Aprendizagem associativa no cnidário Nematostella Vectensis

A capacidade de aprender e formar memórias permite que os animais adaptem seu comportamento com base em experiências anteriores. A aprendizagem associativa, o processo pelo qual os organismos aprendem sobre a relação entre dois eventos distintos, tem sido extensivamente estudada em vários táxons animais. No entanto, a existência de aprendizagem associativa, antes do surgimento de sistemas nervosos centralizados em animais bilaterais, permanece incerta. Cnidários, como anêmonas-do-mar ou águas-vivas, possuem uma rede nervosa, que não possui centralização.

Quando precisamos nos concentrar, nosso sistema nervoso de concentração coordena a rede de neurônios do cérebro para nos deixar mais concentrados e focados. Esse estado de concentração é propício para nossas várias atividades no estudo, no trabalho e na vida.

E a memória é uma parte muito importante de nossa função cerebral, envolve nossa capacidade cognitiva, eficiência de aprendizado e velocidade de processamento de informações. Quando aprendemos novos conhecimentos ou executamos tarefas de trabalho, precisamos de muito suporte de memória para que possamos concluir as tarefas com mais eficiência.

Portanto, se queremos melhorar nossa memória, devemos primeiro nos concentrar em nosso sistema nervoso central. Concentrar o sistema nervoso por meio de treinamento e exercícios pode melhorar nossa capacidade de raciocínio e eficiência no trabalho, além de melhorar nossa capacidade de aprendizado e memória.

Especificamente, o sistema nervoso pode ser treinado e exercitado por: manter um estilo de vida saudável, como uma dieta balanceada, exercícios moderados e bom sono; usando métodos de treinamento de atenção plena, como meditação, trabalho/descanso regular e planejamento pessoal, etc.; guie emoções e emoções, aprenda a lidar ativamente com o estresse e as emoções ruins e mantenha uma mentalidade equilibrada.

No final, nosso trabalho árduo será trocado por uma capacidade de aprendizado e memória mais rápida e eficiente, para nos tornarmos uma versão melhor de nós mesmos. Pode-se ver que precisamos melhorar nossa memória. Cistanche pode melhorar significativamente a memória porque Cistanche é um material medicinal tradicional chinês com muitos efeitos únicos, um dos quais é melhorar a memória. A eficácia da carne picada vem de uma variedade de ingredientes ativos que ela contém, incluindo ácido carboxílico, polissacarídeos, flavonóides, etc. Esses ingredientes podem promover a saúde do cérebro através de vários canais

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Como grupo irmão dos bilaterais, eles são particularmente adequados para estudar a evolução das funções do sistema nervoso. Aqui, nós investigamos a capacidade da anêmona-do-mar Nematostella vectensis de formar memórias associativas usando uma abordagem de condicionamento clássico.

Desenvolvemos um protocolo combinando luz como estímulo condicionado com choque elétrico como estímulo aversivo incondicionado. Após treinamento repetitivo, os animais exibiram uma resposta condicionada apenas à luz – indicando que aprenderam a associação.

Em contraste, todas as condições de controle não formaram memórias associativas. Além de lançar luz sobre um aspecto do comportamento dos cnidários, esses resultados enraízam o aprendizado associativo antes do surgimento da centralização NS na linhagem metazoária e levantam questões fundamentais sobre a origem e evolução da cognição em animais sem cérebro.

Aprendizagem e memória fornecem capacidades adaptativas que permitem aos animais ajustar seu comportamento rapidamente em um ambiente em mudança, com base em experiências anteriores (1-4). Habituação e sensibilização resultam na modulação da força de resposta do comportamento após a apresentação repetida de um único estímulo. Em contraste, durante o aprendizado associativo, os organismos formam uma associação preditiva entre diferentes ocorrências de eventos.

O condicionamento clássico (ou pavloviano) baseia-se no emparelhamento de um resultado biologicamente significativo, o estímulo incondicionado (US), geralmente apetitivo ou aversivo, com um evento inicialmente neutro, o estímulo condicionado (CS). Embora a capacidade dos organismos unicelulares de formar memórias associativas permaneça em debate (5, 6), é geralmente assumido que a evolução dos sistemas nervosos (SN) fornece o terreno para a formação da memória, com base na modulação da força sináptica e da plasticidade (7). .

No entanto, embora a aprendizagem associativa tenha sido estudada em numerosos filos bilaterais, estudos em clados não bilaterais, como esponjas, ctenóforos, placozoários e cnidários, permanecem escassos (8).

Cnidaria, o grupo irmão de Bilateria, inclui corais, águas-vivas e anêmonas-do-mar. Eles possuem neurônios, que são organizados em uma rede nervosa difusa. É geralmente aceito que os sistemas nervosos dos cnidários e bilaterais se originam de um NS ancestral comum semelhante a uma rede nervosa (9). Até o momento, apenas dois estudos iniciais, que nunca foram replicados, mostraram evidências parciais do condicionamento clássico em anêmonas do mar (10, 11).

Tal escassez pode ser consequência de resultados negativos não publicados ou pode simplesmente refletir o foco da comunidade científica em organismos modelo selecionados. Portanto, estudar os cnidários pode responder a questões cruciais sobre a origem evolutiva e a função do aprendizado associativo.

Aqui, realizamos experimentos de condicionamento clássico aversivo pavloviano, pareando a luz como estímulo condicionado (CS) com um choque elétrico como estímulo incondicionado (US) no modelo de antozoário Nematostella vectensis.

De fato, apesar da ausência de olhos como estruturas dedicadas a detectar a luz, Nematostella depende da entrada de luz para modular os ritmos circadianos e os comportamentos de desova (12). Previmos que, se os animais aprendessem a associação entre os dois estímulos, eles exibiriam uma resposta condicionada (ou seja, retração do corpo), em antecipação ao choque, quando estimulados com luz (somente CS) após o condicionamento.

Resultados

Como US aversivo, administramos um choque elétrico (ES) de pequena amplitude (6 V) aos animais sem tocá-los diretamente, usando um par de agulhas conectadas a uma fonte de alimentação (detalhes no Apêndice SI). Posicionado por um curto período de tempo (≃1 s) ao redor da extremidade oral do animal, o choque desencadeia uma retração forte, rápida e reversível da região oral e dos tentáculos (Fig. 1A).

Inicialmente registramos a resposta dos animais apenas ao pulso de luz (CS), antes do condicionamento (pré-teste na Fig. 1 B e D). Em seguida, o treinamento consistiu em uma sessão de condicionamento em massa de 50 min, onde luz (CS) foi apresentada simultaneamente com choque elétrico (US) para a condição pareada ou de forma dessincronizada para a condição não pareada (Fig. 1C, detalhes no Apêndice SI) .

Então, 10 min após o término do protocolo de treinamento, as reações dos animais ao CS foram avaliadas durante uma gravação de vídeo 4-min, abrangendo 1 min de aplicação do CS no meio (Fig. 1B). As gravações foram analisadas às cegas e o número de retrações dos animais foi registrado manualmente (Fig. 1D).

A porcentagem de animais retraindo foi mais de duas vezes maior no grupo pareado (72 por cento ) em comparação com o grupo não pareado (não pareado=30 por cento , 휒2 =10.897, P=0.001) e menor nos outros grupos de controle (pré-teste=19 por cento , luz apenas=11 por cento e choque apenas=8 por cento ).

Para avaliar quantitativamente as mudanças comportamentais provocadas pela resposta condicionada (CR) e monitorar as variações dinâmicas, estabelecemos um fluxo de trabalho de análise automatizada usando o software de estimativa de pose DeepLabCut (13). Nós rastreamos três pontos ao longo do eixo do corpo de 10 animais registrados simultaneamente em cada grupo experimental (Fig. 2A e SI Apêndice).

Em seguida, calculamos a variação do comprimento corporal de cada animal durante a fase de testes: antes, durante e após a aplicação do CS. Nossas observações revelaram que os animais submetidos ao condicionamento pareado retraíram durante a aplicação do CS, em contraste com os animais do grupo não pareado (Fig. 2B). Em seguida, pontuamos significativamente mais animais se retraindo durante a aplicação de CS (Fig. 2C) no grupo pareado (retração pareada=49 por cento) em comparação com o grupo não pareado (retração não pareada=24 por cento, 휒2 = 9. 6204, P=0.002).

Por fim, medimos a retração máxima registrada durante a aplicação de CS em todos os animais de ambos os grupos, mostrando que os animais do grupo pareado também estavam retraindo quantitativamente mais do que os animais de controle não pareados (Fig. 2D, mediana não pareada=−3,59 por cento, medianpaired= −8,30 percent , W=2,620, P=0,008).

Discussão

Tomados em conjunto, nossos resultados sugerem que as anêmonas do mar podem formar memórias associativas em um paradigma clássico de condicionamento, um fenômeno não relatado - até onde sabemos - em uma espécie não bilateriana desde o final do século XX (8). Animais submetidos ao condicionamento clássico, recebendo simultaneamente luz (CS) e choque elétrico (US) durante o treinamento, adaptaram seu comportamento e reagiram apenas ao CS após o condicionamento.

A diferença na porcentagem de retração dos animais entre a pontuação manual (72 por cento, Fig. 1D) e a análise automatizada (49 por cento, Fig. 2C) provavelmente se deve ao limite fixado em 10 por cento da redução do comprimento do corpo na análise automatizada . De fato, este último apenas explica contrações longitudinais claras, enquanto algumas retrações sutis visíveis ao olho treinado podem não ser distinguíveis analisando apenas a variação do comprimento do corpo.

No geral, esses animais apresentaram uma resposta comportamental quantitativa e qualitativamente diferente em relação aos animais controle, que receberam estímulos não pareados (Figs. 1D e 2 C e D).

Além disso, os controles apenas de luz e apenas de choque nos permitem descartar um efeito potencial de sensibilização ou pseudocondicionamento induzido pela apresentação repetida do CS ou US sozinho, respectivamente (14).

Nossas observações em todas as condições de controle (Figs. 1D e 2 C e D) sugerem que o efeito potencial da estimulação repetida de CS ou US é bastante limitado. Isso, portanto, não explica a diferença de comportamento observada na condição pareada e defende fortemente a aprendizagem associativa.

Na maioria dos organismos modelo, circuitos neurais definidos e mecanismos moleculares responsáveis ​​por formas específicas de memórias foram identificados. Eles parecem ser notavelmente conservados dentro dos bilaterais (7), levantando a questão de saber se eles também estão presentes nos cnidários. Em particular, a presença e o papel potencial de neurotransmissores ou neuromoduladores clássicos, como a serotonina e a dopamina, ainda são debatidos (15).

Da mesma forma, o papel do monofosfato de adenosina cíclico e seus efetores a jusante, como a proteína quinase A (PKA) ou a proteína de ligação ao elemento de resposta ao cAMP (CREB), continua sendo um ponto crucial a ser elucidado. Por outro lado, também é possível que a aprendizagem associativa tenha evoluído independentemente nos cnidários e dependa de diferentes mecanismos (16).

Finalmente, o aprendizado em cnidários pode ser visto como um exemplo convincente de "cognição incorporada", ou seja, cognição sem um cérebro central (1, 3, 4), e levanta questões fascinantes sobre o processamento, armazenamento e recordação de associações aprendidas nesses animais.

Materiais e métodos

Animais juvenis machos e fêmeas não selecionados foram mantidos a 19 graus e um ciclo de luz de 12:12 foi seguido. Para experimentos de aprendizado, 10 ou 18 animais por grupo (para experimentos automatizados ou analisados ​​manualmente, respectivamente) foram transferidos pela manhã para placas de Petri quadradas em uma sala mantida a 19 graus.

Quatro grupos de animais/pratos foram condicionados e testados simultaneamente para cada experimento: 1 grupo/condição, ou seja, grupos pareados, não pareados, somente luz e somente choque (Fig. 1C), ou 2 grupos de pareados e 2 grupos de não pareado (Fig. 2). As partes do corpo dos animais foram rastreadas usando DeepLabCut 2.2.0.2 (13), e os dados foram analisados ​​em R (17).

Disponibilidade de dados, materiais e software.

Todos os materiais de estudo, protocolos detalhados e métodos são descritos no Apêndice SI. Dados e código foram depositados em um repositório Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.7568367) (18).

AGRADECIMENTOS.

Agradecemos a Fabian Rentzsch por seu feedback sobre as versões anteriores deste manuscrito e aos dois revisores anônimos por seus comentários úteis que melhoraram nosso trabalho. Agradecemos também aos membros do laboratório Sprecher pelas discussões construtivas e a Rudolf Rohr por seus conselhos sobre análise de dados. Este trabalho foi apoiado pela concessão suíça NSF IZCOZ0_182957 para SGS

Referência

P. Lyon, Do que é "cognição mínima" a versão incompleta? Adaptar. Behav. 28, 407–424 (2020).

2. AB Barron et al., Abraçando múltiplas definições de aprendizagem. Trends Neurosci. 38, 405–407 (2015).

3. FA Keijzer, convergência evolutiva e cognição biologicamente incorporada. Interface Focus 7, 20160123 (2017).

4. P. Lyon, F. Keijzer, D. Arendt, M. Levin, Reenquadrando a cognição: Descendo aos fundamentos biológicos. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. ciência 376, 20190750 (2021).

5. SJ Gershman, PE Balbi, CR Gallistel, J. Gunawardena, Reconsiderando as evidências para o aprendizado em células individuais. Elife 10, e61907 (2021).

6. A. Dussutour, Aprendizagem em organismos unicelulares. Bioquim. Biophys. Res. Comum. 564, 92–102 (2021).
7. ER Kandel, Y. Dudai, MR Mayford, A biologia molecular e de sistemas da memória. Cela 157, 163–186 (2014).

8. K. Cheng, Learning in Cnidaria: Uma revisão sistemática. Aprender. Behav. 49, 175–189 (2021).

9. MJ Layden, F. Rentzsch, E. Röttinger, A ascensão da anêmona-do-mar estrelada Nematostella vectensis como um sistema modelo para investigar o desenvolvimento e a regeneração: Visão geral da anêmona-do-mar estrelada Nematostella vectensis. Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol. 5, 408–428 (2016).

10. JV Haralson, CI Groff, SJ Haralson, condicionamento clássico na anêmona-do-mar, Cribrina xanthogrammica. Physiol. Behav. 15, 455–460 (1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com