Drosophila İlişkisel Aversive Öğrenmeyi İncelemek İçin Yeni Bir Paradigma Olarak Pasif Kaçınma Davranışı
Summary
Bu çalışma, yetişkin meyve sineklerinde aversif ilişkilendirilebilir öğrenmenin analizine izin veren basit bir davranış paradigmasını açıklar. Yöntem, belirli bir çevresel bağlam ile elektrik çarpması arasında oluşan ilişki nedeniyle doğuştan gelen negatif jeotaksi davranışını bastırmaya dayanır.
Abstract
Bu protokol, yetişkin sineklerde (Drosophila melanogaster) aversif ilişkilendirilebilir öğrenmeyi analiz etmek için yeni bir paradigmayı açıklar. Paradigma, hayvanların daha önce elektrik şoku aldıkları bir bölmeden kaçınmayı öğrendikleri laboratuvar kemirgenlerindeki pasif kaçınma davranışına benzer. Test, dikey bir yüzeye yerleştirildiklerinde tırmanma dürtüsü olarak ortaya çıkan sineklerdeki negatif jeotaksiden yararlanır. Kurulum dikey olarak yönlendirilmiş üst ve alt bölmelerden oluşur. İlk denemede, bir sinek genellikle 3-15 s içinde çıktığı yerden bir alt bölmeye yerleştirilir ve elektrik çarpması aldığı üst bölmeye adım atar. İkinci deneme sırasında, 24 saat sonra, gecikme süresi önemli ölçüde artar. Aynı zamanda, şokların sayısı ilk denemeye kıyasla azalır, bu da sineklerin üst bölme hakkında uzun süreli bellek oluşturduğunu gösterir. Gecikme sürelerinin kayıtları ve şok sayısı bir çetele sayacı ve kronometre ile veya Arduino tabanlı basit bir cihazla gerçekleştirilebilir. Tahlillerin nasıl kullanılabileceğini göstermek için, D. melanogaster ve D. simulans erkek ve dişi pasif kaçınma davranışı burada karakterize edildi. Gecikme süreleri ve şok sayısının karşılaştırılması, hem D. melanogaster hem de D. simulans sineklerinin pasif kaçınma davranışını verimli bir şekilde öğrendiğini ortaya koydu. Erkek ve dişi sinekler arasında istatistiksel bir fark gözlenmedi. Bununla birlikte, erkekler ilk denemede üst bölmeye girerken biraz daha hızlıydı, dişiler ise her tutma denemesinde biraz daha yüksek sayıda şok aldı. Batı diyeti (WD) erkek sineklerde öğrenme ve hafızayı önemli ölçüde bozarken, uçuş egzersizi bu etkiyi dengeledi. Birlikte ele alındığında, sineklerdeki pasif kaçınma davranışı, temel öğrenme ve hafıza mekanizmalarını incelemek için kullanılabilecek basit ve tekrarlanabilir bir test sunar.
Introduction
Öğrenme ve hafıza, Drosophila’dan (D.) insana korunmuş, evrimsel olarak eski bir çevreye adaptasyon mekanizmasıdır1. Meyve sineği, içsel moleküler mekanizmaları incelemek için çok çeşitli güçlü genetik araçlar sunduğu için öğrenmenin ve belleğin temel ilkelerini incelemek için sağlam bir model organizmadır2. Rutabaga3, amnesiac4 ve öğrenme ve hafıza için kritik olan dunce5 genlerini tanımlayan öncü genetik tarama çalışmaları2, meyve sinekleri yiyecek, potansiyel eş bulmak ve avcılardan kaçınmak için keskin koku alma duyularına güvendikleri için koku şartlandırmadan yararlandı6.
Koku şartlandırma, Tully ve Quinn7,8 tarafından koku T labirentinin tanıtılması sayesinde öğrenme ve hafıza mekanizmasını incelemek için popüler bir paradigma haline gelmiştir. Daha sonra, görsel koşullandırma9, kur şartlandırma10, aversif fototaksi bastırma tahlil11 ve yabanağ maruz kalma koşullandırması12 dahil olmak üzere çeşitli öğrenme ve hafıza türlerini ölçmek için başka yöntemler önerilmiştir. Ancak, bu tahlillerin çoğu, bir üniversite atölyesinde özel olarak inşa edilmesi veya bir satıcı aracılığıyla satın alınması gereken karmaşık bir kuruluma sahiptir. Burada açıklanan paradigma, sineklerde aversif ilişkilendirilebilir öğrenmeyi incelemek için basit bir davranışsal teste dayanmaktadır ve bu da mevcut birkaç malzemeyle kolayca bir araya getirilebilir.
Açıklanan paradigma, hayvanların daha önce elektrikli ayak şoku aldıkları bir bölmeden kaçınmayı öğrendikleri laboratuvar farelerinde ve sıçanlarda pasif (veya inhibitör) kaçınma davranışına eşdeğerdir13. Muridlerde, prosedür parlak ışıktan doğuştan kaçınmalarına ve daha koyu alanlar için tercihlerine dayanır14. İlk denemede, hayvan, hayvanın hızla çıktığı parlak bölmeye yerleştirilir, elektrik ayak şokunun verildiği karanlık bir bölmeye adım atarak. Genellikle, tek bir deneme sağlam bir uzun süreli bellek oluşturmak için yeterlidir, bu da 24 saat sonra önemli ölçüde gecikme süresine neden olan. Gecikme daha sonra hayvanın aversif uyaran ve belirli ortam arasındaki ilişkiyi hatırlama yeteneğinin bir indeksi olarak kullanılır15.
Bu çalışma, D.’yi maliyet etkinliği, daha büyük numune boyutu, düzenleyici gözetimin olmaması ve güçlü genetik araçlara erişim dahil olmak üzere kemirgen modellerine göre çeşitli avantajlar sunan bir model sistemi olarak kullanan benzer bir prosedürü açıklar16,17. Prosedür, sineklerin dikey bir yüzeye yerleştirildiklerinde tırmanma dürtüsüyle kendini gösteren negatif jeotaksi davranışına dayanmaktadır18. Kurulum iki dikey bölmeden oluşur. İlk denemede, bir meyve sineği alt bölmeye yerleştirilir. Oradan, genellikle 3-15 s içinde çıkar ve elektrik çarpması aldığı üst bölmeye adımını atlar. 1 dakikalık bir deneme sırasında, bazı sinekler zaman zaman üst bölmeye tekrar girebilir ve bu da ek bir elektrik çarpmasına neden olabilir. Test aşamasında, 24 saat sonra, gecikme süresi önemli ölçüde artar. Aynı zamanda, sineklerin üst bölme hakkında aversif ilişkilendirilebilir bellek oluşturduğunu gösteren ilk güne kıyasla şok sayısı azalır. Gecikme süresi, şok sayısı ve tımar nöbetlerinin süresi ve sıklığı daha sonra hayvan davranışını ve aversif uyaran ile belirli ortam arasındaki ilişkiyi oluşturma ve hatırlama yeteneğini analiz etmek için kullanılır. Temsili sonuçlar, Batı diyetine (WD) maruz kalmanın erkek sineklerde pasif kaçınma davranışını önemli ölçüde bozdığını ortaya koymaktadır ve WD’nin sineğin davranışını ve bilişini derinden etkilediğini göstermektedir. Tersine, uçuş egzersizi WD’nin olumsuz etkisini hafifletti ve pasif kaçınma davranışını geliştirdi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tehdit edici uyaranlardan kaçınmak, C. zarafetinden human32’ye kadar çeşitli türlerde uyarlanabilir davranışın önemli bir özelliğidir. Tipik olarak aversif bir olayın kaçmasını gerektiren kaçınma öğrenme prosedürleri, 1970’lerin 32’sinden bu yana laboratuvar kemirgenlerinde öğrenme ve hafıza süreçlerini araştırmak için yaygın olarak kullanılan davranışsal görevlerdir. Aktif kaçınma prosedürlerinde, kayıts…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NIH R15ES029673 (AKM) tarafından parça parça desteklendi.
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).
