El tamaño del cerebelo está relacionado con la memoria del miedo y la domesticación de los pollos.

para más information:ali.ma@wecistanche.com

El tamaño del cerebelo está relacionado con el miedomemoriay domesticación de pollos

Katajamaa, Rebecca Wright, Dominic Henriksen, Rie, Jensen, Per*

Universidad de Linköping IFM-Biología 581 83 Linköping Suecia

*Autor para correspondencia:Per. jensen@liu.se

Haga clic paraBeneficios de cistanche tubulosa y efectos secundarios para la memoria

Abstracto

Red Junglefowl fue seleccionada por los niveles divergentes de miedo de los humanos durante ocho generaciones, lo que provocó que las líneas de selección difieran en los niveles de miedo, así como en las masas proporcionales del cerebro y el cerebelo. Las aves de las dos líneas se cruzaron para obtener un cruce F3 con el fin de estudiar las correlaciones entre la masa cerebral y el aprendizaje del miedo. Expusimos a 105 animales F3 individualmente a una habituación de miedo ymemoriaprueba a los ocho días de edad, donde se evaluaron las reacciones a los destellos de luz repetidos en dos días consecutivos. Después del sacrificio, se midieron los tamaños absolutos y relativos de cada una de las cuatro regiones del cerebro. Se utilizó la regresión escalonada para analizar los efectos del tamaño de cada región del cerebro en la habituación ymemoria. No hubo efectos de ninguna región del cerebro en la habituación desde el primer día. Sin embargo, las aves con un mayor tamaño absoluto de cerebelo habían reducido significativamente las reacciones a los estímulos temerosos en el segundo día, lo que indica una mejormemoriade los estímulos. Ninguna otra región tuvo efectos significativos. Concluimos que el aumento del tamaño del cerebelo puede haber sido importante para facilitar la domesticación de los pollos, lo que les permite adaptarse a una vida con humanos.

1. Introducción

Un rasgo definitorio del llamado síndrome de domesticación en animales es un tamaño reducido del cerebro en relación con la masa corporal [1]. Sin embargo, las diferentes regiones del cerebro se ven afectadas de manera diferente por la domesticación [2] y en los pollos encontramos previamente que la arquitectura genética que gobierna el tamaño de las regiones difiere, lo que permite que partes del cerebro respondan a la selección de forma independiente [3]. En línea con esto, los pollos domesticados tienen cerebros más pequeños en relación con el tamaño corporal en comparación con el ancestro salvaje, las aves rojas de la selva, mientras que el cerebelo es de hecho considerablemente más grande tanto en medidas absolutas como proporcionales [3]. En Red Junglefowl seleccionado por alto o bajo miedo a los humanos, encontramos efectos similares: después de solo unas pocas generaciones de selección, las aves domadoras tenían cerebros más pequeños en general en relación con el tamaño corporal, pero cerebelo más grande que los temerosos [4]. Esto indica que el cerebelo puede estar involucrado en el manejo de estímulos temerosos en pollos y que esto puede haber sido importante durante la domesticación cuando las aves ancestrales de la selva roja, normalmente muy tímidas, se adaptaron a una vida entre humanos.

Durante mucho tiempo se consideró que el cerebelo se ocupaba principalmente del control locomotor, pero investigaciones recientes muestran que está involucrado en una variedad de procesamiento cognitivo [5-7]. Tanto las emociones positivas como las negativas parecen ser procesadas por circuitos cerebelosos con predominio de los negativos [8]. Sin embargo, la mayor parte del conocimiento sobre la participación cerebelosa en el procesamiento emocional proviene de los mamíferos. Por ejemplo, en humanos y otros primates, está involucrado en el desarrollo cognitivo y las interacciones sociales [9], y en ratas juega un papel en el condicionamiento del miedo.memoriaconsolidación [10]. A la luz de esto, y de nuestras observaciones anteriores en pollos, por lo tanto, planteamos la hipótesis de que el tamaño del cerebelo puede estar relacionado con aspectos conductuales centrales relevantes para la domesticación, como la capacidad de habituarse a estímulos temerosos.

Aquí, estudiamos las reacciones de miedo en un cruce F3 entre red Junglefowl seleccionado para el miedo alto vs. bajo de los humanos y medimos el tamaño y la composición de sus cerebros. El objetivo era analizar cómo las aves con diferentes composiciones cerebrales habitúan y memorizan un estímulo sorprendente pero inofensivo, como medida del miedo.memoria.

2. Material y métodos

El conjunto completo de datos está disponible como material complementario electrónico (cuadro S1).

A partir de una población superada de aves de la selva roja, seleccionamos líneas separadas dependiendo de sus respuestas en una prueba estandarizada de miedo a los humanos. Los detalles sobre la cría y el alojamiento de las aves, así como el esquema de selección, se han informado anteriormente [11]. Se observó una gama de respuestas de selección correlacionadas, incluida una disminución relativa de la masa cerebral y un aumento de la masa relativa del cerebelo en la línea de bajo miedo [4].

Utilizando aves de la octava generación seleccionada, criamos un cruce cruzando dos machos y dos hembras de cada línea de selección con un diseño recíproco. En las generaciones intercruzadas F1 y F2, las aves fueron criadas aleatoriamente para generar un intercrucero F3 que consta de un total de 105 animales, constituyendo nuestra población de prueba. Se pueden encontrar más detalles sobre el esquema de cría en [12].

A los ocho días de edad, los polluelos fueron probados en habituación de miedo ymemoriaprueba, que consta de dos ocasiones de prueba intercaladas entre 24 y 28 h. En cada una de las dos ocasiones de prueba, un polluelo se colocó solo en una arena de prueba cerrada e iluminada uniformemente, que medía 25 x 25 x 30 cm. Integrado en el piso había una fuente de luz LED que emitía luz azul, y después de 30 s en la arena, los polluelos fueron expuestos a una serie de cinco breves (1 s) destellos de luz con un intervalo de 30 s en el medio. Treinta segundos después del último destello, el polluelo fue retirado y reemplazado por el siguiente animal.

Las pruebas se grabaron en video y las respuestas inmediatas de sobresalto de los polluelos a cada uno de los destellos de luz consecutivos se calificaron utilizando el software Observer (Noldus Inc) de las grabaciones de acuerdo con una escala de cinco grados, donde se registró la puntuación más baja (1) cuando no se pudo observar ninguna reacción al flash, y la más alta (5) para la reacción de miedo máximo. Para validar la puntuación, dos observadores independientes puntuaron una submuestra aleatoria (10 %) de los vídeos, y la correlación de la puntuación del observador fue rs = 0,91 (P<0.001). details="" and="" ethograms="" for="" the="" scores="" can="" be="" found="" in="">

Para obtener una medida global de la intensidad y la disminución de la respuesta al miedo, calculamos el área bajo la curva (AUC) para cada pollito en cada uno de los días de prueba. El AUC se calculó sumando las áreas bajo la curva para cada uno de los cinco intervalos de 30 s. Un AUC más bajo significa puntuaciones de reacción general más bajas.

Cuando las aves tenían 32 semanas de edad, todas fueron pesadas y sacrificadas por decapitación rápida. Los cerebros se extirparon y diseccionaron en cuatro partes de acuerdo con el protocolo utilizado por Henriksen et al [3]: hemisferios cerebrales, lóbulos ópticos, cerebelo y la parte restante que contiene, por ejemplo, tronco encefálico e hipotálamo. Inmediatamente después de la disección, cada región del cerebro se pesó por separado, y la masa húmeda se obtuvo utilizando una báscula con una precisión de 0,001 g. Investigaciones anteriores han encontrado una alta correlación entre la masa húmeda y el volumen [3].

Las masas medidas de las regiones cerebrales tenían una distribución que no se desviaba significativamente de la normalidad, según lo determinado por la inspección de las gráficas Q-Q (prueba de Shapiro-Wilks P>0.05 para todas las regiones). Para analizar la relación entre la composición cerebral y las reacciones de miedo, se realizó un análisis de regresión escalonada. El modelo consistió en AUC como respuesta e incluyó el peso corporal y el peso absoluto del cerebro total y de cada una de las cuatro regiones cerebrales. La regresión se realizó por separado para la primera y segunda ocasión de prueba.

Todas las desviaciones se dan como errores estándar de la media.

3. Resultados

Los hombres (N = 59) fueron significativamente más grandes que las mujeres (N = 46) (1087,1 ± 10,4 g frente a 791,9 ± 9,1 g; P = 0,031, prueba t), y tenían masas cerebrales absolutas más grandes (hombres: 2,77 ± 0,02 g, mujeres: 2,50 ± 0,02 g; P<0.001, t-test).="" consistent="" with="" the="" overall="" larger="" brain,="" the="" absolute="" masses="" of="" each="" of="" the="" separate="" brain="" regions="" were="" also="" significantly="" larger="" in="" males=""><0.001, t-test).="" there="" were="" no="" sex="" effects="" on="" auc="" either="" on="" the="" first="" test="" occasion="" (9.4="" ±="" 0.4="" vs="" 10.1="" ±="" 0.6;="" p="0.33," t-test),="" or="" on="" the="" second="" test="" (males:="" 8.1="" ±="" 0.4;="" females:="" 8.8="" ±="" 0.5;="" p="0.32,">

En la primera prueba de miedo, la mayoría de los polluelos reaccionaron fuertemente al primer destello de luz, y luego gradualmente mostraron una respuesta de sobresalto menos intensa a los siguientes destellos de luz (Fig. 1), consistente con una respuesta de habituación rápida. En la segunda prueba, las reacciones de sobresalto promedio fueron menos intensas ya en el primer destello de luz (Fig. 1), lo que indica que los polluelos recordaron el estímulo de la primera prueba, y nuevamente mostraron evidencia de habituación dentro de la prueba. La diferencia entre la intensidad de las reacciones se refleja en el AUC, que fue significativamente menor en la segunda ocasión de prueba (Fig. 1; t=3,45 P<0.01; paired="" sample="" t-test),="" indicating="" a="" consolidation="" of="">memoriadesde la primera prueba.

En el modelo de regresión escalonada, no se retuvieron variables como significativas para el AUC en la primera ocasión de prueba. Para la segunda prueba, el tamaño absoluto del cerebelo fue el único predictor significativo de AUC (R2 = 0,041, F = 4,25, P = 0,042), donde un cerebelo más grande se asoció con un AUC más pequeño (Fig. 2). El efecto apareció más pronunciado en varones (Fig. 2), aunque la asociación no alcanzó significación en ninguno de los sexos por separado.

4. Discusión

Encontramos que, en un cruce F3 entre aves de la selva roja seleccionadas para el miedo alto vs bajo a los humanos, las aves con un cerebelo más grande eran significativamente mejores para recordar y habituarse a un estímulo temeroso pero inofensivo. Esto indica que el tamaño del cerebelo puede haber sido un factor importante para la domesticación exitosa de los pollos.

Se ha reportado previamente un cerebelo más grande en las ponedoras de huevos domesticadas de White Leghorn en comparación con las aves ancestrales de la selva roja [3], y también en las aves de la selva roja seleccionadas para reducir el miedo a los humanos [4], lo que sugiere que el cerebelo puede tener funciones importantes en relación con la mansedumbre y la domesticación en los pollos. Nuestros resultados actuales ayudan a corroborar esto, ya que la capacidad de vivir y prosperar cerca de los humanos debe haber sido fundamental para los domesticados tempranos [13], y esto sin duda habría sido facilitado por una mayor capacidad de habituarse a estímulos inofensivos que inicialmente pueden haber sido percibidos como aterradores.

El cerebro es un órgano costoso. Para optimizar el uso de energía, los cambios adaptativos en el tamaño y la composición del cerebro, por lo tanto, han evolucionado durante la domesticación [1,2,14] [15] [16,17]. De acuerdo con la teoría del cerebro mosaico, diferentes regiones pueden evolucionar de forma independiente, como lo demuestran las diferentes arquitecturas genéticas que subyacen al tamaño y crecimiento de diferentes partes del cerebro [2,3]. El cerebelo es una parte del cerebro de los vertebrados que durante mucho tiempo se ha considerado principalmente un centro para el control locomotor, pero la investigación durante las últimas décadas ha demostrado que tiene funciones mucho más amplias. En los seres humanos, está involucrado en la cognición social y el aprendizaje [5,18] y en pollos y codornices, afecta el comportamiento reproductivo [3,6]. En ratas, el cerebelo juega un papel importante en la consolidación de los recuerdos de miedo, y nuestros resultados actuales son consistentes con esto [10].

Nuestros resultados muestran una relación significativa entre la masa cerebelosa y la habituación del miedo en pollos, pero no permiten ninguna conclusión sobre qué es lo que causa esto, y el efecto es relativamente débil con un R2 del 4,1%. El cerebelo de las aves tiene una anatomía diferente a la de los mamíferos, y su composición y conectividad difieren incluso entre razas de la misma especie [2]. Los efectos que observamos podrían, por ejemplo, ser el resultado de un mayor número de neuronas u otros tipos de células o un aumento de la densidad neuronal. La investigación futura debe centrarse en dilucidar qué aspectos del aumento de la masa subyacen a los efectos conductuales observados.

Cabe destacar que ningún otro tamaño de región del cerebro tuvo una asociación significativa con el proceso de aprendizaje medido en el presente experimento. Sin embargo, con las mediciones relativamente gruesas utilizadas, no podemos descartar la participación de otras partes del cerebro, como, por ejemplo, la amígdala o el hipotálamo, y no pudimos evaluar la conectividad entre el cerebelo y otras áreas.

Los pollos se han domesticado de las aves de la selva roja hace al menos 8000 años [19] y el antepasado en la naturaleza es extremadamente tímido y temeroso hacia los humanos [20]. Por lo tanto, un primer y necesario paso hacia una domesticación exitosa debe haber sido una reducción del miedo, y se ha sugerido que esto fue, de hecho, una fuerza impulsora importante detrás de muchos rasgos domesticados típicos [13]. En conejos, las modificaciones de la estructura cerebral durante la domesticación son consistentes con el procesamiento alterado del miedo [17] y los pollos domesticados tienen una masa cerebral reducida en general en relación con el tamaño corporal [3]. Sin embargo, en los pollos domesticados, el cerebelo constituye una mayor proporción del cerebro que en red junglefowl [3]. Los mismos efectos se observaron después de solo unas pocas generaciones de selección en red Junglefowl para reducir el miedo a los humanos: la línea de selección más domesticada desarrolló un cerebro proporcionalmente más pequeño en su conjunto y un telencéfalo proporcionalmente más pequeño, pero un cerebelo proporcionalmente más grande [4]. Esto se asoció con cambios en el miedomemoria[21]. Las diferencias observadas anteriormente entre las dos líneas seleccionadas de aves de la selva roja pueden ser causadas por muchos factores diferentes, incluida la deriva genética. Sin embargo, el enfoque F3-intercross utilizado aquí demuestra claramente una correlación genética entre la masa del cerebelo y el miedo.memoria, lo que sugiere que el tamaño del cerebelo en los pollos puede haber conferido un valor adaptativo durante la domesticación.

En conclusión, nuestros resultados muestran que la masa de cerebelo en las aves de la selva roja se asocia con una habituación más eficiente ymemoriade un estímulo temeroso pero inofensivo. A la luz de los hallazgos anteriores, que el cerebelo es más grande en los pollos domesticados, así como en las aves de la selva roja seleccionadas para reducir el miedo a los humanos, los hallazgos actuales sugieren que una masa de cerebelo más grande puede haber facilitado que las aves silvestres de la selva roja se adapten a una vida con humanos y, por lo tanto, pueden haber sido importantes para la domesticación exitosa de los pollos.

Referencias

1. Precio, E. O. 2002 Domesticación y comportamiento de los animales. Wallingford: CABI. (doi:10.1079/9780851995977.0000)

2. Rehkämper, G., Frahm, H. D. & Cnotka, J. 2008 Evolución del mosaico y alteración adaptativa del componente cerebral bajo domesticación vista en el fondo de la teoría evolutiva. Comportamiento cerebral y evolución 71, 115–126. (doi:10.1159/000111458)

3. Henriksen, R., Johnsson, M., Andersson, L., Jensen, P. & Wright, D. 2016 El cerebro domesticado: genética de la masa cerebral y la estructura cerebral en una especie aviar. Reortsp científico 6, 1–9. (doi:10.1038/srep34031)

4. Agnvall, B., Beltéky, J. & Jensen, P. 2017 El tamaño del cerebro se reduce por selección de mansedumbre en Red Junglefowl: efectos correlacionados en órganos vitales. Informes científicos 7,

3306. (doi:10.1038/s41598-017-03236-4)

5. Barton, R. A. 2012 Evolución cognitiva encarnada y el cerebelo. Philosophical Transactions of the Royal Society B 367, 2097–2107. (doi:10.1098/rstb.2012.0112)

6. Ebneter, C., Pick, J. L. & Tschirren, B. 2016 Una compensación entre la inversión reproductiva y el tamaño del cerebelo materno en un ave precocial. Cartas de Biología 12,

20160659. (doi:10.1098/rsbl.2016.0659)

7. Van Overwalle, F., D'aes, T. & Mariën, P. 2015 Cognición social y el cerebelo: un análisis de conectividad metaanalítica. Mapeo del cerebro humano 36, 5137–5154. (doi:10.1002/hbm.23002)

8. Adamaszek, M. et al. 2017 Consensus Paper: Cerebellum and Emotion. Cerebelo 16, 552-576. (doi:10.1007/s12311-016-0815-8)

9. Wang, S. S. H., Kloth, A. D. & Badura, A. 2014 El cerebelo, los períodos sensibles y el autismo. Neurona 83, 518–532.

10. Sacchetti, B., Baldi, E., Lorenzini, C. A. & Bucherelli, C. 2002 Papel cerebeloso en la consolidación del condicionamiento del miedo. Actas de la Academia Nacional de Ciencias 99, 8406–8411. (doi:10.1073/pnas.112660399)

11. Agnvall, B., Jöngren, M., Strandberg, E. & Jensen, P. 2012 Heredabilidad y correlaciones genéticas del comportamiento relacionado con el miedo en las aves de la selva roja: posibles implicaciones para la domesticación temprana. PLoS ONE 7, e35162. (doi:10.1371/journal.pone.0035162)

12. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 La mansedumbre se correlaciona con rasgos relacionados con la domesticación en un cruce de aves de la selva roja. Genes Cerebro y Comportamiento, 1–12.

(doi:10.1111/gbb.12704)

13. Agnvall, B., Beltéky, J., Katajamaa, R. & Jensen, P. 2018 ¿La evolución de la domesticación está impulsada por la mansedumbre? Una revisión selectiva con enfoque en pollos. Ciencia Aplicada del Comportamiento Animal 205, 227–233. (doi:10.1016/j.applanim.2017.09.006)

14. Ksepka, D. T. et al. 2020 Tempo y patrón de evolución del tamaño del cerebro aviar. Biología actual 30, 2026–2036.e3. (doi:10.1016/j.cub.2020.03.060)

15. Maklakov, A. A., Immler, S., Gonzalez-Voyer, A., Rönn, J. & Kolm, N. 2011 Brains and the city: big-brained passerine birds succeed in urban environments. Cartas de Biología 7, 730–732. (doi:10.1098/rsbl.2011.0341)

16. Kotrschal, A., Rogell, B., Bundsen, A., Svensson, B., Zajitschek, S., Brännström, I., Immler, S., Maklakov, A. A. & Kolm, N. 2013 La selección artificial sobre el tamaño relativo del cerebro en el Guppy revela los costos y beneficios de desarrollar un cerebro más grande. Biología actual 23, 168–171. (doi:10.1016/j.cub.2012.11.058)

17. Brusini, I. et al. 2018 Los cambios en la arquitectura del cerebro son consistentes con el procesamiento alterado del miedo en conejos domésticos. Actas de la Academia Nacional de Ciencias U.S.A. 115, 7380–7385. (doi:10.1073/pnas.1801024115)

18. Van Overwalle, F., Van de Steen, F., van Dun, K. & Heleven, E. 2020 Conectividad entre el cerebro y el cerebelo durante la secuenciación social y no social utilizando modelos causales dinámicos. Neuroimagen 206, 116326. (doi:10.1016/j.neuroimage.2019.116326)

19. Tixier- Boichard, M., Bed'hom, B. & Rognon, X. 2011 Domesticación del pollo: de la arqueología a la genómica. Comptes Rendus Biologies 334, 197–204.

(doi:10.1016/j.crvi.2010.12.012)

20. Collias, N. E. & Collias, E. C. 1996 Organización social de una gallina roja de la selva, Gallus gallus, población relacionada con la teoría de la evolución. Comportamiento animal 51, 1337-1354.

21. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 La selección para reducir el miedo en las aves rojas de la selva cambia la composición del cerebro y afecta el miedomemoria. Royal Society Open Science 7, 200628. (doi:10.1098/rsos.200628)