التعلم النقابي في Cnidarian Nematostella Vectensis

تسمح القدرة على التعلم وتشكيل الذكريات للحيوانات بتكييف سلوكها بناءً على التجارب السابقة. التعلم النقابي ، العملية التي من خلالها تتعلم الكائنات الحية العلاقة بين حدثين مختلفين ، تمت دراستها على نطاق واسع في أنواع مختلفة من الحيوانات. ومع ذلك ، فإن وجود التعلم النقابي ، قبل ظهور الجهاز العصبي المركزي في الحيوانات ثنائية الفصيلة ، لا يزال غير واضح. الكائنات المجوفة مثل شقائق النعمان أو قنديل البحر تمتلك شبكة عصبية تفتقر إلى المركزية.

عندما نحتاج إلى التركيز ، فإن نظام التركيز العصبي لدينا ينسق شبكة الخلايا العصبية في الدماغ لجعلنا أكثر تركيزًا وتركيزًا. تساعد حالة التركيز هذه على أنشطتنا المختلفة في الدراسة والعمل والحياة.

والذاكرة جزء مهم جدًا من وظائف الدماغ ، فهي تتضمن قدرتنا المعرفية وكفاءة التعلم وسرعة معالجة المعلومات. عندما نتعلم معرفة جديدة أو نؤدي مهام عمل ، نحتاج إلى الكثير من دعم الذاكرة حتى نتمكن من إكمال المهام بشكل أكثر كفاءة.

لذلك ، إذا أردنا تحسين ذاكرتنا ، يجب أن نركز أولاً على نظامنا العصبي المركزي. يمكن أن يؤدي تركيز الجهاز العصبي من خلال التدريب والتمرين إلى تحسين قدرتنا على التفكير وكفاءة العمل ، وتحسين قدرتنا على التعلم والذاكرة.

على وجه التحديد ، يمكن تدريب الجهاز العصبي وممارسته عن طريق: الحفاظ على نمط حياة صحي ، مثل اتباع نظام غذائي متوازن ، وممارسة التمارين الرياضية المعتدلة ، والنوم الجيد ؛ استخدام أساليب تدريب اليقظة ، مثل التأمل والعمل المنتظم / الراحة والتخطيط الشخصي ، وما إلى ذلك ؛ توجيه العواطف والعواطف ، وتعلم كيفية التعامل بنشاط مع التوتر والمشاعر السيئة ، والحفاظ على عقلية متوازنة.

في النهاية ، سيتم تبادل عملنا الشاق من أجل قدرة وذاكرة تعلم أسرع وأكثر كفاءة ، لنصبح نسخة أفضل من أنفسنا. يمكن ملاحظة أننا بحاجة إلى تحسين ذاكرتنا. يمكن لـ Cistanche تحسين الذاكرة بشكل كبير لأن Cistanche مادة طبية صينية تقليدية لها العديد من التأثيرات الفريدة ، أحدها تحسين الذاكرة. تأتي فعالية اللحم المفروم من مجموعة متنوعة من المكونات النشطة التي يحتوي عليها ، بما في ذلك حمض الكربوكسيل ، والسكريات المتعددة ، والفلافونويد ، وما إلى ذلك. يمكن لهذه المكونات أن تعزز صحة الدماغ من خلال قنوات مختلفة

كرات اللحم لها تأثيرات مضادة للأكسدة ومضادة للالتهابات ومضادة للمنافسة.

انقر فوق تعرف 10 طرق لتحسين الذاكرة

بصفتهم مجموعة شقيقة للثنائيين ، فإنهم مناسبون بشكل خاص لدراسة تطور وظائف الجهاز العصبي. هنا ، نقوم بسبر قدرة شقائق البحر النجمية Nematostella vectensis على تكوين ذكريات ارتباطية باستخدام نهج التكييف الكلاسيكي.

لقد طورنا بروتوكولًا يجمع بين الضوء كمحفز مشروط مع صدمة كهربائية كمحفز مكره غير مشروط. بعد التدريب المتكرر ، أظهرت الحيوانات استجابة مشروطة للضوء وحده - مما يشير إلى أنهم تعلموا الارتباط.

في المقابل ، لم تشكل جميع شروط التحكم ذكريات ارتباطية. إلى جانب إلقاء الضوء على جانب من جوانب السلوك العقدي ، فإن هذه النتائج جذر التعلم النقابي قبل ظهور مركزية NS في سلالة ميتازوان وتثير أسئلة أساسية حول أصل وتطور الإدراك في الحيوانات بلا عقل.

يوفر التعلم والذاكرة قدرات تكيفية تسمح للحيوانات بتعديل سلوكها بسرعة في بيئة متغيرة ، بناءً على التجارب السابقة (1-4). ينتج عن التعود والتوعية تعديل قوة استجابة السلوك عند التقديم المتكرر لحافز واحد. في المقابل ، أثناء التعلم النقابي ، تشكل الكائنات الحية ارتباطًا تنبؤيًا بين حدوث الأحداث المختلفة.

يعتمد التكييف الكلاسيكي (أو بافلوفيان) على اقتران نتيجة مهمة بيولوجيًا ، الحافز غير المشروط (الولايات المتحدة) ، عادةً ما يكون شهياً أو مكرهًا ، مع حدث محايد في البداية ، المحفز المشروط (CS). في حين أن قدرة الكائنات أحادية الخلية على تكوين ذكريات ارتباطية لا تزال موضع نقاش (5 ، 6) ، فمن المفترض عمومًا أن تطور الأنظمة العصبية (NS) يوفر الأساس لتكوين الذاكرة ، بناءً على تعديل القوة المشبكية واللدونة (7) .

ومع ذلك ، في حين تمت دراسة التعلم النقابي في العديد من الشعب الثنائية ، فإن الدراسات على الكتل غير البلاتينية ، مثل الإسفنج ، و ctenophores ، و placozoans ، و cnidarians ، لا تزال متفرقة (8).

تضم Cnidaria ، المجموعة الشقيقة لـ Bilateria ، الشعاب المرجانية وقنديل البحر وشقائق النعمان البحرية. لديهم خلايا عصبية منظمة في شبكة عصبية منتشرة. من المتفق عليه عمومًا أن الجهاز العصبي اللعابي والثنائي ينشأ من شبكة عصبية مشتركة مثل شبكة الأسلاف NS (9). حتى الآن ، أظهرت دراستان مبكرتان فقط ، لم يتم تكرارهما أبدًا ، دليلاً جزئيًا على التكييف الكلاسيكي في شقائق النعمان البحرية (10 ، 11).

يمكن أن تكون هذه الندرة نتيجة لنتائج سلبية غير منشورة أو يمكن أن تعكس ببساطة تركيز المجتمع العلمي على الكائنات الحية النموذجية المختارة. لذلك ، يمكن أن تجيب دراسة الكائنات المجوفة على أسئلة مهمة حول الأصل التطوري ووظيفة التعلم النقابي.

هنا ، أجرينا تجارب تكييف كلاسيكية مكرهة من بافلوفيان ، مع إقران الضوء كمحفز مشروط (CS) مع صدمة كهربائية كمحفز غير مشروط (الولايات المتحدة) في نموذج الأنثوزوان Nematostella vectensis.

في الواقع ، على الرغم من عدم وجود العيون كتركيبات مخصصة لاستشعار الضوء ، تعتمد النيماتوستيلا على مدخلات الضوء لتعديل إيقاعات الساعة البيولوجية وسلوكيات التفريخ (12). لقد توقعنا أنه إذا تعلمت الحيوانات الارتباط بين كلا المنبهين ، فإنها ستظهر استجابة مشروطة (أي تراجع الجسم) ، تحسبًا للصدمة ، عند تحفيزها بالضوء (CS وحده) بعد التكييف.

نتائج

بصفتنا الولايات المتحدة البغيضة ، قمنا بتوصيل صدمة كهربائية (ES) ذات سعة صغيرة (6 فولت) للحيوانات دون لمسها مباشرة ، باستخدام زوج من الإبر المتصلة بمصدر طاقة (التفاصيل في SI Appendix). عند وضعها لفترة قصيرة (1 ثانية) حول الطرف الفموي للحيوان ، تؤدي الصدمة إلى حدوث تراجع قوي وسريع وقابل للعكس لمنطقة الفم واللوامس (الشكل 1 أ).

سجلنا في البداية استجابة الحيوانات لنبض الضوء (CS) وحده ، قبل التكييف (الاختبار القبلي في الشكل 1 ب و د). بعد ذلك ، تألف التدريب من جلسة تكييف جماعية مدتها 50 دقيقة ، حيث تم تقديم الضوء (CS) في وقت واحد مع صدمة كهربائية (الولايات المتحدة) للحالة المزدوجة أو بطريقة غير متزامنة للحالة غير المزدوجة (الشكل 1C ، التفاصيل في SI الملحق) .

بعد ذلك ، بعد 10 دقائق من نهاية بروتوكول التدريب ، تم تقييم تفاعلات الحيوانات مع CS خلال 4- دقيقة من تسجيل الفيديو ، بما في ذلك دقيقة واحدة من تطبيق CS في المنتصف (الشكل 1 ب). تم تحليل التسجيلات بشكل أعمى ، وسجل عدد الحيوانات المتراجعة يدويًا (الشكل 1 د).

كانت النسبة المئوية للحيوانات المنسحبة أعلى بأكثر من الضعف في المجموعة المزدوجة (72 بالمائة) مقارنة بالمجموعة غير المزاوجة (= 30 بالمائة ، 휒 2 =10. 897 ، P=0. 001) وأقل في مجموعات التحكم الأخرى (الاختبار القبلي=19 في المائة ، الضوء فقط=11 في المائة والصدمة فقط=8 في المائة).

للتقييم الكمي للتغييرات السلوكية الناتجة عن الاستجابة المشروطة (CR) ولرصد الاختلافات الديناميكية ، أنشأنا سير عمل تحليل آلي باستخدام برنامج تقدير الوضع DeepLabCut (13). قمنا بتتبع ثلاث نقاط على طول محور الجسم لعشرة حيوانات تم تسجيلها في وقت واحد في كل مجموعة تجريبية (الشكل 2A والملحق SI).

بعد ذلك ، قمنا بحساب التباين في طول جسم كل حيوان أثناء مرحلة الاختبار: قبل تطبيق CS وأثناءه وبعده. كشفت ملاحظاتنا أن الحيوانات التي خضعت للتكييف المزدوج تراجعت أثناء تطبيق CS ، على عكس الحيوانات من المجموعة غير المزاوجة (الشكل 2 ب). بعد ذلك ، سجلنا عددًا أكبر بكثير من الحيوانات التي تراجعت أثناء تطبيق CS (الشكل 2C) في المجموعة المزدوجة (تم التراجع=49 بالمائة) مقارنة بالمجموعة غير المزاوجة ({3}} في المائة ، 휒 2 = 9. 6204، P=0. 002).

أخيرًا ، قمنا بقياس الحد الأقصى للسحب المسجل أثناء تطبيق CS في جميع الحيوانات في كلا المجموعتين ، موضحين أن الحيوانات في المجموعة المزدوجة كانت تتراجع كميًا أكثر من حيوانات التحكم غير المزاوجة (الشكل 2D ، الوسيط غير الزوجي=3.59 بالمائة ، متوسط ​​الزوج=8.30 بالمائة ، W=2 ، 620 ، P=0. 008).

مناقشة

مجتمعة ، تشير نتائجنا إلى أن شقائق النعمان البحرية يمكن أن تشكل ذكريات ترابطية في نموذج تكييف كلاسيكي ، وهي ظاهرة لم يتم الإبلاغ عنها - على حد علمنا - في الأنواع غير البياتيرية منذ نهاية القرن العشرين (8). خضعت الحيوانات للتكييف الكلاسيكي ، واستقبلت الضوء (CS) والصدمة الكهربائية (الولايات المتحدة) في وقت واحد أثناء التدريب ، وتكيفت مع سلوكها وتفاعلت مع CS وحده بعد التكييف.

من المحتمل أن يرجع الاختلاف في النسبة المئوية للحيوانات التي تتراجع بين التسجيل اليدوي (72 بالمائة ، الشكل 1 د) والتحليل الآلي (49 بالمائة ، الشكل 2 ج) إلى العتبة الثابتة عند 10 بالمائة من تقليل طول الجسم في التحليل الآلي . في الواقع ، فإن الأخير يفسر فقط تقلصات طولية واضحة ، في حين أن بعض التقلصات الدقيقة المرئية للعين المدربة قد لا يمكن تمييزها من خلال تحليل اختلاف طول الجسم فقط.

بشكل عام ، أظهرت هذه الحيوانات استجابة سلوكية مختلفة كميًا ونوعيًا مقارنة بالحيوانات الضابطة ، التي تلقت محفزات غير مقترنة (الشكلان 1 د و 2 ج و د).

علاوة على ذلك ، تسمح لنا أدوات التحكم بالضوء فقط والصدمات فقط باستبعاد التأثير المحتمل للتوعية أو التكييف الزائف الناجم عن العرض المتكرر لـ CS أو الولايات المتحدة وحدها ، على التوالي (14).

تشير ملاحظاتنا في جميع ظروف التحكم (الأشكال 1D و 2 C و D) إلى أن التأثير المحتمل لتكرار CS أو التحفيز الأمريكي محدود نوعًا ما. لذلك ، لا يفسر الاختلاف في السلوك الملاحظ في الحالة المزدوجة ويدافع بقوة عن التعلم النقابي.

في معظم الكائنات الحية النموذجية ، تم تحديد الدوائر العصبية المحددة والآليات الجزيئية المسؤولة عن أشكال معينة من الذكريات. يبدو أنها محفوظة بشكل ملحوظ في bilaterians (7) ، مما يثير التساؤل عما إذا كانوا موجودين أيضًا في الكائنات المجوفة. على وجه الخصوص ، لا يزال هناك نقاش حول وجود النواقل العصبية أو المعدلات العصبية الكلاسيكية ودورها المحتمل ، مثل السيروتونين والدوبامين (15).

وبالمثل ، لا يزال دور الأدينوزين أحادي الفوسفات الدوري ومؤثراته النهائية مثل بروتين كيناز A (PKA) أو بروتين رابط عنصر استجابة cAMP (CREB) نقطة حاسمة يجب توضيحها. على العكس من ذلك ، من الممكن أيضًا أن يكون التعلم النقابي قد تطور بشكل مستقل في الكائنات المجوفة ويعتمد على آليات مختلفة (16).

أخيرًا ، يمكن اعتبار التعلم في الكائنات المجوفة مثالًا مقنعًا على "الإدراك المتجسد" ، أي الإدراك بدون دماغ مركزي (1 ، 3 ، 4) ، ويثير أسئلة رائعة حول معالجة وتخزين واستدعاء الارتباطات المكتسبة في هذه الحيوانات.

المواد والأساليب

تم الاحتفاظ بالحيوانات غير المصنفة من ذكور وإناث الحيوانات عند درجة 19 ، وتم اتباع دورة ضوئية 12:12. لتجارب التعلم ، تم نقل 10 أو 18 حيوانًا لكل مجموعة (للتجارب الآلية أو التي تم تحليلها يدويًا ، على التوالي) في الصباح إلى أطباق بتري مربعة في غرفة محفوظة عند درجة 19.

تم تكييف أربع مجموعات من الحيوانات / الأطباق واختبارها في وقت واحد لكل تجربة: إما مجموعة / حالة واحدة ، على سبيل المثال ، مجموعات مزدوجة ، غير مقترنة ، خفيفة فقط ، ومجموعات صدمة فقط (الشكل 1C) ، إما مجموعتان من الأزواج ومجموعتان من غير مقترن (الشكل 2). تم تتبع أجزاء جسم الحيوانات باستخدام DeepLabCut 2.2. 0. 2 (13) ، وتم تحليل البيانات في R (17).

توافر البيانات والمواد والبرامج.

جميع مواد الدراسة والبروتوكولات التفصيلية والطرق موصوفة في ملحق SI. تم إيداع البيانات والرمز في مستودع Zenodo (https://doi.org/10.5281/ zenodo.7568367) (18).

شكر وتقدير.

نشكر فابيان رينتش على ملاحظاته على الإصدارات السابقة من هذه المخطوطة والمراجعين المجهولين لتعليقاتهما المفيدة التي حسنت عملنا. نشكر أيضًا أعضاء مختبر Sprecher على المناقشات البناءة و Rudolf Rohr على مشورته بشأن تحليل البيانات. تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة NSF السويسرية لمنح IZCOZ 0_182957 لشركة SGS

مرجع

ليون ، ما هو "الحد الأدنى من الإدراك" النسخة نصف المخبوزة؟ يتكيف. Behav. 28 ، 407-424 (2020).

2. AB Barron et al. ، تبني تعريفات متعددة للتعلم. الاتجاهات العصبية. 38 ، 405-407 (2015).

3. FA Keijzer ، التقارب التطوري والإدراك المتجسد بيولوجيًا. واجهة التركيز 7 ، 20160123 (2017).

4. بي ليون ، إف كيجزر ، د. أرندت ، إم. ليفين ، إعادة صياغة الإدراك: العودة إلى الأساسيات البيولوجية. فيلوس. عبر. R. Soc. ب بيول. علوم. 376 ، 20190750 (2021).

5. إس جيه جيرشمان ، بي بالبي ، سي آر جاليستل ، جوناواردينا ، إعادة النظر في الأدلة الخاصة بالتعلم في الخلايا المفردة. إلييف 10 ، إي 61907 (2021).

6. A. Dussutour ، التعلم في الكائنات وحيدة الخلية. بيوتشيم. بيوفيز. الدقة. كومون. 564 ، 92-102 (2021).
7. ER Kandel ، Y. Dudai ، MR Mayford ، علم الأحياء الجزيئي وأنظمة الذاكرة. الخلية 157 ، 163-186 (2014).

8. K. Cheng ، التعلم في Cnidaria: مراجعة منهجية. يتعلم. Behav. 49 ، 175-189 (2021).

9. إم جي لايدن ، إف رينتش ، إي. روتنجر ، ظهور شقائق النعمان البحرية النجمية Nematostella vectensis كنظام نموذجي لدراسة التطور والتجديد: نظرة عامة على شقائق النعمان البحرية النجمة Nematostella vectensis. وايلي Interdiscip. القس ديف. بيول. 5 ، 408-428 (2016).

10. JV Haralson، CI Groff، SJ Haralson، Classic Condition in the sea anemone، Cribrina xanthogrammica. فيسيول. Behav. 15 ، 455-460 (1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com