ذبابة الفاكهة سلوك التجنب السلبي كنموذج جديد لدراسة التعلم الترابطي المتردد
Summary
يصف هذا العمل نموذجا سلوكيا بسيطا يسمح بتحليل التعلم الترابطي المتردد في ذباب الفاكهة البالغ. تعتمد هذه الطريقة على قمع سلوك التاكسي الجغرافي السلبي الفطري بسبب الارتباط المتشكل بين سياق بيئي معين وصدمة كهربائية.
Abstract
يصف هذا البروتوكول نموذجا جديدا لتحليل التعلم الترابطي المتردد في الذباب البالغ (ذبابة الفاكهة الميلانوغاستر). يشبه هذا النموذج سلوك التجنب السلبي في القوارض المختبرية التي تتعلم فيها الحيوانات تجنب المقصورة التي تلقت فيها سابقا صدمة كهربائية. يستفيد الفحص من التاكسي الجغرافي السلبي في الذباب ، والذي يتجلى كرغبة في الصعود عند وضعها على سطح عمودي. يتكون الإعداد من مقصورات علوية وسفلية موجهة رأسيا. في التجربة الأولى ، يتم وضع ذبابة في حجرة سفلية حيث تخرج عادة في غضون 3-15 ثانية ، وتخطو إلى المقصورة العلوية حيث تتلقى صدمة كهربائية. خلال التجربة الثانية ، بعد 24 ساعة ، زاد الكمون بشكل كبير. في الوقت نفسه ، انخفض عدد الصدمات مقارنة بالتجربة الأولى ، مما يشير إلى أن الذباب شكل ذاكرة طويلة المدى حول المقصورة العلوية. يمكن إجراء تسجيلات زمن الوصول وعدد الصدمات باستخدام عداد حصيلة وساعة توقيت أو باستخدام جهاز بسيط يعتمد على Arduino. لتوضيح كيفية استخدام الفحص ، تم وصف سلوك التجنب السلبي ل D. melanogaster و D. simulans الذكور والإناث هنا. كشفت المقارنة بين زمن الوصول وعدد الصدمات أن كلا من ذباب D. melanogaster و D. simulans تعلم بكفاءة سلوك التجنب السلبي. ولم يلاحظ وجود فروق إحصائية بين ذكور وإناث الذباب. ومع ذلك ، كان الذكور أسرع قليلا أثناء دخول المقصورة العلوية في التجربة الأولى ، في حين تلقت الإناث عددا أكبر قليلا من الصدمات في كل تجربة استبقاء. النظام الغذائي الغربي (WD) أضعف بشكل كبير التعلم والذاكرة في الذباب الذكور في حين أن ممارسة الطيران موازنة هذا التأثير. إذا أخذنا سلوك التجنب السلبي في الذباب معا ، فإنه يوفر فحصا بسيطا وقابلا للتكرار يمكن استخدامه لدراسة الآليات الأساسية للتعلم والذاكرة.
Introduction
التعلم والذاكرة هما آلية تكيف قديمة تطوريا مع البيئة، محفوظة من ذبابة الفاكهة (D.) إلى الإنسان1. ذبابة الفاكهة هي كائن حي نموذجي قوي لدراسة المبادئ الأساسية للتعلم والذاكرة لأنها توفر مجموعة واسعة من الأدوات الوراثية القوية لتشريح الآليات الجزيئية الجوهرية2. استفادت دراسات الفحص الجيني الرائدة، التي حددت جينات روتاباغا3 وفقدان الذاكرة4 ودانس5 الحاسمة للتعلم والذاكرة2، من التكييف الشمي حيث يعتمد ذباب الفاكهة على حاسة الشم الشديدة للعثور على الطعام والزملاء المحتملين وتجنب الحيوانات المفترسة6.
أصبح التكييف الشمي نموذجا شائعا لدراسة آلية التعلم والذاكرة ، وذلك بفضل إدخال متاهة T الشمية بواسطة Tully و Quinn7,8. وفي وقت لاحق، تم اقتراح طرق أخرى لقياس أنواع مختلفة من التعلم والذاكرة، بما في ذلك التكييف البصري9، وتكييف الخطوبة10، وفحص قمع التاكسي الضوئي الكاره11، وتكييف التعرض للزنبور12. ومع ذلك ، فإن معظم هذه الفحوصات لها إعداد معقد يجب أن يكون مصمما خصيصا في ورشة عمل جامعية أو يتم شراؤه من خلال بائع. يعتمد النموذج الموصوف هنا على فحص سلوكي بسيط لدراسة التعلم الترابطي الكاره في الذباب الذي يمكن تجميعه بسهولة مع عدد قليل من اللوازم المتاحة.
النموذج الموصوف يعادل سلوك التجنب السلبي (أو المثبط) في الفئران والجرذان المختبرية حيث تتعلم الحيوانات تجنب المقصورة التي سبق أن تلقت فيها صدمة كهربائية في القدم13. في murids ، يعتمد الإجراء على تجنبهم الفطري للضوء الساطع وتفضيلهم للمناطق المظلمة14. في التجربة الأولى ، يتم وضع الحيوان في المقصورة الساطعة ، حيث يخرج الحيوان بسرعة ، ويخطو إلى حجرة مظلمة ، حيث يتم تسليم صدمة قدم كهربائية. عادة ما تكون تجربة واحدة كافية لتشكيل ذاكرة صلبة طويلة المدى ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في زمن الوصول بعد 24 ساعة. ثم يستخدم الكمون كمؤشر لقدرة الحيوان على تذكر الارتباط بين الحافز الكاره والبيئة المحددة15.
يصف هذا العمل إجراء مماثلا باستخدام D. كنظام نموذجي يوفر العديد من المزايا على نماذج القوارض بما في ذلك الفعالية من حيث التكلفة ، وحجم العينة الأكبر ، وغياب الرقابة التنظيمية ، والوصول إلى الأدوات الوراثية القوية16,17. ويستند هذا الإجراء إلى سلوك التاكسي الجغرافي السلبي، والذي يتجلى في رغبة الذباب في الصعود عند وضعه على سطح عمودي18. يتكون الإعداد من غرفتين عموديتين. في التجربة الأولى ، يتم وضع ذبابة الفاكهة في حجرة سفلية. من هناك ، عادة ما يخرج في غضون 3-15 ثانية ، ويخطو إلى المقصورة العلوية حيث يتلقى صدمة كهربائية. خلال تجربة 1 دقيقة ، قد يعود بعض الذباب أحيانا إلى المقصورة العلوية ، مما يؤدي إلى صدمة كهربائية إضافية. خلال مرحلة الاختبار ، بعد 24 ساعة ، يتم زيادة الكمون بشكل كبير. في الوقت نفسه ، يتم تقليل عدد الصدمات مقارنة باليوم الأول مما يشير إلى أن الذباب شكل ذاكرة ترابطية مترددة حول المقصورة العلوية. ثم يتم استخدام الكمون وعدد الصدمات ومدة وتواتر نوبات الاستمالة لتحليل سلوك الحيوان والقدرة على تشكيل وتذكر الارتباط بين الحافز المزعج والبيئة المحددة. تكشف النتائج التمثيلية أن التعرض للنظام الغذائي الغربي (WD) يضعف بشكل كبير سلوك التجنب السلبي لدى ذكور الذباب ، مما يشير إلى أن WD يؤثر بشكل عميق على سلوك الذبابة وإدراكها. على العكس من ذلك ، خفف تمرين الطيران من التأثير السلبي ل WD ، مما أدى إلى تحسين سلوك التجنب السلبي.
Protocol
Representative Results
Discussion
تجنب المحفزات المهددة هو سمة حاسمة من سمات السلوك التكيفي في مختلف الأنواع من C. الأناقة إلى الإنسان32. إجراءات التعلم التجنبي التي تنطوي عادة على الهروب من حدث متردد، هي مهام سلوكية شائعة الاستخدام للتحقيق في عمليات التعلم والذاكرة في القوارض المختبرية13 منذ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذه الدراسة في أجزاء من قبل المعاهد الوطنية للصحة R15ES029673 (AKM).
Materials
| Bloomington Formulation diet | Nutri-Fly | 66-112 | Available from Genesee Scientific Inc., San Diego, CA |
| 1000 µL Blue tip | Fisher | NC9546243 | |
| 17 x 100 mm 14 mL polypropylene culture tube | VWR | 60818-689 | |
| Aduino-based Automatic Kontrol Module | In-house | AKM-007 | This unit is optional. Complete description, schematics, wiring diagram and a code are provided at the ECU Digital Market – https://digitalmarket.ecu.edu/akmmodule |
| Dual-Display 2-Channel Digital Clock/Timer | Digi-Sense | AO-94440-10 | https://www.amazon.com/Cole-Parmer-AO-94440-10-Dual-Display-2-Channel-Jumbo-Digit/dp/B00PR0809G/ref=sr_1_5?dchild=1&keywords=Dual-Display+timer+jumbo&qid=1627660660&sr= 8-5#customerReviews |
| Electronic Finger Counter | N/A | N/A | https://www.amazon.com/gp/product/B01M8IRK6F/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&psc=1 |
| Fisherbrand Sparkleen 1 Detergent | Fisher Scientific | 04-320-4 | |
| Fly mouth aspirator | In-house | Prepared as described in reference 19. | |
| Grass S88 stimulator | N/A | N/A | Could be replaced with any stimulator which can provide described parameters |
| Kim-wipes | Fisher Scientific | 06-666 | Kimberly-Clark Professional 34120 |
| Metal block for fly immobilization | In-house | 4 x 13 x 23.5cm aluminum block | |
| Nutiva USDA Certified Organic, non-GMO, Red Palm Oil | Nutiva | N/A | https://www.amazon.com/Nutiva-Certified-Cold-Filtered-Unrefined-Ecuadorian/dp/B00JJ1E83G/ref=sxts_rp_s1_0?cv_ct_cx=Nutiva+USDA+Certified+Organic%2C+non-GMO%2C+Red+Palm+Oil&dchild=1&keywords=Nutiva+USDA+Certified+Organic%2C+non-GMO%2C+Red+Palm+Oil&pd_rd_i=B00JJ1E83G&pd_ rd_r=f35e9d2f-afe4-44b6-afc2-1c9cd705be18&pd_rd_w= R3Zb4&pd_rd_wg=eUv1m&pf_rd_ p=c6bde456-f877-4246-800f-44405f638777&pf _rd_r=M94N11RC7NH333EMJ66Y &psc=1&qid=1627661533&sr=1-1-f0029781-b79b-4b60-9cb0-eeda4dea34d6 |
| Shock tube | CelExplorer | TMA-201 | https://www.celexplorer.com/product_detail.asp?id=217&MainType=110&SubType=8 |
| Stopwatch | Accusplit | A601XLN | https://www.amazon.com/gp/product/B0007ZGZYI/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&psc=1 |
| Transparent vinyl tubing (3/4” OD, 5/8” ID) | Lowes | Avaiable from Lowes |
References
- Kandel, E. R., Dudai, Y., Mayford, M. R. The molecular and systems biology of memory. Cell. 157 (1), 163-186 (2014).
- McGuire, S. E., Deshazer, M., Davis, R. L. Thirty years of olfactory learning and memory research in Drosophila melanogaster. Progress in Neurobiology. 76 (5), 328-347 (2005).
- Livingstone, M. S., Sziber, P. P., Quinn, W. G. Loss of calcium/calmodulin responsiveness in adenylate cyclase of rutabaga, a Drosophila learning mutant. Cell. 37 (1), 205-215 (1984).
- Quinn, W. G., Sziber, P. P., Booker, R. The Drosophila memory mutant amnesiac. Nature. 277 (5693), 212-214 (1979).
- Dudai, Y., Jan, Y. N., Byers, D., Quinn, W. G., Benzer, S. dunce, a mutant of Drosophila deficient in learning. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 73 (5), 1684-1688 (1976).
- Busto, G. U., Cervantes-Sandoval, I., Davis, R. L. Olfactory learning in Drosophila. Physiology. 25 (6), 338-346 (2010).
- Tully, T., Quinn, W. G. Classical conditioning and retention in normal and mutant Drosophila melanogaster. Journal of Comparative Physiology. A: Sensory, Neural, and Behavioral Physiology. 157 (2), 263-277 (1985).
- Wright, N. J. Evolution of the techniques used in studying associative olfactory learning and memory in adult Drosophila in vivo: A historical and technical perspective. Invertebrate Neuroscience. 14 (1), 1-11 (2014).
- Vogt, K., Yarali, A., Tanimoto, H. Reversing stimulus timing in visual conditioning leads to memories with opposite valence in Drosophila. PloS One. 10 (10), 0139797 (2015).
- Koemans, T. S., et al. Drosophila courtship conditioning as a measure of learning and memory. Journal of Visualized Experiments. (124), e55808 (2017).
- Ali, Y. O., Escala, W., Ruan, K., Zhai, R. G. Assaying locomotor, learning, and memory deficits in Drosophila models of neurodegeneration. Journal of Visualized Experiments. (49), e2504 (2011).
- Bozler, J., et al. A systems level approach to temporal expression dynamics in Drosophila reveals clusters of long term memory genes. Plos Genetics. 13 (10), 1007054 (2017).
- Atucha, E., Roozendaal, B. The inhibitory avoidance discrimination task to investigate accuracy of memory. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 9, 60 (2015).
- Thiels, E., Hoffman, E. K., Gorin, M. B. A reliable behavioral assay for the assessment of sustained photophobia in mice. Current Eye Research. 33 (5), 483-491 (2008).
- Detrait, E. R., Hanon, E., Dardenne, B., Lamberty, Y. The inhibitory avoidance test optimized for discovery of cognitive enhancers. Behavior Research Methods. 41 (3), 805-811 (2009).
- Piper, M. D. W., Partridge, L. Drosophila as a model for ageing. Biochimica et Biophysica Acta – Molecular Basis of Disease. 1864 (9), 2707-2717 (2018).
- Chalmers, J., et al. A multicomponent screen for feeding behaviour and nutritional status in Drosophila to interrogate mammalian appetite-related genes. Molecular Metabolism. 43, 101127 (2021).
- Gargano, J. W., Martin, I., Bhandari, P., Grotewiel, M. S. Rapid iterative negative geotaxis (RING): a new method for assessing age-related locomotor decline in Drosophila. Experimental Gerontology. 40 (5), 386-395 (2005).
- Yang, D. Simple homemade tools to handle fruit flies-Drosophila melanogaster. Journal of Visualized Experiments. (149), e59613 (2019).
- Barradale, F., Sinha, K., Lebestky, T. Quantification of Drosophila grooming behavior. Journal of Visualized Experiments. (125), e55231 (2017).
- Denmark, A., et al. The effects of chronic social defeat stress on mouse self-grooming behavior and its patterning. Behavioural Brain Research. 208 (2), 553-559 (2010).
- Kalueff, A. V., et al. Neurobiology of rodent self-grooming and its value for translational neuroscience. Nature Reviews: Neuroscience. 17 (1), 45-59 (2016).
- Motulsky, H. . Intuitive biostatistics: A nonmathematical guide to statistical thinking. Fourth edition. , (2018).
- Qiao, B., Li, C., Allen, V. W., Shirasu-Hiza, M., Syed, S. Automated analysis of long-term grooming behavior in Drosophila using a k-nearest neighbors classifier. Elife. 7, 34497 (2018).
- Mu, M. D., et al. A limbic circuitry involved in emotional stress-induced grooming. Nature Communications. 11 (1), 2261 (2020).
- Song, C., Berridge, K. C., Kalueff, A. V. Stressing’ rodent self-grooming for neuroscience research. Nature Reviews: Neuroscience. 17 (9), 591 (2016).
- Wang, C., Chan, J. S., Ren, L., Yan, J. H. Obesity reduces cognitive and motor functions across the lifespan. Neural Plasticity. 2016, 2473081 (2016).
- Lewis, A. R., Singh, S., Youssef, F. F. Cafeteria-diet induced obesity results in impaired cognitive functioning in a rodent model. Heliyon. 5 (3), 01412 (2019).
- Yohn, S. E., Galbraith, J., Calipari, E. S., Conn, P. J. Shared behavioral and neurocircuitry disruptions in drug addiction, obesity, and binge eating disorder: Focus on Group I mGluRs in the mesolimbic dopamine pathway. ACS Chemical Neuroscience. 10 (5), 2125-2143 (2019).
- Lopez-Taboada, I., Gonzalez-Pardo, H., Conejo, N. M. Western Diet: Implications for brain function and behavior. Frontiers in Psychololgy. 11, 564413 (2020).
- Murashov, A. K., et al. Preference and detrimental effects of high fat, sugar, and salt diet in wild-caught Drosophila simulans are reversed by flight exercise. FASEB Bioadvances. 3 (1), 49-64 (2021).
- Krypotos, A. M., Effting, M., Kindt, M., Beckers, T. Avoidance learning: A review of theoretical models and recent developments. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 9, 189 (2015).
- Binder, M. D., Hirokawa, N., Windhorst, U. . Encyclopedia of Neuroscience. , 3093 (2009).
- Mery, F., Belay, A. T., So, A. K., Sokolowski, M. B., Kawecki, T. J. Natural polymorphism affecting learning and memory in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (32), 13051-13055 (2007).
- Tan, Y., Yu, D., Pletting, J., Davis, R. L. Gilgamesh is required for rutabaga-independent olfactory learning in Drosophila. Neuron. 67 (5), 810-820 (2010).
- Ögren, S. O., Stiedl, O., Stolerman, I. P. . Encyclopedia of Psychopharmacology. , 960-967 (2010).
