Drosophila Passives Vermeidungsverhalten als neues Paradigma zur Untersuchung assoziativen aversiven Lernens

Lernen und Gedächtnis ist ein evolutionär alter Anpassungsmechanismus an die Umwelt, der von Drosophila (D.) bis zum Menschen erhalten ^bleibt1. Die Fruchtfliege ist ein robuster Modellorganismus zur Untersuchung grundlegender Prinzipien des Lernens und des Gedächtnisses, da sie eine breite Palette leistungsstarker genetischer Werkzeuge zur Verfügung stellt, um intrinsische molekulare Mechanismen zu sezieren2. Die bahnbrechenden genetischen Screening-Studien, die Rutabaga3-, Amnesie4– und Dunce5-Gene identifizierten, die für Lernen und Gedächtnis entscheidend ^sind2, nutzten die olfaktorische Konditionierung, da die Fruchtfliegen auf ihren scharfen Geruchssinn angewiesen sind, um Nahrung und potenzielle Partner zu finden und Raubtiere zu ^vermeiden6.

Die olfaktorische Konditionierung ist dank der Einführung des olfaktorischen T-Labyrinths durch Tully und Quinn zu einem beliebten Paradigma geworden, um den Mechanismus des Lernens und des Gedächtnisses zu ^{untersuchen7,8}. Anschließend wurden andere Methoden zur Messung verschiedener Arten von Lernen und Gedächtnis vorgeschlagen, darunter visuelle ^{Konditionierung9}, Balzkonditionierung10, aversiver Phototaxis-Suppressionsassay11 und Wespenexpositionskonditionierung12. Die meisten dieser Assays haben jedoch ein komplexes Setup, das in einer Universitätswerkstatt speziell angefertigt oder über einen Anbieter erworben werden muss. Das hier beschriebene Paradigma basiert auf einem einfachen Verhaltenstest zur Untersuchung des aversiven assoziativen Lernens bei Fliegen, das mit wenigen verfügbaren Vorräten leicht zusammengesetzt werden kann.

Das beschriebene Paradigma entspricht dem passiven (oder hemmenden) Vermeidungsverhalten bei Labormäusen und Ratten, bei dem Tiere lernen, ein Kompartiment zu meiden, in dem sie zuvor einen elektrischen Fußschock erhalten ^haben13. Bei Muriden basiert das Verfahren auf ihrer angeborenen Vermeidung von hellem Licht und der Vorliebe für dunklere ^Bereiche14. Beim ersten Versuch wird das Tier in das helle Kompartiment gebracht, aus dem das Tier schnell austritt und in ein dunkles Kompartiment tritt, wo ein elektrischer Fußschlag abgegeben wird. In der Regel reicht ein einziger Versuch aus, um ein solides Langzeitgedächtnis zu bilden, was 24 Stunden später zu einer deutlich erhöhten Latenz führt. Die Latenz wird dann als Index für die Fähigkeit des Tieres verwendet, sich an den Zusammenhang zwischen dem aversiven Reiz und der spezifischen Umgebung zu ^erinnern15.

Diese Arbeit beschreibt ein analoges Verfahren unter Verwendung von D. als Modellsystem, das mehrere Vorteile gegenüber Nagetiermodellen bietet, darunter Kosteneffizienz, größere Stichprobengröße, das Fehlen einer regulatorischen Aufsicht und zugang zu leistungsstarken genetischen Werkzeugen16,17. Das Verfahren basiert auf einem negativen Geotaxis-Verhalten, das sich im Drang der Fliegen äußert, nach oben zu klettern, wenn sie auf einer vertikalen Fläche platziert ^werden18. Der Aufbau besteht aus zwei vertikalen Kammern. Beim ersten Versuch wird eine Fruchtfliege in ein unteres Kompartiment gelegt. Von dort aus tritt es normalerweise innerhalb von 3-15 s aus und tritt in das obere Fach, wo es einen elektrischen Schlag erhält. Während eines 1-minütigen Versuchs können einige Fliegen gelegentlich wieder in das obere Kompartiment eindringen, was zu einem zusätzlichen elektrischen Schlag führt. Während der Testphase, 24 h später, wird die Latenz deutlich erhöht. Gleichzeitig ist die Anzahl der Schocks im Vergleich zum ersten Tag verringert, was darauf hindeutet, dass Fliegen ein aversives assoziatives Gedächtnis über das obere Kompartiment gebildet haben. Die Latenz, die Anzahl der Schocks sowie die Dauer und Häufigkeit der Pflegeanfälle werden dann verwendet, um das Verhalten des Tieres und die Fähigkeit zu analysieren, die Assoziation zwischen dem aversiven Reiz und der spezifischen Umgebung zu bilden und sich daran zu erinnern. Die repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass die Exposition gegenüber der westlichen Ernährung (WD) das passive Vermeidungsverhalten bei männlichen Fliegen signifikant beeinträchtigt, was darauf hindeutet, dass die WD das Verhalten und die Kognition der Fliege tiefgreifend beeinflusst. Umgekehrt linderte die Flugübung den negativen Effekt der WD und verbesserte das passive Vermeidungsverhalten.