yn benodol, gellir hyfforddi ac ymarfer y system nerfol trwy: gynnal ffordd iach o fyw, megis diet cytbwys, ymarfer corff cymedrol, a chysgu da; defnyddio dulliau hyfforddi ymwybyddiaeth ofalgar, megis myfyrdod, gwaith/gorffwys rheolaidd, a chynllunio personol, ac ati; arwain emosiynau ac emosiynau, dysgu delio'n weithredol â straen ac emosiynau drwg, a chynnal meddylfryd cytbwys.

Yn y diwedd, bydd ein gwaith caled yn cael ei gyfnewid am allu dysgu a chof cyflymach a mwy effeithlon, i ddod yn fersiwn well ohonom ein hunain. Gellir gweld bod angen i ni wella ein cof. Gall Cistanche wella cof yn sylweddol oherwydd bod Cistanche yn ddeunydd meddyginiaethol Tsieineaidd traddodiadol gyda llawer o effeithiau unigryw, ac un ohonynt yw gwella cof. Mae effeithiolrwydd briwgig yn dod o amrywiaeth o gynhwysion gweithredol y mae'n eu cynnwys, gan gynnwys asid carbocsilig, polysacaridau, flavonoidau, ac ati. Gall y cynhwysion hyn hybu iechyd yr ymennydd trwy amrywiol sianeli

Mae peli cig yn cael effeithiau gwrthocsidiol, gwrthlidiol a gwrth-gystadleuol.

Cliciwch gwybod 10 ffordd i wella cof

Fel y chwaer grŵp i'r bilateriaid, maent yn arbennig o addas ar gyfer astudio esblygiad swyddogaethau'r system nerfol. Yma, rydym yn archwilio gallu'r anemoni serennog Nematostella vectensis i ffurfio atgofion cysylltiadol trwy ddefnyddio dull cyflyru clasurol.

Fe wnaethom ddatblygu protocol sy'n cyfuno golau fel yr ysgogiad cyflyredig â sioc drydanol fel yr ysgogiad gwrth-amodol heb ei gyflyru. Ar ôl hyfforddiant ailadroddus, dangosodd anifeiliaid ymateb cyflyredig i olau yn unig - gan nodi eu bod wedi dysgu'r cysylltiad.

Mewn cyferbyniad, nid oedd yr holl amodau rheoli yn ffurfio atgofion cysylltiadol. Ar wahân i daflu goleuni ar agwedd ar ymddygiad cnidarian, mae'r canlyniadau hyn yn gwreiddio dysgu cysylltiadol cyn ymddangosiad canoli NS yn y llinach fetasoaidd ac yn codi cwestiynau sylfaenol am darddiad ac esblygiad gwybyddiaeth mewn anifeiliaid heb ymennydd.

Mae dysgu a chof yn darparu galluoedd ymaddasol sy'n galluogi anifeiliaid i addasu eu hymddygiad yn gyflym mewn amgylchedd sy'n newid, yn seiliedig ar brofiadau blaenorol (1-4). Mae cynefino a sensiteiddio yn arwain at fodiwleiddio cryfder yr ymateb ymddygiad pan gyflwynir un ysgogiad dro ar ôl tro. Mewn cyferbyniad, yn ystod dysgu cysylltiadol, mae organebau yn ffurfio cysylltiad rhagfynegol rhwng gwahanol ddigwyddiadau.

Mae cyflyru clasurol (neu Pavlovian) yn dibynnu ar baru canlyniad biolegol arwyddocaol, yr ysgogiad heb ei gyflyru (UD), fel arfer yn archwaeth neu'n wrthun, gyda digwyddiad niwtral i ddechrau, yr ysgogiad cyflyredig (CS). Er bod gallu organebau ungellog i ffurfio atgofion cysylltiadol yn parhau i gael ei drafod (5, 6), tybir yn gyffredinol bod esblygiad systemau nerfol (NS) yn darparu'r sylfaen ar gyfer ffurfio cof, yn seiliedig ar fodiwleiddio cryfder synaptig a phlastigrwydd (7) .

Fodd bynnag, er bod dysgu cysylltiadol wedi'i astudio mewn nifer o ffyla bilateraidd, mae astudiaethau ar gladau anbilateraidd, megis sbyngau, ctenophores, placozoans, a cnidarians, yn parhau i fod yn brin (8).

Mae Cnidaria, chwaer grŵp Bilateria, yn cynnwys cwrelau, slefrod môr, ac anemonïau môr. Mae ganddyn nhw niwronau, sy'n cael eu trefnu mewn rhwyd ​​nerfau gwasgaredig. Cytunir yn gyffredinol bod systemau nerfol cnidarian a bilateraidd yn tarddu o NS hynafiaid cyffredin tebyg i nerfau (9). Hyd yn hyn, dim ond dwy astudiaeth gynnar, na chawsant eu hailadrodd, sydd wedi dangos tystiolaeth rannol ar gyfer cyflyru clasurol mewn anemonïau môr (10, 11).

Gallai prinder o'r fath fod o ganlyniad i ganlyniadau negyddol nas cyhoeddwyd neu gallai adlewyrchu ffocws y gymuned wyddonol ar organebau enghreifftiol dethol. Felly, gall astudio cnidarians ateb cwestiynau hollbwysig am darddiad a swyddogaeth esblygiadol dysgu cysylltiadol.

Yma, fe wnaethom berfformio arbrofion cyflyru clasurol gwrthgyflyru Pavlovian, gan baru golau fel yr ysgogiad cyflyru (CS) gyda sioc drydanol fel yr ysgogiad heb ei gyflyru (UDA) yn y model anthosoaidd Nematostella vectensis.

Yn wir, er gwaethaf absenoldeb llygaid fel strwythurau pwrpasol i synhwyro golau, mae Nematostella yn dibynnu ar fewnbwn golau i fodiwleiddio rhythmau circadian ac ymddygiadau silio (12). Fe wnaethom ragweld, pe bai anifeiliaid yn dysgu'r cysylltiad rhwng y ddau ysgogiad, y byddent yn arddangos ymateb cyflyredig (hy, tynnu'r corff yn ôl), gan ragweld y sioc, o'u hysgogi â golau (CS yn unig) ar ôl cyflyru.

Canlyniadau

Fel Unol Daleithiau Gwrthwynebol, gwnaethom ddosbarthu sioc drydan (ES) o osgled bach (6 V) i anifeiliaid heb eu cyffwrdd yn uniongyrchol, gan ddefnyddio pâr o nodwyddau wedi'u cysylltu â chyflenwad pŵer (manylion yn Atodiad SI). Wedi'i leoli am gyfnod byr (≃1 s) o amgylch pen llafar yr anifail, mae'r sioc yn sbarduno tynnu'n ôl yn gryf, yn gyflym ac yn wrthdroadwy o ranbarth y geg a'r tentaclau (Ffig. 1A).

I ddechrau, gwnaethom gofnodi ymateb yr anifeiliaid i'r pwls golau (CS) yn unig, cyn cyflyru (rhagbrawf yn Ffig. 1 B a D). Yna, roedd hyfforddiant yn cynnwys sesiwn cyflyru torfol o 50 munud, lle cyflwynwyd golau (CS) ar yr un pryd â sioc drydanol (UDA) ar gyfer y cyflwr pâr neu mewn modd dad-gydamserol ar gyfer y cyflwr heb ei bâr (Ffig. 1C, manylion yn Atodiad SI) .

Yna, 10 munud ar ôl diwedd y protocol hyfforddi, aseswyd adweithiau'r anifeiliaid i'r CS yn ystod recordiad fideo 4-munud, gan gwmpasu 1 munud o gais CS yn y canol (Ffig. 1B). Cafodd recordiadau eu dadansoddi'n ddall, a rhoddwyd sgôr â llaw i nifer yr anifeiliaid a oedd yn tynnu'n ôl (Ffig. 1D).

Roedd canran yr anifeiliaid yn tynnu'n ôl fwy na deublyg yn uwch yn y grŵp pâr (72 y cant ) o gymharu â'r grŵp heb bâr (= 30 y cant , 휒2 =10.897, P=0.001) heb bâr ac yn is yn y grwpiau rheoli eraill (rhagbrawf=19 y cant , golau yn unig=11 y cant a sioc yn unig=8 y cant ).

Er mwyn asesu'n feintiol y newidiadau ymddygiadol a achosir gan yr ymateb cyflyredig (CR) ac i fonitro amrywiadau deinamig, fe wnaethom sefydlu llif gwaith dadansoddi awtomataidd gan ddefnyddio'r meddalwedd amcangyfrif ystum DeepLabCut (13). Rydym yn olrhain tri phwynt ar hyd echelin corff 10 anifail a gofnodwyd ar yr un pryd ym mhob grŵp arbrofol (Ffig. 2 A ac Atodiad OS).

Yna, fe wnaethom gyfrifo amrywiad hyd corff pob anifail yn ystod y cyfnod profi: cyn, yn ystod ac ar ôl y cais CS. Datgelodd ein harsylwadau fod anifeiliaid sy'n destun cyflyru pâr wedi tynnu'n ôl yn ystod y cais CS, yn wahanol i anifeiliaid o'r grŵp heb bâr ( Ffig. 2 B ). Nesaf, fe wnaethom sgorio llawer mwy o anifeiliaid yn tynnu'n ôl yn ystod cais CS (Ffig. 2C) yn y grŵp pâr (yn ôl-paru=49 y cant ) o'i gymharu â'r grŵp heb barau (tyniadunpared=24 y cant , 휒2 = 9). 6204, P=0.002).

Yn olaf, fe wnaethom fesur yr uchafswm tynnu'n ôl a gofnodwyd yn ystod cais CS ym mhob anifail o'r ddau grŵp, gan ddangos bod anifeiliaid yn y grŵp pâr hefyd yn tynnu'n ôl yn feintiol yn fwy nag anifeiliaid rheoli heb bâr (Ffig. 2D, canolrif heb bâr=-3.59 y cant, canolrif paru=−8.30 y cant , W=2,620, P=0.008).

Trafodaeth

Gyda'i gilydd, mae ein canlyniadau'n awgrymu y gall anemonïau môr ffurfio atgofion cysylltiadol mewn patrwm cyflyru clasurol, ffenomen nas adroddwyd - hyd y gwyddom ni - mewn rhywogaeth nonbilaterian ers diwedd yr 20fed ganrif (8). Fe wnaeth anifeiliaid a oedd yn destun cyflyru clasurol, yn derbyn golau (CS) a sioc drydanol (UD) ar yr un pryd yn ystod hyfforddiant, addasu eu hymddygiad ac ymateb i'r CS yn unig ar ôl eu cyflyru.

Mae'r gwahaniaeth yn y ganran o anifeiliaid sy'n tynnu'n ôl rhwng y sgôr â llaw (72 y cant, Ffig. 1D) a'r dadansoddiad awtomataidd (49 y cant, Ffig. 2C) yn debygol o fod oherwydd y trothwy a bennwyd ar 10 y cant o ostyngiad hyd y corff yn y dadansoddiad awtomataidd . Yn wir, mae'r olaf ond yn cyfrif am gyfangiadau hydredol clir, tra efallai na fydd modd gwahaniaethu rhwng rhai tyniadau cynnil sy'n weladwy i'r llygad hyfforddedig trwy ddadansoddi'r amrywiad hyd y corff yn unig.

Yn gyffredinol, dangosodd yr anifeiliaid hyn ymateb ymddygiadol meintiol ac ansoddol gwahanol o gymharu ag anifeiliaid rheoli, a dderbyniodd ysgogiadau heb eu paru (Ffig. 1D a 2 C a D).

Ar ben hynny, mae'r rheolaethau golau-yn-unig a sioc yn unig yn ein galluogi i ddiystyru effaith bosibl sensiteiddio neu ffug-gyflyru a achosir gan gyflwyniad ailadroddus y CS neu'r UD yn unig, yn y drefn honno (14).

Mae ein harsylwadau ym mhob cyflwr rheoli (Ffig. 1D a 2 C a D) yn awgrymu bod effaith bosibl ysgogiad CS dro ar ôl tro neu UDA braidd yn gyfyngedig. Nid yw, felly, yn esbonio'r gwahaniaeth mewn ymddygiad a welwyd yn y cyflwr pâr ac mae'n dadlau'n gryf dros ddysgu cysylltiadol.

Yn y rhan fwyaf o organebau model, mae cylchedau niwral diffiniedig a mecanweithiau moleciwlaidd sy'n gyfrifol am ffurfiau penodol o atgofion wedi'u nodi. Ymddengys eu bod wedi'u cadw'n rhyfeddol o fewn dwyieithrwydd (7), gan godi'r cwestiwn a ydynt hefyd yn bresennol mewn cnidarians. Yn benodol, mae presenoldeb a rôl bosibl niwrodrosglwyddyddion clasurol neu niwrofodylyddion, fel serotonin a dopamin, yn dal i gael ei drafod (15).

Yn yr un modd, mae rôl monoffosffad adenosine cylchol a'i effeithwyr i lawr yr afon fel Protein kinase A (PKA) neu brotein sy'n rhwymo elfen ymateb cAMP (CREB) yn parhau i fod yn bwynt hanfodol i'w egluro. I'r gwrthwyneb, mae hefyd yn bosibl bod dysgu cysylltiadol esblygu'n annibynnol yn cnidarians ac yn dibynnu ar fecanweithiau gwahanol (16).

Yn olaf, gellid ystyried dysgu mewn cnidarians fel enghraifft gymhellol o "gwybyddiaeth ymgorfforedig," hy, gwybyddiaeth heb ymennydd canolog (1, 3, 4), ac mae'n codi cwestiynau hynod ddiddorol ar brosesu, storio, ac adalw cysylltiadau dysgedig yn y rhain. anifeiliaid.

Defnyddiau a Dulliau

Cadwyd anifeiliaid ifanc gwrywaidd a benywaidd heb eu didoli ar 19 gradd, a dilynwyd cylch golau 12:12. Ar gyfer arbrofion dysgu, trosglwyddwyd 10 neu 18 o anifeiliaid fesul grŵp (ar gyfer arbrofion awtomataidd neu wedi'u dadansoddi â llaw, yn y drefn honno) yn y bore i brydau Petri sgwâr mewn ystafell a gedwir ar 19 gradd.

Cafodd pedwar grŵp o anifeiliaid/prydau eu cyflyru a'u profi ar yr un pryd ar gyfer pob arbrawf: naill ai 1 grŵp/cyflwr, h.y., grwpiau pâr, di-bâr, ysgafn yn unig, a grwpiau sioc yn unig (Ffig. 1C), naill ai 2 grŵp o barau a 2 grŵp o heb eu paru (Ffig. 2). Cafodd rhannau corff anifeiliaid eu holrhain gan ddefnyddio DeepLabCut 2.2.0.2 (13), a dadansoddwyd y data yn R (17).

Data, Deunyddiau, a Meddalwedd Argaeledd.

Disgrifir yr holl ddeunyddiau astudio, protocolau manwl, a dulliau yn Atodiad OS. Mae data a chod wedi'u hadneuo mewn ystorfa Zenodo ( https://doi.org/10.5281/ zenodo.7568367 ) (18).

DIOLCHIADAU.

Diolchwn i Fabian Rentzsch am ei adborth ar fersiynau cynharach o'r llawysgrif hon ac i'r ddau adolygydd dienw am eu sylwadau defnyddiol a wellodd ein gwaith. Diolchwn hefyd i aelodau labordy Sprecher am drafodaethau adeiladol ac i Rudolf Rohr am ei gyngor ar ddadansoddi data. Cefnogwyd y gwaith hwn gan grant NSF y Swistir IZCOZ0_182957 i SGS

Cyfeiriad

P. Lyon, O beth yw "gwybyddiaeth leiaf" y fersiwn hanner-pob? Addasu. Bihav. 28, 407–424 (2020).

2. AB Barron et al., yn croesawu diffiniadau lluosog o ddysgu. Tueddiadau Neurosci. 38, 405–407 (2015).

3. FA Keijzer, Cydgyfeiriant esblygiadol a gwybyddiaeth a ymgorfforir yn fiolegol. Ffocws Rhyngwyneb 7, 20160123 (2017).

4. P. Lyon, F. Keijzer, D. Arendt, M. Levin, Ail-fframio gwybyddiaeth: Mynd i lawr i hanfodion biolegol. Athroniaethau. traws. R. Soc. B Biol. Sci. 376, 20190750 (2021).

5. SJ Gershman, PE Balbi, CR Gallistel, J. Gunawardena, Ailystyried y dystiolaeth ar gyfer dysgu mewn celloedd sengl. Elife 10, e61907 (2021).

6. A. Dussutour, Dysgu mewn organeddau un-gell. Biocemeg. Bioffys. Res. Cymmun. 564, 92–102 (2021).
7. ER Kandel, Y. Dudai, MR Mayford, Bioleg foleciwlaidd a systemau cof. Cell 157, 163–186 (2014).

8. K. Cheng, Dysgu yn Cnidaria: Adolygiad systematig. Dysgwch. Bihav. 49, 175–189 (2021).

9. MJ Layden, F. Rentzsch, E. Röttinger, Cynnydd yr anemoni môr starlet Nematostella vectensis fel system fodel i ymchwilio i ddatblygiad ac adfywiad: Trosolwg o'r anemoni môr starlet Nematostella vectensis. Wiley Interdiscip. Parch. Biol. 5, 408–428 (2016).

10. JV Haralson, CI Groff, SJ Haralson, Cyflyru clasurol yn anemoni'r môr, Cribrina xanthogrammica. Physiol. Bihav. 15, 455–460 (1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com