Aprendizaje asociativo en el Cnidario Nematostella Vectensis

La capacidad de aprender y formar recuerdos permite que los animales adapten su comportamiento en función de experiencias previas. El aprendizaje asociativo, el proceso a través del cual los organismos aprenden sobre la relación entre dos eventos distintos, ha sido ampliamente estudiado en varios taxones animales. Sin embargo, la existencia del aprendizaje asociativo, antes de la aparición de los sistemas nerviosos centralizados en los animales bilaterales, sigue sin estar clara. Los cnidarios, como las anémonas de mar o las medusas, poseen una red nerviosa que carece de centralización.

Cuando necesitamos concentrarnos, nuestro sistema nervioso de concentración coordina la red de neuronas en el cerebro para que estemos más enfocados y concentrados. Este estado de concentración conduce a nuestras diversas actividades en el estudio, el trabajo y la vida.

Y la memoria es una parte muy importante de nuestra función cerebral, involucra nuestra capacidad cognitiva, la eficiencia de aprendizaje y la velocidad de procesamiento de la información. Cuando aprendemos nuevos conocimientos o realizamos tareas laborales, necesitamos mucho apoyo de la memoria para que podamos completar las tareas de manera más eficiente.

Por tanto, si queremos mejorar nuestra memoria, primero debemos centrarnos en nuestro sistema nervioso central. Enfocar el sistema nervioso a través del entrenamiento y el ejercicio puede mejorar nuestra capacidad de pensamiento y eficiencia en el trabajo, y mejorar nuestra capacidad de aprendizaje y memoria.

Específicamente, el sistema nervioso puede entrenarse y ejercitarse: manteniendo un estilo de vida saludable, como una dieta balanceada, ejercicio moderado y buen sueño; usar métodos de entrenamiento de atención plena, como la meditación, el trabajo/descanso regular y la planificación personal, etc.; guíe las emociones y las emociones, aprenda a lidiar activamente con el estrés y las malas emociones, y mantenga una mentalidad equilibrada.

Al final, nuestro arduo trabajo se cambiará por una capacidad de aprendizaje y memoria más rápida y eficiente, para convertirnos en una mejor versión de nosotros mismos. Se puede ver que necesitamos mejorar nuestra memoria. Cistanche puede mejorar significativamente la memoria porque Cistanche es un material medicinal chino tradicional con muchos efectos únicos, uno de los cuales es mejorar la memoria. La eficacia de la carne picada proviene de una variedad de ingredientes activos que contiene, que incluyen ácido carboxílico, polisacáridos, flavonoides, etc. Estos ingredientes pueden promover la salud del cerebro a través de varios canales.

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Como grupo hermano de los bilaterales, son particularmente adecuados para estudiar la evolución de las funciones del sistema nervioso. Aquí, investigamos la capacidad de la anémona de mar estrella Nematostella vectensis para formar recuerdos asociativos mediante el uso de un enfoque de condicionamiento clásico.

Desarrollamos un protocolo que combina la luz como estímulo condicionado con una descarga eléctrica como estímulo incondicionado aversivo. Después de un entrenamiento repetitivo, los animales exhibieron una respuesta condicionada a la luz, lo que indica que aprendieron la asociación.

Por el contrario, todas las condiciones de control no formaron memorias asociativas. Además de arrojar luz sobre un aspecto del comportamiento de los cnidarios, estos resultados arraigan el aprendizaje asociativo antes del surgimiento de la centralización de NS en el linaje de los metazoos y plantean preguntas fundamentales sobre el origen y la evolución de la cognición en animales sin cerebro.

El aprendizaje y la memoria brindan capacidades de adaptación que permiten a los animales ajustar su comportamiento rápidamente en un entorno cambiante, en función de experiencias previas (1–4). La habituación y la sensibilización dan como resultado la modulación de la fuerza de la respuesta conductual ante la presentación repetida de un solo estímulo. En contraste, durante el aprendizaje asociativo, los organismos forman una asociación predictiva entre diferentes eventos.

El condicionamiento clásico (o pavloviano) se basa en el emparejamiento de un resultado biológicamente significativo, el estímulo incondicionado (EE), generalmente apetitivo o aversivo, con un evento inicialmente neutral, el estímulo condicionado (CE). Si bien la capacidad de los organismos unicelulares para formar memorias asociativas sigue siendo objeto de debate (5, 6), generalmente se supone que la evolución de los sistemas nerviosos (NS) proporciona la base para la formación de la memoria, basada en la modulación de la fuerza y ​​plasticidad sináptica (7) .

Sin embargo, aunque el aprendizaje asociativo se ha estudiado en numerosos filos bilaterales, los estudios sobre clados no bilaterales, como esponjas, ctenóforos, placozoos y cnidarios, siguen siendo escasos (8).

Cnidaria, el grupo hermano de Bilateria, incluye corales, medusas y anémonas de mar. Poseen neuronas, que se organizan en una red nerviosa difusa. En general, se acepta que los sistemas nerviosos cnidarios y bilaterales se originan a partir de un SN ancestral similar a una red nerviosa común (9). Hasta la fecha, solo dos estudios iniciales, que nunca se replicaron, han mostrado evidencia parcial de condicionamiento clásico en anémonas de mar (10, 11).

Tal escasez podría ser la consecuencia de resultados negativos no publicados o simplemente podría reflejar el enfoque de la comunidad científica en organismos modelo seleccionados. Por lo tanto, el estudio de los cnidarios puede responder preguntas cruciales sobre el origen evolutivo y la función del aprendizaje asociativo.

Aquí, realizamos experimentos de condicionamiento clásico aversivo pavloviano, combinando la luz como estímulo condicionado (CS) con una descarga eléctrica como estímulo incondicionado (US) en el modelo de antozoos Nematostella vectensis.

De hecho, a pesar de la ausencia de ojos como estructuras dedicadas a detectar la luz, Nematostella depende de la entrada de luz para modular los ritmos circadianos y los comportamientos de desove (12). Predijimos que si los animales aprendían la asociación entre ambos estímulos, exhibirían una respuesta condicionada (es decir, retracción del cuerpo), en anticipación del choque, cuando se los estimulaba con luz (solo CS) después del condicionamiento.

Resultados

Como US aversivo, administramos una descarga eléctrica (ES) de pequeña amplitud (6 V) a los animales sin tocarlos directamente, utilizando un par de agujas conectadas a una fuente de alimentación (detalles en el Apéndice SI). Posicionado por un corto tiempo (≃1 s) alrededor del extremo oral del animal, el choque desencadena una retracción fuerte, rápida y reversible de la región oral y los tentáculos (Fig. 1A).

Inicialmente registramos la respuesta de los animales al pulso de luz (CS) solo, antes del condicionamiento (prueba previa en la Fig. 1 B y D). Luego, el entrenamiento consistió en una sesión de acondicionamiento masivo de 50 min, donde se presentó luz (CS) simultáneamente con descarga eléctrica (US) para la condición emparejada o de forma desincronizada para la condición no emparejada (Fig. 1C, detalles en el Apéndice SI) .

Luego, 10 min después del final del protocolo de entrenamiento, se evaluaron las reacciones de los animales al CS durante una grabación de video de 4- min, que abarca 1 min de aplicación de CS en el medio (Fig. 1B). Las grabaciones se analizaron a ciegas y el número de animales que se retraían se puntuó manualmente (Fig. 1D).

El porcentaje de animales que se retrajeron fue más del doble en el grupo emparejado (72 por ciento) en comparación con el grupo no emparejado (= 30 por ciento no emparejado, 휒2 =10.897, P=0.001) y menor en los otros grupos de control (prueba previa=19 por ciento, solo luz=11 por ciento y descarga solo=8 por ciento).

Para evaluar cuantitativamente los cambios de comportamiento provocados por la respuesta condicionada (CR) y monitorear las variaciones dinámicas, establecimos un flujo de trabajo de análisis automatizado utilizando el software de estimación de pose DeepLabCut (13). Rastreamos tres puntos a lo largo del eje del cuerpo de 10 animales registrados simultáneamente en cada grupo experimental (Fig. 2A y Apéndice SI).

Luego, calculamos la variación de la longitud corporal de cada animal durante la fase de prueba: antes, durante y después de la aplicación de CS. Nuestras observaciones revelaron que los animales sujetos a condicionamiento emparejado se retraían durante la aplicación de CS, en contraste con los animales del grupo no emparejado (Fig. 2B). Luego, calificamos significativamente más animales que se retraían durante la aplicación de CS (Fig. 2C) en el grupo emparejado (retracción emparejada=49 por ciento) en comparación con el grupo no emparejado (retracción no emparejada=24 por ciento, 휒2 = 9. 6204, P= 0.002).

Finalmente, medimos la retracción máxima registrada durante la aplicación de CS en todos los animales de ambos grupos, mostrando que los animales en el grupo emparejado también se retraían cuantitativamente más que los animales de control no emparejados (Fig. 2D, mediana no emparejada=-3.59 por ciento, mediana emparejada= −8,30 por ciento, W=2,620, P=0,008).

Discusión

En conjunto, nuestros resultados sugieren que las anémonas de mar pueden formar memorias asociativas en un paradigma de condicionamiento clásico, un fenómeno no informado, hasta donde sabemos, en una especie no bilateral desde finales del siglo XX (8). Los animales sometidos al condicionamiento clásico, recibiendo simultáneamente luz (CS) y descarga eléctrica (US) durante el entrenamiento, adaptaron su comportamiento y reaccionaron solo al CS después del condicionamiento.

La diferencia en el porcentaje de animales que se retraen entre la puntuación manual (72 %, Fig. 1D) y el análisis automatizado (49 %, Fig. 2C) probablemente se deba al umbral fijado en el 10 % de reducción de la longitud corporal en el análisis automatizado. . De hecho, este último solo tiene en cuenta las contracciones longitudinales claras, mientras que algunas retracciones sutiles visibles para el ojo entrenado pueden no ser distinguibles al analizar solo la variación de la longitud del cuerpo.

En general, estos animales mostraron una respuesta conductual cuantitativa y cualitativamente diferente en comparación con los animales de control, que recibieron estímulos no apareados (Figs. 1D y 2 C y D).

Además, los controles de solo luz y solo descarga nos permiten descartar un efecto potencial de sensibilización o pseudocondicionamiento inducido por la presentación repetida de la CS o la US sola, respectivamente (14).

Nuestras observaciones en todas las condiciones de control (Figs. 1D y 2 C y D) sugieren que el efecto potencial de la estimulación repetida con CS o US es bastante limitado. Por lo tanto, no explica la diferencia en el comportamiento observado en la condición emparejada y aboga fuertemente por el aprendizaje asociativo.

En la mayoría de los organismos modelo, se han identificado circuitos neuronales definidos y mecanismos moleculares responsables de formas específicas de memoria. Parecen estar notablemente conservados dentro de los bilaterales (7), lo que plantea la cuestión de si también están presentes en los cnidarios. En particular, todavía se debate la presencia y el papel potencial de los neurotransmisores o neuromoduladores clásicos, como la serotonina y la dopamina (15).

Del mismo modo, el papel del monofosfato de adenosina cíclico y sus efectores posteriores, como la proteína quinasa A (PKA) o la proteína de unión al elemento de respuesta cAMP (CREB), sigue siendo un punto crucial por dilucidar. Por el contrario, también es posible que el aprendizaje asociativo haya evolucionado de forma independiente en los cnidarios y dependa de diferentes mecanismos (16).

Finalmente, el aprendizaje en cnidarios podría verse como un ejemplo convincente de "cognición incorporada", es decir, cognición sin un cerebro central (1, 3, 4), y plantea preguntas fascinantes sobre el procesamiento, almacenamiento y recuperación de asociaciones aprendidas en estos animales

Materiales y métodos

Se mantuvieron animales machos y hembras juveniles sin clasificar a 19 grados y se siguió un ciclo de luz de 12:12. Para los experimentos de aprendizaje, 10 o 18 animales por grupo (para experimentos automatizados o analizados manualmente, respectivamente) se transfirieron por la mañana a placas de Petri cuadradas en una habitación mantenida a 19 grados.

Cuatro grupos de animales/platos fueron acondicionados y probados simultáneamente para cada experimento: ya sea 1 grupo/condición, es decir, grupos emparejados, no emparejados, solo de luz y solo de choque (Fig. 1C), ya sea 2 grupos de emparejados y 2 grupos de no emparejado (Fig. 2). Las partes del cuerpo de los animales se rastrearon usando DeepLabCut 2.2.0.2 (13), y los datos se analizaron en R (17).

Disponibilidad de datos, materiales y software.

Todos los materiales de estudio, protocolos detallados y métodos se describen en el Apéndice SI. Los datos y el código se han depositado en un repositorio de Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.7568367) (18).

EXPRESIONES DE GRATITUD.

Agradecemos a Fabian Rentzsch por sus comentarios sobre las versiones anteriores de este manuscrito y a los dos revisores anónimos por sus útiles comentarios que mejoraron nuestro trabajo. También agradecemos a los miembros del laboratorio de Sprecher por los debates constructivos y a Rudolf Rohr por sus consejos sobre el análisis de datos. Este trabajo fue apoyado por la subvención suiza NSF IZCOZ0_182957 a SGS

Referencia

P. Lyon, ¿De qué es la "cognición mínima" la versión a medias? Adaptar. Comportamiento 28, 407–424 (2020).

2. AB Barron et al., Abrazando múltiples definiciones de aprendizaje. Tendencias Neurosci. 38, 405–407 (2015).

3. FA Keijzer, Convergencia evolutiva y cognición biológicamente incorporada. Enfoque de interfaz 7, 20160123 (2017).

4. P. Lyon, F. Keijzer, D. Arendt, M. Levin, Reformulación de la cognición: llegar a los fundamentos biológicos. Filosofía Trans. R. Soc. B Biol. ciencia 376, 20190750 (2021).

5. SJ Gershman, PE Balbi, CR Gallistel, J. Gunawardena, Reconsiderando la evidencia para el aprendizaje en células individuales. Elife 10, e61907 (2021).

6. A. Dussutour, Aprendizaje en organismos unicelulares. Bioquímica Biografía. Res. común 564, 92–102 (2021).
7. ER Kandel, Y. Dudai, MR Mayford, La biología molecular y de sistemas de la memoria. Celda 157, 163–186 (2014).

8. K. Cheng, Aprendizaje en Cnidaria: Una revisión sistemática. Aprender. Comportamiento 49, 175–189 (2021).

9. MJ Layden, F. Rentzsch, E. Röttinger, El surgimiento de la anémona de mar starlet Nematostella vectensis como sistema modelo para investigar el desarrollo y la regeneración: Descripción general de la anémona de mar starlet Nematostella vectensis. Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol. 5, 408–428 (2016).

10. JV Haralson, CI Groff, SJ Haralson, Condicionamiento clásico en la anémona de mar, Cribrina xanthogrammica. Fisiol. Comportamiento 15, 455–460 (1975).

For more information:1950477648nn@gmail.com