התניה קלאסית חזותי של נמלות עץ
Summary
אנו מציגים פרוטוקול על התניה קלאסית של נמלים מרוסן, המתיר חוקרים ללמוד צורה למידה וזיכרון חזותיים ברמה של ניתוח לא ניתן לנוע בחופשיות יחידים.
Abstract
כמה מינים של חרקים הפכו דגם מערכות לימוד היווצרות בלמידה ובזיכרון. למרות מחקרים רבים מתמקדים לנוע בחופשיות חיות, מחקרים יישום פרדיגמות התניה קלאסית עם חרקים מרוסן היה חשוב עבור חוקרים הותאם בדיוק אנשים ללמוד ואת המנגנונים העצביים העומדים בבסיס הלמידה, היווצרות הזיכרון. כאן אנו מציגים פרוטוקול לעירור associative חזותי, בלמידה נמלות עץ באמצעות התניה קלאסית. בפרדיגמה זו, נמלים רתום, מוצג רמז חזותי (קרטון כחול), הגירוי המותנה (CS), יחד עם פרס סוכר התיאבון, הגירוי ללא תנאים (ארה ב). נמלים לבצע שתחת הרחבת הלסת העליונה-ליפ קונטור (מאלר), התגובה ללא תנאים (UR), אשר יכול לשמש readout ללמידה. ההכשרה כוללת 10 ניסויים, מופרדים על-ידי מרווח intertrial 5 דקות (האם). נמלים נבדקים גם עבור שימור זיכרון 10 דקות או שעה אחרי האימונים. פרוטוקול זה יש הפוטנציאל לאפשר לחוקרים לנתח, באופן מבוקר ומדויק, הפרטים של היווצרות הזיכרון החזותי ו הבסיס העצבי של למידה וזיכרון -צורה נמלות עץ.
Introduction
חרקים בהרחבה שימשו כמודלים ללמוד היווצרות של למידה וזיכרון –1. וריד מוצלח במיוחד של מחקר כרוך באמצעות התניה קלאסית של ריסון בעלי חיים, המאפשר שליטה מדויקת רמזים להיות למד, שמקנה לחוקרים לחקור את המנגנונים העצביים לגורם המרכזי עליו מושתתת בלמידה ובזיכרון. הרוב המכריע של המחקרים התמקדו התניה קלאסית התיאבון העובדים הונאיבי, בומבוס. העובדים הונאיבי מאומנים כדי לשייך של CS האמריקני שמזכירה את UR. בפרדיגמה זו, פותח במקור על ידי טקדה2 ו ביטרמן. et al. 3, UR הוא רפלקס הרחבת חוטם (פי), ארה ב הוא סוכר ו CS הוא ריח. דבורים ללמוד את הקשר בין הפקולטה למדעי המחשב לבין ארה ב והוא יכול ליצור זיכרון לטווח ארוך של עמותה זו.
הדפוס המקורי באמצעות על פי כמו UR שימש כדי לפענח את המסלולים העצביים לגורם המרכזי עליו מושתתת למידה חוש הריח דבורים4. שונתה במספר דרכים כדי לבדוק למידה של חושי גירויים שונים, כולל גירויים חזותיים5,6,7, לשלב aversive למידה באמצעות דיכוי של פי8 או הסיומת עוקץ רפלקס (SER)9 של UR, וגם לבדוק למידה מינים אחרים, כגון דבורים10 וזבובי פירות11. למרות היווצרות הזיכרון בכמה מאופנויות החוש נחקרה באמצעות התניה קלאסית, חזותי למידה קשה להתבונן שימוש בגישה זו גם במין זה להציג רמה גבוהה של יכולת למידה חזותית במהלך שיחור מזון, כגון דבורי הדבש.
מחקרים שנעשו לאחרונה החלת בגישה דומה חרקים שאין פרובוסיס, כמו ארבה, אשר מבצעים את התגובה הפתיחה משוש (POR)12, נמלים, אשר מבצעות את רפלקס הרחבת הלסת העליונה-ליפ קונטור (מאלר)13. זה כבר גילה יכולות ספציפיות שלב למידה התואמים את אסטרטגיות ספציפיות שלב האכלה של שני פנוטיפים שונים ארבה המדבר, חברותי את הטפסים solitarious מחדש לאכוף את הרעיון כי היווצרות הזיכרון צריך להתאים לצרכים אקולוגיים14. יתר על כן, מחקרים על חוש הריח בלמידה נמלים הראו קווי דמיון בין נמלים דבורי הדבש היווצרות הזיכרון ואת השמירה, עם שמירת זיכרון לטווח ארוך, 72 שעות לאחר הכשרה, להיות תלויים סינתזת חלבון15.
עיבודים אלה של הפרדיגמה המקוריים אפשרו היווצרות למידה וזיכרון שילמדו עם שיטות רבות, במין מודל מספר. זה חיוני עבור זיהוי מנגנוני הזיכרון המשותף היווצרות החרקים אלא גם עבור זיהוי הבדלים המשקפים את האקולוגיה מסוים של למידה וזיכרון מינים שונים. המטרה העיקרית של פרוטוקול שנתאר כאן היא לספק דרך לביצוע ניסויים התניה קלאסית באמצעות גירוי המותנה החזותיים עם זן נמלה נרחב למד, פורמייקה רופה. זה מונפק מן המחקר שלנו של למידה חזותית נמלות עץ16, שזה גם עיבוד של התניה קלאסית חזותי פרדיגמות.
Protocol
Representative Results
Discussion
התניה קלאסית היא אחת ביותר ומבוססת הפארדיגמות ללמוד למידה וזיכרון. פרוטוקול שהצגנו כאן הוא עיבוד של הפרדיגמה מיועד דבש דבורים עובדים2,3 , שלאחר מכן היה עם מספר מינים אחרים, כגון דבורים גדולות, זבובי פירות, אשר להשתמש לכל גם הבדיקה למידה10 ,11, ארבה, נמלים, אשר השתמש POR מאלר, בהתאמה12,13. באמצעות פרוטוקול זה, זה אפשרי לאמן מרוסן נמלות עץ כדי ללמוד את הקשר בין רמז חזותי לבין פרס סוכר ולנתח השמירה של הזה קצר – (10 דקות), התיכון-טווח (1 שעה) זיכרון16.
בניסוי התנהגותי כלשהו, יש צורך לקחת בחשבון שלבים קריטיים שיכולות למזער ההשתנות בתגובות החיה. בפרוטוקול המובאת כאן, נלקחים מספר אמצעים כדי למזער את השתנות לפני ובמהלך האימונים. לפני תחילת הניסויים, המושבה זקוקה לרעוב במשך לפחות יומיים ונבחר נמלים צריך להיות מבוסס על נכונותם ולאכול טיפה סוכר בתיבת אחזקות. בחירת נמלים בדרך זו נועדה להגדיל את הסיכוי של נמלים הדרכה המהווים מוטיבציה כדי להאכיל. זהירות על טיפול זה גם שיקול חשוב כי זה יכול לעזור להפחית את רמות הלחץ, אשר משבשת למידה אם זה אינטנסיבי גם21. לשם כך, צריך עכשיו נמלים עם הקור נשאר ללא תנועה בזמן להיות רתום, כי כל תנועה (עבור בריחה) במהלך הליך זה יכול להיות מקור של מתח. יתר על כן, הקשר בין הנמלים את השעווה צריך להיות מינימלי, נמנע מקשר בין מחושיהם לבין חם שעווה או חוט, אשר יכול לגרום לנזק. למרות שיש מקרים אלה לא נותחו רשמית, נראה מחושיהם להעביר עם דפוס מסוים במהלך הלמידה.
במהלך הניסויים, משלוח זהיר של הסוכר חשוב גם לשמור על נמלים מוטיבציה. שוב, בזמן זה שלא נותחה באופן רשמי, אספקת מזון גס דומה לגרום ללחץ נוסף לך אל הנמלה, אשר בתורו הוביל חוסר מוטיבציה ולמידה. יתר על כן, סוכרוז יועברו במהלך ההכשרה צריכה להיות של ריכוז מופחתת (200 גרם/ליטר) כדי להימנע satiation לפני תום תקופת ההכשרה ובדיקות. דבר זה מאפשר מאלר להיות תגובה מותנית מועמד טוב כי, יחד עם הופעה ספונטנית נמוכה של תגובה זו למחשב הסימן החזותי, זה גם לא עיתוני על ניסויים. לבסוף, בניגוד לרוב התניה קלאסית מחקרים2,3,5,6,7,8,9,10, 11 , 12 , 13, אנחנו אומנו נמלה אחת באותו הזמן עד תום הניסוי, להשאירו במקום בין ניסויים במקום להסיר אותו כדי לבדוק את נמלה אחרת. הדרכה מספר נמלים ביחד נראה כדי להפיק תוצאות יותר משתנה, אשר יכול להיות בגלל עלייה מתח ו/או קונפליקט בין מידע חזותי הנגרמת על ידי השינוי מלאה של הנוף. כדי לצמצם את משך הזמן של כל ניסוי, השתמשנו תחתום 5 דקות במקום זה 10 דקות בשימוש התניה קלאסית רוב המחקרים16. למרות כל אלה שיקולים צריך לעזור להבטיח כי הנמלים מוטיבציה להאכיל וללמוד במהלך האימון, כמה השתנות בלתי נמנע אנו ממליצים על שימוש נמלים זה נראה שיש התנהגות נורמלית, התיאבון החברתיות גפיים, למעט נמלים מניתוח הרגע שהם נכשלים ניזונים משפט הכשרה או מבחן.
הטבע של CS לא נבדקה במחקר זה. למרות השתמשנו גירוי חזותי כחול כי נמלים ה רגישים אורכי גל אלה18, צבעים אחרים אולי גם ניתן ללמוד בשיתוף עם פרס. לניסויים נוספים יידרשו לאפיין באופן מלא את הצבעים להיות ראיתי ולמדתי בבית זה. הדבר נכון גם בצורות ובגדלים שונים של הסימן החזותי. לא בדקנו אם הרזולוציה המרחבית של הנמלים יהיה מספיק להבחנה בין הגירוי החזותי הוצגו כאן המרחק בין העיניים של הנמלים שזה הוצגה. למרות עיניים מורכבות של נמלות עץ תוארו מבחינת הגודל ומספר היבטים22, לידע שלנו, שלהם והרזולוציה המרחבית לא מלא שתיארנו עדיין. עם זאת, זה חושבה על Melophorus magoti23. אפיון דומה של עץ של הנמלים, או העיניים של חרקים אחרים שנבדקו תתרום חקירה ברורה של התכונות של הישות מושג חזותי נצפתה ולמדו על ידי בעלי החיים. יתר על כן, כללנו תנועה כאשר מציגים את הגירוי החזותי אל הנמלה כי הוכח כדי לשחק תפקיד הונאיבי associative learning במהלך התניה קלאסית6. עם זאת, זה גם לא נבחנה במחקר זה, בשל אופיו תנועה שונים של חרקים לעומת הליכה חרקים טסים, ההבדלים בין התניה קלאסית הונאיבי, נמלה חזותי יכול להיות שנצפו.
בנימה סופית היינו מסוגל לבחון שמירת הזיכרון לטווח ארוך כי נמלים לא שרד להיות רתום לתקופות ארוכות כאלה אחרי האימונים. עם זאת, ערכות עוקבות של ניסויים, השארנו נמלים בחיים, מוטיבציה לאכול וללמוד כשהוא רתום והשאיר אותם לילה בסביבה חשוכים ולחים (הצבת תיבת מעליהם). לכן, ניתן להשתמש זו הפרדיגמה לפענח שמירת זיכרון לטווח ארוך של נמלות עץ, בנוסף, התיכון-זיכרון לטווח קצר.
הליך זה פשוט מ כללי התניה קלאסית פרדיגמות, זה אפשרי ללמוד את רכישת ושמירה של זיכרונות חזותיים במרוסן נמלות עץ, אשר נחקרו באופן נרחב בפרדיגמות באמצעות בעלי חיים חינם-המעבר. פרדיגמה זו יש פוטנציאל לשמש לניתוח הבסיס העצבי של למידה חזותית במודל מאוד ומבוססת על ניווט חרקים.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים טום Collett, קורנליה Buehlmann על שיתוף מידע רב ערך לגבי אוסף ותחזוקה של מושבות נמלים עץ. המחברים גם תודה ג’סטין Crevel מעיר על גירסאות קודמות של מאמר זה.
Materials
| Fluon | Blades Biological Ltd, Edenbridge, UK | ACS 109; ACS 112; ACS 114 | For preventing insects from scaping |
| Crickets | Blades Biological Ltd, Edenbridge, UK | LZJ 217 | Given to the ant colonies as protein source |
| Natural Pine Rosin/Resin | Minerals-water Ltd, Rainham, UK | 500g | Given to the ant colonies for sanitation |
| Austerlitz Insect Pin | Fine Science Tools GmbH, Heidelberg, Germany | 26000-40 | For harnessing ants |
| High speed camera | Edmund Optics Inc., Barrington, USA | eo-13122M | MaLER recordings during training and testing |
| Macrolens | Cannon, Surrey, UK | EF 100 mm f/2.8 L Macro IS USM | MaLER recordings during training and testing |
| Software | IDS Imaging Development Systems GmbH | uEye64 | MaLER recordings during training and testing |
| Blue Cardboard | john smith's at Union Store, University of Sussex | JACK-PJM41358 | Constitutes de conditional stimulus |
| Syringe | Fisher Scientific LTD, Loughborough, UK | BD Plastipak 300185case; Product Code.12369289 | US and CS (attached) presentation |
| Needle (0.5 x 16 mm) | Fisher Scientific LTD, Loughborough, UK | BD Microlance 300600; Product Code:10442204 | US and CS (attached) presentation |
References
- Chittka, L., Niven, J. Are bigger brains better?. Current Biology. 19 (21), R995-R1008 (2009).
- Takeda, K. Classical conditioned response in the honey bee. Journal of Insect Physiology. 6, 168-179 (1961).
- Bitterman, M. E., Menzel, R., Fietz, A., Schäfer, S. Classical conditioning of proboscis extension in honeybees (Apis mellifera). Journal of Comparative Psychology. 97 (2), 107-119 (1983).
- Menzel, R., Muller, U. Learning and memory in honeybees: from behavior to neural substrates. Annual Review of Neuroscience. 19 (1), 379-404 (1996).
- Hori, S., Takeuchi, H., Kubo, T. Associative learning and discrimination of motion cues in the harnessed honeybee Apis mellifera L. Journal of Comparative Physiology A. 193 (8), 825-833 (2007).
- Balamurali, G. S., Somanathan, H., De Ibarra, N. H. Motion cues improve the performance of harnessed bees in a colour learning task. Journal of Comparative Physiology A. 201 (5), 505-511 (2015).
- Mujagić, S., Würth, S. M., Hellbach, S., Dürr, V. Tactile conditioning and movement analysis of antennal sampling strategies in honey bees (Apis mellifera L). Journal of Visualized Experiments. (70), e50179 (2012).
- Wright, G., et al. Parallel reinforcement pathways for conditioned food aversions in the honeybee. Current Biology. 20 (24), 2234-2240 (2010).
- Vergoz, V., Roussel, E., Sandoz, J. C., Giurfa, M. Aversive learning in honeybees revealed by the olfactory conditioning of the sting extension reflex. PloS One. 2 (3), e288 (2007).
- Laloi, D., et al. Olfactory conditioning of the proboscis extension in bumble bees. Entomologia Experimentalis et Applicata. 90 (2), 123-129 (1999).
- Chabaud, M. A., Devaud, J. M., Pham-Delègue, M. H., Preat, T., Kaiser, L. Olfactory conditioning of proboscis activity in Drosophila melanogaster. Journal of Comparative Physiology A. 192 (12), 1335-1348 (2006).
- Simões, P., Ott, S. R., Niven, J. E. Associative olfactory learning in the desert locust, Schistocerca gregaria. Journal of Experimental Biology. 214 (15), 2495-2503 (2011).
- Guerrieri, F. J., d’Ettorre, P. Associative learning in ants: conditioning of the maxilla-labium extension response in Camponotus aethiops. Journal of Insect Physiology. 56 (1), 88-92 (2010).
- Simões, P. M., Niven, J. E., Ott, S. R. Phenotypic transformation affects associative learning in the desert locust. Current Biology. 23 (23), 2407-2412 (2013).
- Guerrieri, F. J., d’Ettorre, P., Devaud, J. M., Giurfa, M. Long-term olfactory memories are stabilised via protein synthesis in Camponotus fellah ants. Journal of Experimental Biology. 214 (19), 3300-3304 (2011).
- Fernandes, A. S. D., Buckley, C. L., Niven, J. E. Visual associative learning in wood ants. Journal of Experimental Biology. 221 (3), 173260 (2018).
- Christe, P., Oppliger, A., Bancala, F., Castella, G., Chapuisat, M. Evidence for collective medication in ants. Ecology Letters. 6 (1), 19-22 (2003).
- Aksoy, V., Camlitepe, Y. Behavioural analysis of chromatic and achromatic vision in the ant Formica cunicularia (Hymenoptera: Formicidae). Vision research. 67, 28-36 (2012).
- Bates, D. M. . lme4: Mixed-Effects Modeling with R. , (2010).
- Sokal, R. R., Rohlf, F. J. . Biometry (3rd edn). , (1995).
- Bateson, M., Desire, S., Gartside, S. E., Wright, G. A. Agitated honeybees exhibit pessimistic cognitive biases. Current Biology. 21 (12), 1070-1073 (2011).
- Perl, C. D., Niven, J. E. Differential scaling within an insect compound eye. Biology letters. 12 (3), 20160042 (2016).
- Schwarz, S., Narendra, A., Zeil, J. The properties of the visual system in the Australian desert ant Melophorus bagoti. Arthropod Structure & Development. 40 (2), 128-134 (2011).
