Een circuitmechanisme dat leren uit het verleden en de toekomst met elkaar verbindt door middel van verschuivingen in perceptie, deel 2

Het ophelderen van het controlecircuit dat de verschuiving in perceptie aandrijft

Om vervolgens de circuitmechanismen te karakteriseren die deze door leren geïnduceerde verschuiving in perceptie mediëren, hebben we de activiteit gemeten in twee interneuronen van hogere orde, cerebrale ventrale 1a (CV1a) en patroonomkerende neuron (PRN). Deze cellen zijn commando-achtige neuronen in respectievelijk de inname- en egestiecircuits en zijn, wanneer ze actief zijn, voldoende om hun respectievelijke motorprogramma's aan te sturen (16, 31). Intracellulaire opnames toonden aan dat de CV1a-activiteit 4 uur na een sterke training significant naar boven werd gereguleerd vergeleken met naïeve dieren, terwijl de PRN-activiteit aanzienlijk naar beneden werd gereguleerd (Fig. 3, A tot E).

Perceptuele verandering is een verandering in de manier van denken en een aanpassing in de mentaliteit. Het omvat bewustzijn van de omgeving, bewustzijn van de eigen identiteit, begrip van persoonlijke ervaringen en het nastreven van doelen en ambities. Perceptuele veranderingen kunnen mensen aanmoedigen om het leven positiever te benaderen en beter met uitdagingen om te gaan. En deze positieve houding en mentaliteit kan het geheugen van mensen verbeteren.

Ten eerste zorgt een verschuiving in perceptie ervoor dat mensen zich meer kunnen concentreren op de positieve kanten van hun leven. Zoals 'Op zoek naar optimistische gezichten' zegt: er zijn vaak veel positieve factoren in het leven, maar we slagen er vaak niet in om ze te ontdekken. En door veranderingen in de perceptie kunnen we ons scherper bewust zijn van deze positieve factoren en ze voldoende aandacht en belang geven. Deze optimistische factoren kunnen niet alleen ons geluk vergroten, maar ons er ook toe aanzetten de informatie in het leven beter te begrijpen, waardoor het geheugen wordt verbeterd.

Ten tweede kan perceptieverandering mensen ook helpen zichzelf beter te begrijpen, inclusief hun sterke en zwakke punten, waarden, enz. Deze verdieping van zelfbewustzijn stelt mensen in staat hun emoties en stress beter te beheersen en gemotiveerder te worden om hun doelen en verlangens na te streven. Dit soort ambitie en motivatie kan de hersenen van mensen stimuleren om creatiever en nadenkender te zijn, en hun geheugen verder verbeteren.

Ten slotte kunnen perceptuele verschuivingen er ook toe leiden dat mensen meer aandacht besteden aan hun eigen ervaringen en groei. Of het nu om succes of tegenslagen gaat, elke ervaring is een waardevol bezit. Door veranderingen in de perceptie kunnen we beter reflecteren en samenvatten, niet alleen onze groeipunten en tekortkomingen beter ontdekken, maar ook ervaringen en lessen beter absorberen en onthouden.

Kortom, een verandering in perceptie kan, ook al is het simpelweg een mentale aanpassing, een diepgaand positieve impact hebben op ons leven en leren. Met een positieve en zonnige houding kunnen we beter omgaan met uitdagingen, groei nastreven, informatie beter beheersen en inhoud onthouden. Laten we actief investeren in de transformatie van perceptie en onze groei en kwaliteit continu verbeteren. Het is duidelijk dat we ons geheugen moeten verbeteren. Cistanche deserticola kan het geheugen aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche deserticola ook de balans van neurotransmitters kan reguleren, zoals het verhogen van de niveaus van acetylcholine en groeifactoren. Deze stoffen zijn erg belangrijk voor het geheugen en het leren. Bovendien kan vlees ook de bloedstroom verbeteren en de zuurstoftoevoer bevorderen, wat ervoor kan zorgen dat de hersenen voldoende voedingsstoffen en energie krijgen, waardoor de vitaliteit en het uithoudingsvermogen van de hersenen worden verbeterd.

Klik op manieren kennen om de hersenfunctie te verbeteren

We redeneerden dat deze leergedreven antagonistische activiteitsrelatie verklaard kon worden door een gemeenschappelijk circuitmotief, namelijk een remming tussen concurrerende circuits (32). In dit scenario zou een opregulering van de activiteit in één netwerk een onderdrukking van het antagonistische netwerk tot gevolg hebben. Ter ondersteuning hiervan ontvangt CV1a grote remmende inputs gedurende de protractiefase tijdens zowel spontane als PRN-aangedreven egestiecycli (Fig. 3F). Deze remmende inputs kwamen niet rechtstreeks voort uit PRN, wat suggereert dat stroomafwaartse neuronen werden gerekruteerd.

Fig. 2. Previous learning alters the perception of future training by shifting the feeding network state. (A) Example frames showing mouth movements during ingestion or egestion. Frames are color-matched to (B) (red: ingestion, blue: egestion). White dots indicate the distal tip of the radula tracked during bite classification. Scale bar, 0.5 mm. (B) Heat plots of radula movements during the first 15 bites in response to the CS + US during weak training in animals receiving weak training only versus animals receiving vital training 4 hours earlier. Red-white-blue lookup table represents radula movements. Positive (blue) is egestion; negative (red) is ingestion. (C) Statistical summary of (B) shows a significant change in the mean difference in radula movements between conditions (two-tailed t-test, P < 0.01, t = 3.1). (D) The plot of the fraction of ingestion/egestion bites produced during weak training shows a significant difference between conditions(Fisher's exact test, P < 0.01). (E) The plot of fraction of animals performing no egestion bites versus >{{0}} egestiebeten laten een significant verschil zien tussen de omstandigheden (Fisher's exacte test, P < 0,001). (F) B11- en N2v-activiteit in een in vitro preparaat tijdens inname- en egestiecycli. B11 is voornamelijk actief in de terugtrekfase tijdens inname en de protractiefase tijdens egestie.

N2v activity does not change during ingestion and egestion cycles. B11 is therefore a readout of ingestion versus egestion. Gray lines represent the retraction phase onset. (G) Heat plots of B11 activity during fictive feeding cycles. Lookup table colors are normalized B11 spike differences. Positive (blue) is egestion; negative (red) is ingestion. (H) Statistical summary of (G) shows a significant change in the 11 spike difference between conditions (Mann-Whitney test, P < 0.01, U = 70). (I) The plotof fraction of ingestion/egestion cycles shows a significant difference between conditions (Fisher's exact test, P < 0.001). (J) The plot of the fraction of preparations producing no egestion cycles versus >{{0}} egestiecycli laten een significant verschil zien tussen de omstandigheden (Fisher's exact test, P < 0,001). h, uur.

Om vervolgens de bron van deze inputs te identificeren, hebben we uitgebreid gezocht naar een neurontype dat aan de volgende criteria zou voldoen: (i) Het zou CV1a moeten remmen wanneer het actief is, (ii) het zou actief moeten zijn tijdens de protractiefase van egestie cycli, en (iii) het moet worden opgewonden door PRN-activiteit. Met behulp van een fluorescentie-labelingsbenadering om neuronen te onthullen die uitsteken vanuit de buccale ganglia waar het grootste deel van de voedingscircuits is gehuisvest (33), identificeerden we een enkel kandidaat-neurontype, patroonschakelaar 1 (PS1) (Fig. 4A), dat aan alle drie de criteria voldeed. . Ten eerste remde kunstmatige stimulatie van PS1 monosynaptisch de ipsilaterale CV1a (Fig. 4, B en C). Ten tweede was dit neuron sterk actief tijdens de protractiefase van zowel PRN-aangedreven als stimulus-aangedreven egestiecycli (Fig. 4D en fFig.S9A) toen CV1a werd geremd. Ten derde exciteerde PRN-activiteit PS1 monosynaptisch, waargenomen als 1: 1 exciterende postsynaptische potentiëlen (EPSP's) (Fig. 4, E en F). Om vast te stellen of PS1 de enige bron van remming van CV1a was tijdens egestie-voedingsgedrag, hebben we de activiteit ervan tijdens PRN-aangedreven cycli kunstmatig gemanipuleerd. Bij hyperpolarisatie was er nu een significante toename in CV1a-activiteit (Fig. 4, G en H) zonder bewijs voor de fasisch remmende synaptische input die het normaal ontvangt. Bovendien was PS1-hyperpolarisatie ook voldoende om de CV1a-activiteit te verhogen tijdens sensorisch gestuurde egestiecycli (fig. S9B). Dit cruciale remmende neurontype fungeert dus als een schakelaar tijdens actieselectie, waardoor verstorende activering van de innamecommandocentra tijdens egestie wordt voorkomen.

Aangezien CV1a geen monosynaptische verbinding heeft met PRN, hoe zorgt het dan voor de onderdrukking van egestie wanneer het actief is? We konden deze vraag beantwoorden door de tweede component van het controlecircuit te identificeren: een buccaal interneurontype, PS2, dat sterk elektrisch gekoppeld was aan PRN en voldoende was om robuuste egestiecycli aan te sturen (fig. S9, C en D). Het krijgt een sterke faciliterende remming van CV1a en leidt dus tot de onderdrukking van de egestie wanneer er innamecycli worden gegenereerd (fig. S9, E en F). Bovendien veroorzaakte kunstmatige activering van PS2 polysynaptische remmende inputs op CV1a, die ontstonden door de monosynaptische excitatoire verbinding met PS1 (fig. S9, G en H). Samen tonen deze resultaten aan dat wederzijdse remming wordt gebruikt om de activering van competitieve circuits te voorkomen en dat dit circuitmotief een controlepunt biedt waarop plasticiteit zou kunnen inwerken (fFigS9I). Vervolgens onderzochten we de mogelijke rol van onderdrukking van het egestiecircuit bij het beïnvloeden van de perceptie van leergebeurtenissen.

Manipulatie van het perceptuele controlecircuit maakt nieuw leren in vivo mogelijk

Gegeven dat het de expressie van egestiegedrag bevordert, redeneerden we dat een vermindering van PRN → PS1-activiteit voldoende zou kunnen zijn om de perceptie van een dier over zwakke training te veranderen en zo de geheugenverwerving te verbeteren. Om dit te onderzoeken hebben we een farmacologische strategie ontwikkeld waarmee we de PRN-outputroute konden manipuleren. We hebben eerder aangetoond dat dit neuron dopaminergisch is en dat de D2-receptorblokker, sulpiride, zeer effectief is in het remmen van de werking ervan op volgmotorneuronen (16). Hier hebben we bevestigd dat de PRN → PS1-verbinding ook sulpiridegevoelig is (Fig. 5, A en B), wat een significante vermindering van de amplitude van de PRN → PS1 EPSP veroorzaakt. Vervolgens hebben we getest of het blokkeren van deze verbinding de toename in CV1a-activiteit kon nabootsen die vier uur na een krachtige training werd waargenomen. We ontdekten dat sulpiride een robuuste verhoging van de activiteit van de CV1a-cyclus veroorzaakte ten opzichte van voorbehandeling (Fig. 5, C en D), consistent met ons eerdere werk dat aantoont dat de toepassing van sulpiride de activiteit in de richting van inname-gebeurtenissen beïnvloedt (16). Sulpiride kan dus de netwerkstatus robuust veranderen en de effecten van sterke training vervangen. Als zodanig biedt dit middel de mogelijkheid om in vivo te testen of dit pad ten grondslag ligt aan de veranderde perceptie van het dier van de zwakke training. Dieren werden geïnjecteerd met sulpiride of normale zoutoplossing en ondergingen het zwakke trainingsprotocol waarbij de voedingsreacties werden gemeten zoals in figuur 2 (A en B). We ontdekten dat met sulpiride geïnjecteerde dieren significant meer innamegebeurtenissen uitvoerden als reactie op de zwakke training dan met zoutoplossing geïnjecteerde dieren (Fig. 5, E tot G), en significant meer van de met sulpiride geïnjecteerde dieren vertoonden helemaal geen egestiereacties (Fig. 5, E tot G). . 5H). Bovendien was er een significante afname van de overgangswaarschijnlijkheid tussen toestanden na sulpiride-injectie (fig. S10, A tot D). Daarom verschuiven zowel intensieve training als sulpiride-injectie de netwerkstatus in vitro en stabiliseren ze de perceptie van zwakke training in vivo.
Vervolgens hebben we getest of de door sulpiride veroorzaakte verandering in perceptie voldoende was voor het verwerven van LTM na zwakke training, zoals we hebben aangetoond in het geval van sterke training. Dieren werden geïnjecteerd met sulpiride of zoutoplossing en ondergingen vervolgens een zwakke training waarbij LTM 1 dag later werd getest. In overeenstemming met de effecten van sterke training, ontdekten we dat dieren die vóór een zwakke training met sulpiride waren geïnjecteerd, een significant grotere respons op GNL hadden vergeleken met naïeve of met zoutoplossing geïnjecteerde getrainde dieren (Fig. 5I). Bovendien verhoogde sulpiride-injectie bij afwezigheid van zwakke training de voedingsrespons op GNL niet bij testen 1 dag later (Fig. 5I). Daarom veroorzaakt het farmacologisch manipuleren van de netwerkstatus een verandering in de perceptie van de zwakke training die voldoende is voor het dier om een ​​geheugen te verwerven en volledig te consolideren.

Vervolgens onderzochten we of de geïdentificeerde door leren geïnduceerde verandering in de netwerkstatus na vitale training betrokken was bij de expressie van het oorspronkelijke sterke geheugen of dat dit een parallel proces was dat diende als doel om toekomstige leergebeurtenissen te verbeteren. Om dit te testen, injecteerden we dieren met sulpiride of zoutoplossing en registreerden we hun reactie op de sterke training CS (AA), maar zonder voorafgaande vitale training. Onze hypothese was dat als de door het leren geïnduceerde verandering in de netwerkstatus betrokken zou zijn bij de expressie van het oorspronkelijke geheugen, het voedingsgedrag als reactie op de CS (AA) die voor intensieve training wordt gebruikt, zou worden vergroot door kunstmatig dezelfde verandering in het netwerk te induceren. toestand met sulpiride, maar zonder voorafgaande essentiële training. We ontdekten echter dat sulpiride-injectie geen toename van de respons op AA veroorzaakte in vergelijking met naïeve of met zoutoplossing geïnjecteerde dieren (Fig. 5J). Hoewel de essentiële training een verschuiving in de netwerkstatus veroorzaakt, neemt deze door het leren geïnduceerde verandering dus niet actief deel aan de expressie van het sterke geheugen zelf, wat erop wijst dat er verschillende mechanismen bij betrokken zijn. Samen laten deze resultaten zien dat sterk leren parallelle veranderingen in neurale activiteit veroorzaakt: één voor de expressie van het geheugen zelf en één voor het veranderen van de perceptie van toekomstig appetijtelijk leren.

Geheugengerelateerde verschuivingen in perceptie generaliseren naar een alternatief trainingsparadigma

Welke rol speelt het hier geïdentificeerde mechanisme? Het vermogen om sterke en zwakke leergebeurtenissen met elkaar te verbinden die in de tijd nauw met elkaar verbonden zijn, suggereert dat Lymnaea dit vermogen zou kunnen gebruiken om bijvoorbeeld 'leerrijke' perioden te identificeren die verenigbaar zijn met de aankomst van het dier in een overvloedige omgeving. Als dat zo is, zouden we verwachten dat het leren generaliseert en niet afhankelijk is van dezelfde VS voor zowel de sterke als de zwakke training. Om dit belangrijke idee te testen, hebben we experimenten uitgevoerd waarbij we de sucrose US die in het zwakke trainingsprotocol werd gebruikt, vervingen door L-serine (Fig. 6A), een bekende alternatieve eetluststimulus in Lymnaea (29). Zowel de CS als de VS zijn dus verschillend in de twee verschillende trainingsparadigma's. We ontdekten dat hoewel de GNL + L-serine-koppeling alleen geen geconditioneerde respons opleverde, er een robuuste 1-daggeheugenexpressie voor GNL werd gezien als de sterke training daaraan voorafging (Fig. 6B). Geheugenexpressie is dus niet beperkt tot één US, maar kan in plaats daarvan de vorming van verschillende associaties mogelijk maken, wat suggereert dat het zeer geschikt zou zijn om een ​​algemene verlaging van de drempel voor het vormen van nieuwe herinneringen mogelijk te maken.

DISCUSSIE

Het vermogen om nieuwe associaties te leren is van cruciaal belang om te overleven in een onvoorspelbare omgeving. Gegeven dat het verwerven en consolideren van geheugen energetisch kostbare processen zijn (1, 2, 34), zijn er belangrijke potentiële voordelen verbonden aan het gebruik van strategieën die helpen bij het nemen van beslissingen over wat en wanneer te leren. Hier identificeren we een eenvoudig mechanisme in Lymnaea waarmee gebeurtenissen uit het verleden worden gebruikt om de perceptie te beïnvloeden. We laten met name ook zien dat dit mechanisme toekomstig leren kan sturen – waardoor geheugenverwerving wordt vergemakkelijkt voor associaties die voorheen genegeerd zouden worden – en we verhelderen de verantwoordelijke neurale circuits. Wij stellen voor dat dit dient om een ​​dier te waarschuwen om middelen efficiënt aan te wenden voor nieuw leren, waarbij recente ervaringen suggereren dat er een bijzonder voordeel kan zijn bij het vormen van positieve associaties.

Een belangrijk kenmerk van het mechanisme dat we toelichten is dat sterk leren parallelle processen in de hersenen initieert: één voor de expressie van het oorspronkelijke geheugen en één om de perceptie van toekomstige leergebeurtenissen te veranderen en nieuwe geheugenverwerving te vergemakkelijken. Deze lijken onafhankelijk te zijn, aangezien de verschuiving in de toestand van het neurale netwerk, gemeten na sterke training, niet voldoende is voor de expressie van het oorspronkelijke geheugen, zoals blijkt uit de afwezigheid van een vals geheugen wanneer de netwerktoestand farmacologisch wordt veranderd. Soortgelijke parallelle routes zijn geïdentificeerd in conditioneringsexperimenten bij muizen. Bij een reukdiscriminatietaak veranderde uitgebreide training bijvoorbeeld de prikkelbaarheid van piramidale neuronen in de piriforme cortex, wat samenviel met het verbeterde vermogen om nieuwe taken te leren (regelleren), maar dit correleerde niet met de expressie van het oorspronkelijke geheugen (35). , 36). Hoewel deze door leren veroorzaakte veranderingen dus geen deel uitmaken van het geheugenuitdrukkende ‘engram’, dienen ze niettemin cruciale adaptieve functies bij dieren, waardoor ze hun ervaringen uit het verleden kunnen gebruiken om hun toekomstige gedrag te sturen – een proces dat misschien wel net zo belangrijk is als herinnering. van het geheugen zelf.

Het mechanisme dat we hebben geïdentificeerd vertoont belangrijke timingkenmerken. Het maakt verbeterde leermogelijkheden mogelijk van 30 minuten tot 4 uur na een krachtige training, wat erop wijst dat nieuwe geheugenverwerving wordt vergemakkelijkt in een kritiek tijdsbestek. Geïnformeerd door ons eerdere werk, komt dit tijdsbestek overeen met de opkomst van het middellangetermijngeheugen voor sterke training en duurt het tot de opkomst van LTM (17). De expressie van dit geheugen gedurende dit tijdsbestek is afhankelijk van de eiwitsynthese, terwijl het geheugenspoor dat op een korter tijdstip van 10-min. wordt geregistreerd, dat niet is (17). Dit suggereert sterk dat de verschuiving in de netwerkstatus die in onze huidige studie is geïdentificeerd, ook afhankelijk is van de eiwitsynthese, wat de afwezigheid van een effect verklaart na 10 minuten na een sterke training. Bovendien blijft het verbeterde leervermogen op langere tijdstippen niet behouden: zwakke vorming van leergeheugen is vanaf ~6 uur afwezig, hoewel het oorspronkelijke sterke geheugen nog steeds aanwezig en uitdrukbaar is. Daarom wordt de door het leren geïnduceerde verschuiving in de netwerkstatus tijdelijk geïnduceerd en gaat deze niet langer mee dan de moleculaire mechanismen waarvan bekend is dat ze noodzakelijk zijn voor de consolidatie van het oorspronkelijke geheugen gedurende de eerste zes uur na een sterke training (37). We veronderstellen dat een permanente verschuiving in de perceptie als gevolg van geleerdheid in het verleden schadelijk kan zijn voor het dier, wat kan leiden tot energetisch kostbare en mogelijk onaangepaste herinneringen. Er is ook een vereiste voor een strikte temporele opeenvolging van sterke gevolgd door zwakke training. Dit verschilt van een eerder geïdentificeerd proces, gedragsmatige tagging (38, 39), dat de interactie en verbetering van herinneringen vergemakkelijkt op basis van synaptische tags en capture (40, 41). Tijdens gedragsmatige tagging wordt een tag die in beweging wordt gezet door een zwakke leergebeurtenis, gericht en versterkt door een sterke leergebeurtenis, ongeacht de temporele volgorde van de twee leergebeurtenissen (42, 43).

Dit belangrijke kenmerk van gedragsmatige tagging leidt tot een verandering van de herinnering aan de gebeurtenis, niet van de leergebeurtenis zelf. Daarentegen leidt de door het leren veroorzaakte verschuiving in de perceptie die we hier identificeren het dier om te beslissen over welke toekomstige gebeurtenissen hij moet leren, in plaats van welke recentelijk verworven herinneringen verder moeten worden geconsolideerd. Hoewel de twee mechanismen enkele parallellen vertonen en beide dienen om het aantal geconsolideerde langetermijnherinneringen te vergroten, functioneren ze onder verschillende omstandigheden en gebruiken ze verschillende circuitmechanismen. We laten ook zien dat de door het leren geïnduceerde verschuiving in perceptie zich generaliseert naar andere vormen van appetief leren, aangezien een tweede type training van zwakke eetlust ook kan worden versterkt door in het verleden sterk leren. Een vergelijkbare algemene verbetering van de leermogelijkheden is gevonden bij muizen, waarbij wordt gedacht dat hippocampus-afhankelijk leren van reukdiscriminatie het hippocampale netwerk in een ‘leermodus’ verandert, waardoor andere vormen van hippocampus-afhankelijk onderwijs, zoals ruimtelijk leren, worden versterkt (44). ). Het tijdsverloop en de niet-specifieke aard van het bij Lymnaea geïdentificeerde mechanisme zouden kunnen dienen om het dier te waarschuwen voor een ‘leerrijke’ periode, waardoor positieve associaties kunnen worden gemaakt met signalen die, als ze afzonderlijk worden aangetroffen, waarschijnlijk genegeerd zouden worden.

Welk mechanisme vergemakkelijkt zwakke training na sterke training? We merken op dat naïeve dieren werden blootgesteld aan de zwakke training "flip-flop", of overgang, tussen inname- en egestiegedrag, wat suggereert dat het dier een bistabiele perceptie heeft van de CS + US-stimuli tijdens de training, wat een periode van ambiguïteit vertegenwoordigt ( 45). Met name ontdekken we ook dat de sterke training de perceptie van het dier van de zwakke training vertekent en stabiliseert om het innamegedrag te bevorderen. We suggereren dat bistabiele perceptie tijdens zwakke training een opkomende eigenschap is van de relatieve activiteit van de inname- en egestiecircuits, aangezien dezelfde schakeling in vitro aanhoudt bij afwezigheid van enige externe stimulatie. Door de connectiviteit tussen de twee circuits te karakteriseren, laten we zien dat competitieve interacties het gevolg zijn van een wederzijds remmingscircuitmotief (32, 46), wat suggereert dat actieselectie waarschijnlijk wordt gegenereerd door een 'winner-takes-all'-model. Feedforward-remming van het innamecircuit voorkomt co-activering van het innamecircuit (PRN + PS2 → PS1 → CV1a), terwijl het innamecircuit direct een deel van het elektrisch gekoppelde innamecircuit (CV1a → PS2) remt (figuur 6C en figuur S9I).

Omdat beide circuits worden geïnnerveerd door dezelfde kernvoedingscentrale patroongenerator (16, 31), stellen we voor dat de cyclusexpressie wordt gedicteerd door het eerste circuit om een ​​voldoende pieksnelheidsdrempel te bereiken om de andere te remmen. Na een sterke training is er een verschuiving in de relatieve activiteit van de twee circuits en als zodanig is de expressie van innamecycli dominant (Fig. 6C). Een soortgelijk circuitmotief wordt waargenomen tijdens angstconditionering bij muizen, waarbij een van de twee onverenigbare gedragingen kan worden gegenereerd: ontsnappen of bevriezen. Leren verschuift de balans tussen twee onderling remmende klassen van neuronen in de centrale amygdala, waardoor de expressie in de richting van het ene of het andere gedrag wordt beïnvloed (47). In Lymnaea wordt de door het leren geïnduceerde verschuiving in activiteit echter niet gebruikt voor de expressie van het geheugen, maar eerder voor het faciliteren van nieuw leren (figuur 6C). We laten zien dat het farmacologisch stabiliseren van het innamecircuit door het blokkeren van de feedforward-remming van het egestiecircuit voldoende is om de perceptie van het dier van de CS + US tijdens zwakke training in vivo te veranderen. Bovendien laten we zien dat dit de verwerving van een sterk geheugen kan vervangen, waardoor de netwerkstatus kan verschuiven om nieuwe positieve associaties mogelijk te maken, wat suggereert dat geheugenvorming kan worden vergemakkelijkt door de dubbelzinnigheid tijdens een leergebeurtenis te verminderen. Eerdere studies bij mensen hebben aangetoond dat eerder leren de aandachtscontrole kan veranderen, waardoor de perceptuele gevoeligheid wordt afgestemd (3-5), en er is ook aangetoond dat aandacht een rol speelt bij perceptuele multistabiliteit (45, 48).

Hoewel in dit onderzoek alleen de perceptuele uitlezing van het dier werd gemeten, is het mogelijk dat het hier geïdentificeerde mechanisme ook een aandachtsverschuiving omvat die de perceptie van de zwakke training zou kunnen moduleren. Het feit dat de verschuiving in de netwerkstatus al aanwezig is vóór blootstelling aan de zwakke training zou erop kunnen wijzen dat er een anticiperend aandachtsmechanisme bestaat dat op zijn beurt de perceptie van toekomstige leergebeurtenissen afstemt. Als er echter sprake is van een dergelijke aandachtsverschuiving, is deze alleen in staat de perceptie te moduleren en dus nieuwe geheugenvorming te verbeteren vanaf ongeveer 30 minuten na de krachtige training.

Waarom vergemakkelijkt de stabilisatie van het netwerk ten aanzien van opnamegebeurtenissen zwakke training? Een eenvoudige verklaring is dat het dier tijdens de inname actief de CS en de US naar de mondholte trekt en vervolgens naar de slokdarm, waardoor ze allemaal kunnen worden ingeslikt. Dit staat in contrast met egestie waarbij de inhoud efficiënt uit de mondholte wordt verdreven. Eerder werk heeft aangetoond dat succesvolle in vitro conditionering afhangt van het bereiken van de slokdarm door de US (17) en het activeren van slokdarmneuronen (49), die de CS versterken via D1-receptoractivering in volgerneuronen (50-52). Daarom zal het bevorderen van innamecycli ervoor zorgen dat de VS deze neuronen bereikt en activeert, waardoor de CS + US wordt versterkt.

Hier hebben we een tot nu toe ongerapporteerd mechanisme blootgelegd waarmee veranderingen in perceptie eerder en nieuw leren onder specifieke omstandigheden en tijdsbestekken kunnen koppelen. Wij stellen voor dat dit kan dienen als een algemeen mechanisme voor het bepalen van de toestand, waardoor een dier associaties kan vormen tussen nieuwe combinaties van stimuli, wat op zichzelf onvoldoende zou zijn om geheugen te induceren. Omdat de associaties tussen leren en perceptuele veranderingen goed ingeburgerd zijn bij hogere dieren, inclusief mensen, suggereren we dat een leer-perceptie-leertraject een algemeen behouden kenmerk kan zijn dat verdere aandacht verdient in leerstudies. Gegeven dat de vorming van LTM gepaard gaat met hogere energetische kosten – met name de inzet en rekrutering van moleculaire machines voor geheugenconsolidatie – heeft een mechanisme dat het leren aanstuurt potentieel belangrijke waarde voor de overlevingskansen. In het geval van een foeragerend dier zoals Lymnaea, dat met een krap energiebudget werkt (53), is het leren van verschillende associaties zeer nuttig, omdat het hen waarschuwt voor potentiële voedselbronnen of mogelijke gevaren in hun omgeving, maar dit moet worden afgewogen tegen de energetische kosten voor het consolideren van die herinneringen. Dit mechanisme stelt hen dus in staat hun toekomstig leren af ​​te stemmen op het leersucces uit het verleden, door effectief de drempel te verlagen die nodig is om nieuwe associaties te leren.

MATERIALEN EN METHODES

Onderhoud van dieren

De dieren werden in groepen gehouden in grote opslagtanks met Cu2+--vrij water van 20 graden onder een regime van 12-uur licht/12-uur donker. De dieren kregen driemaal per week sla en tweemaal per week plantaardig visvoer (Tetra-Phyll; TETRA Werke, Melle, Duitsland). Dieren werden overgebracht naar kleinere opslagtanks en gedurende 2 dagen vóór de experimenten van voedsel beroofd. Voor alle experimenten werden volwassen (3 tot 4 maanden oude) slakken (Lymnaea stagnalis) gebruikt. Lymnaea is een organisme van lagere ongewervelde dieren (weekdieren) dat niet valt onder de Animals (Scientific Procedures) Act 1986 (VK). Daarom was er voor deze experimenten geen ethische goedkeuring of begeleiding vereist.

Eenmalige proeftraining en testprocedures voor eetlust

Sterke conditionering van de eetlust in één proef werd uitgevoerd door AA (0.004%) als de CS te koppelen aan sucrose ({{10}}.33% ) als de VS met behulp van een eerder goed beschreven methode (23, 24). Zwakke conditionering van de eetlust in één proef werd uitgevoerd door GNL (0.004%) als de CS te koppelen aan sucrose (0,11%) of L-serine (0,11%) als de VS. In een tegenwichtscontrole-experiment werd sterke conditionering uitgevoerd door GNL als CS te koppelen aan sucrose (0,33%) als US en zwakke conditionering werd uitgevoerd door AA als CS te koppelen aan sucrose (0,11%) als US. In het kort werden de dieren gedurende 10 minuten individueel in petrischalen met 90 ml Cu2+--vrij water geplaatst om te acclimatiseren aan de nieuwe omgeving voordat de trainingsprocedure begon. Vijf milliliter CS werd aan het water toegevoegd en 30 seconden later werd 5 ml US aangebracht. De dieren werden 2 minuten in de oplossing met de CS en US gelaten, vervolgens gespoeld in Cu2+--vrij water en teruggebracht naar hun thuistanks. Om 1 dag na conditionering te testen op CS-reacties werden dieren uit getrainde en naïeve groepen overgebracht van hun thuistanks naar een petrischaal gevuld met 90 ml Cu2+-vrij water en 10 minuten laten acclimatiseren.

Vervolgens werd vijf milliliter water aan de schaal toegevoegd en werd het aantal voedingsreacties (beten) in de volgende 2 minuten geteld. Vervolgens werd 5 ml CS aan de schaal toegevoegd en het aantal voedingsreacties werd in de daaropvolgende 2 minuten geteld. CS-reacties werden vervolgens beoordeeld met behulp van een "verschilscore" (∆ beetnummer). Dit werd verkregen door het aantal waargenomen voercycli gedurende 2 minuten na het aanbrengen van water af te trekken van het aantal voercycli in 2 minuten na het aanbrengen van CS. Tijdens experimenten met dubbele conditionering ontvingen de dieren zowel sterke als zwakke eetlustconditionering, gescheiden door tijdsintervallen, zoals beschreven in de resultaten. Om te testen of voorafgaande blootstelling aan de VS tijdens intensieve training (0.33% sucrose) het leren van zwakke training verbeterde, voerden we de intensieve training uit zoals hierboven beschreven, maar zonder presentatie van de CS (AA). De dieren kregen vervolgens 4 uur later de zwakke training van GNL en sucrose (0.11%) en werden 1 dag later getest op hun reactie op GNL.

Meting van perceptie tijdens zwakke training

Het effect van eerder geleerde kennis op de perceptie van het dier van zwakke training werd getest door het uitvoeren van een vitale training, gevolgd door een zwakke training 4 uur later, zoals hierboven. Tijdens de zwakke CS + US-presentatie werden de voedingsreacties van de dieren van onderaf gefilmd (33 frames/s). De bewegingsrichting van de radula en de onderliggende odontofoorstructuur werd gemeten tijdens de eerste 15 voedingsreacties, zoals in (16). In het kort werd de positie van de dorsale onderkaak eerst gemarkeerd in het frame voorafgaand aan het eerste frame waarin de radula zichtbaar was tijdens elke beet met behulp van ImageJ-software. Vervolgens werd de radula gedurende de gehele beet gevolgd en werd de afstand vanaf de beginpositie van de dorsale onderkaak berekend. Het gemiddelde verschil dat tussen frames werd verplaatst, werd vervolgens gemeten. Een negatieve score vertegenwoordigde daarom dat de radula en de dorsale onderkaak uit elkaar waren aan het begin van de beet en dat de radula tijdens de beet naar de dorsale onderkaak bewoog, terwijl een positieve score aangaf dat de onderkaak en de radula dicht bij elkaar waren aan het begin van de beet. en de radula bewoog zich weg naarmate de beet vorderde. De criteria om te bepalen of een reactie inname of egestie was, waren gebaseerd op de vraag of het verschil in beweging negatief (inname) of positief (egestie) was. Om te meten hoe voorafgaande vitale training de stabiliteit van de perceptie van de CS + US die bij zwakke training wordt gebruikt, verandert, werden paren opeenvolgende beten geanalyseerd. Een stabiel bijtpaar werd geclassificeerd als twee dezelfde opeenvolgende beten (ingest-ingest of egest-egest). Een wisselend bijtpaar werd geclassificeerd als twee verschillende opeenvolgende beten (ingest egest of egest-ingest).

Vervolgens werden de transitiekansen berekend door het aantal overstapbeten te tellen, uitgedrukt als een fractie van het totale aantal bijtparen. Om te testen of voorafgaande blootstelling aan de VS tijdens intensieve training ({{0}}.33% sucrose) de perceptie van zwakke training veranderde, voerden we de intensieve training uit zoals hierboven beschreven, maar zonder presentatie van de CS (AA) en gemeten inname-/egestiegedrag zoals hierboven. Om te testen of eerdere zwakke training de perceptie van latere zwakke training veranderde, kregen de dieren eerst AA gecombineerd met 0.11% sucrose, en daarna werden hun inname/egestiereacties op GNL en 0.11% sucrose 4 uur later gemeten. Om de effecten van sterke training op de gevoeligheid van het dier op de CS of US die tijdens zwakke training werd gebruikt te testen, ontvingen de dieren de intensieve training zoals hierboven. Vier uur later werden de dieren in een petrischaaltje met 90 ml Cu2+--vrij water geplaatst en 10 minuten laten acclimatiseren. Vervolgens kregen ze 5 ml water en hun voedingsreacties werden geteld. Vervolgens kregen ze 5 ml GNL of 0,11% sucrose, en de voedingsreacties werden geteld zodat het ∆-beetgetal kon worden berekend zoals hierboven.

Preparaten en elektrofysiologische methoden

Door de eerder in (16) beschreven procedures te volgen, voerden we in vitro experimenten uit met behulp van een geïsoleerd CZS-preparaat. Een klein deel van de voorste slokdarm werd door de dorsale buccale zenuwen aan het CZS bevestigd gehouden. De preparaten werden geperfuseerd met normale zoutoplossing die 50 mM NaCl, 1,6 mM KCl, 2 mM MgCl2, 3,5 mM CaCl2 en 10 mM Hepes-buffer in water bevatte. Monosynaptische verbindingen werden getest door het preparaat te baden in een hoog tweewaardige (HiDi) zoutoplossing, die de actiepotentiaaldrempel verhoogt en polysynaptische verbindingen vermindert. HiDi-zoutoplossing bestond uit 35,0 mM NaCl, 2 mM KCl, 8,0 mM MgCl2, 14,0 mM CaCl2 en 10 mM Hepes-buffer in water. Intracellulaire opnames werden gemaakt met behulp van scherpe elektroden (10 tot 40 megaohm) gevuld met 3 M KAc en 0,5 mM KCl. Signalen werden verzameld met behulp van NL 102 (Digitimer Ltd.) en Axoclamp 2B (Axon Instrument, Molecular Device) versterkers, en gegevens werden verkregen met behulp van een micro 1401 Mk II-interface en geanalyseerd met behulp van Spike2-software (Cambridge Electronic Design, Cambridge, VK).

Neuron identificatie

Het faseschakelende motoneuron B11 bevindt zich in de buccale ganglia en werd geïdentificeerd op basis van zijn locatie, piekvorm, synaptische input van PRN en het vermogen om zijn activiteitspatroon te veranderen tijdens inname- en egestiecycli (16). Het innamecommando-achtige interneuron CV1a bevindt zich in de hersenganglia en werd geïdentificeerd door zijn elektrische eigenschappen, karakteristieke locatie en zijn vermogen om fictieve voedingscycli aan te sturen wanneer het kunstmatig werd gedepolariseerd tot vuurpieken (31). Het egestie-commando-achtige interneuron PRN bevindt zich in de buccale ganglia en werd geïdentificeerd door zijn locatie en monosynaptische excitatoire verbinding met B11. Het N2v-neuron is een centraal patroongenerator-interneuron dat zich op het ventrale oppervlak van de buccale ganglia bevindt. Het kan worden geïdentificeerd aan de hand van zijn karakteristieke plateau tijdens de terugtrekkingsfase van een cyclus, en kunstmatige activering veroorzaakt wijdverspreide activiteit in de terugtrekkingsfase in veel buccale neuronen (25). B9 is een motoneuron in de terugtrekkingsfase dat zich in de buccale ganglia bevindt. De CGC's zijn grote, serotonerge interneuronen die zich in de hersenganglia bevinden en die kunnen worden geïdentificeerd aan de hand van hun grootte, locatie en tonische piekende activiteit (30). Om voorheen niet-gekarakteriseerde kandidaat-leden van het egestienetwerk te identificeren, hebben we de cerebrobuccale connectiviteit (CBC) opgevuld met de fluorescerende kleurstof, 5(6)-carboxyfluoresceïne (5-CF). Het is bekend dat projectie-interneuronen invloed hebben op het aansturen van patroonactiviteit in Lymnaea (30, 31), en egestie-aansturende neuronen zijn geïdentificeerd in de buccale ganglia (16). Het opvullen van de CBC onthulde een populatie van interneuronen in de buccale projectie die we opnieuw konden identificeren in andere preparaten en elektrofysiologisch konden testen. Van belang zijnde neuronen werden gespietst en geregistreerd met inname- en egestie-commando-achtige neuronen.

Analyse en classificatie van in vitro cycli

Activiteit op B11 werd gemeten met betrekking tot het begin van de terugtrekkingsfase, zoals bepaald door het N2v-plateau of de grote excitatie tijdens de terugtrekkingsfase van interneuron B9. Om de relatieve activiteit van B11 in een cyclus te analyseren, werd deze 4 seconden vóór en 4 seconden na het begin van de terugtrekkingsfase gemeten. Het aantal B11-pieken na het begin van de terugtrekkingsfase werd afgetrokken van het aantal B11-pieken vóór het begin van de terugtrekkingsfase en vervolgens gedeeld door het totale aantal pieken in de periode van 8-s om een ​​genormaliseerde verschilscore te verkrijgen. Met behulp van deze score vertegenwoordigt een positieve waarde meer activiteit die plaatsvindt vóór het begin van de terugtrekkingsfase en wordt daarom geclassificeerd als een egestiecyclus. Een negatieve score vertegenwoordigt meer activiteit die plaatsvindt na het begin van de terugtrekkingsfase en wordt daarom geclassificeerd als een innamecyclus. Om de effecten van sterke training op fictieve voedingscycli in vitro te vergelijken, werden de eerste 10 spontane cycli geanalyseerd van 19 naïeve en 19 getrainde preparaten. Om te meten hoe training de stabiliteit van de cyclusexpressie verandert, werden paren van opeenvolgende cycli geanalyseerd. Een stabiel cyclipaar werd geclassificeerd als twee van dezelfde opeenvolgende cycli (ingest-ingest of egest-egest).

Een schakelcycluspaar werd geclassificeerd als twee verschillende opeenvolgende cycli (ingest-egest of egest ingest). Vervolgens werden de transitiekansen berekend door het aantal schakelcycli te tellen, uitgedrukt als een fractie van het totale aantal cycliparen. Om te testen of vitale training de gevoeligheid van de voorbereiding op eetlustsignalen verandert, stimuleerden we de belangrijkste chemosensorische route, de MLN (28), die vitale fictieve voeding kan aansturen (29). De MLN werd gestimuleerd met behulp van een glazen zuigelektrode met bifasische pulsen van 4 V met een duur van 0.5-ms bij 1 Hz gedurende 120 s. Het ∆ fictieve aantal voedingscycli werd berekend door de activiteit in voedende motorneuronen, zoals B9, te registreren, het aantal cycli te tellen dat plaatsvond in de periode van 120- s voorafgaand aan MLN-stimulatie, en dit af te trekken van het aantal cycli als reactie op MLN-stimulatie. CGC-activiteit werd gemeten gedurende de 120 seconden vóór en 120 seconden tijdens de MLN-stimulatie. Om in vitro sensorisch gestuurde egestie op te wekken, werd een tactiele stimulus op de slokdarm toegepast, die mechanosensorische neuronen activeert die aversieve signalen doorgeven aan het voedingsnetwerk als reactie op overextensie van de darmen als gevolg van een oneetbaar voorwerp dat zich in de slokdarm bevindt. de slokdarm (16). De tactiele stimulus werd toegepast met behulp van een mechanische sonde die werd bestuurd door een logische transistor-transistorpuls van de micro 1401 Mk II (CED).

Iontoforetische kleurstofvulling van neuronen

Following procedures previously described in (16), we filled target neurons with a fluorescent dye (5-CF) using a microelectrode. This was achieved iontophoretically using a pulse generator to apply regular interval negative square current pulses into the neuron for >30 minuten. De preparaten werden vervolgens een nacht bij 4 graden gelaten. Beelden van de neuronen werden gemaakt met behulp van een digitale camera (Andor Ixon elektronenvermenigvuldigend ladingsgekoppeld apparaat) gemonteerd op een Leica-stereomicroscoop.

Toepassing van D2-receptorblokkers in vitro en in vivo

Sulpiride is een effectieve dopamine-antagonist in Lymnaea, die de effecten van dopaminerge interneuronen op volgneuronen blokkeert, evenals de focale toepassing van dopamine (16, 54). Om het effect van sulpiride (±) (Sigma-Aldrich) op de PRN → PS1-verbinding te testen, werden de preparaten eerst ondergedompeld in HiDi-zoutoplossing (zie hierboven). Basislijn-EPSP-amplitudes werden geregistreerd voordat 10-4 M sulpiride in HiDi-zoutoplossing gedurende 10 minuten in het bad werd geperfundeerd en vervolgens werden EPSP-amplitudes opnieuw geregistreerd. Om de effecten van sulpiride op het genereren van in vitro cycli in naïeve preparaten te testen, werden de eerste 10 gegenereerde spontane cycli geregistreerd en vervolgens werd 10−4 M sulpiride in normale zoutoplossing op het preparaat geperfuseerd. De eerste 10 spontane cycli gegenereerd na 10 minuten perfusie werden geanalyseerd. Om de effecten van sulpiride op de perceptie van zwakke training en geheugenverwerving/herinnering te testen, werden dieren geïnjecteerd met 100 µl 10-3 M sulpiride in normale zoutoplossing. Eerder is aangetoond dat de geïnjecteerde concentratie van het medicijn ~10-voudig wordt verdund door de lichaamsvloeistoffen van het dier (55). Controledieren werden geïnjecteerd met alleen 100 µl normale zoutoplossing. De dieren werden 2 uur met rust gelaten voordat gedragstesten werden uitgevoerd.

Gegevensanalyse

Gegevens werden geanalyseerd met behulp van paleontologische statistieken (PAST versie 4.1) (56) en uitgedrukt als regenwolkgrafieken (57). In alle gevallen worden individuele punten uitgezet als stippen, en het gearceerde gebied (wolk) geeft de algemene vorm van de verdeling aan, die zich uitstrekt van minimum- tot maximumwaarden. Interne boxplots tonen de mediaan (zwarte lijn) het interkwartielbereik (eerste en derde kwartiel) en het gemiddelde (grijze lijn). Elke "n" vertegenwoordigt een individueel dier/preparaat. De normaliteit werd getest met behulp van de Shapiro-Wilk-test. Statistische vergelijkingen tussen twee groepen werden uitgevoerd met behulp van tweezijdige t-teststatistieken (gepaard of ongepaard zoals vermeld in de tekst) of een Mann-Whitney-test of Wilcoxon-test met ondertekende rangorde voor niet-parametrische gegevens. Gegevens met meer dan twee groepen werden eerst geanalyseerd met behulp van een eenrichtingsvariantieanalyse (ANOVA) of de Kruskal-Wallis-test. Daaropvolgende vergelijkingen werden uitgevoerd met behulp van de post-hoc-tests van Tukey of Dunn met sequentiële correctie van Bonferroni. De vergelijkingen tussen het percentage beten/cycli geclassificeerd als inname of egestie en het aantal dieren/preparaten dat nul of meer dan nul egestiecycli uitvoerde, werden gemaakt met behulp van een Fisher's exact-test. Het significantieniveau werd vastgesteld op P < 0.05.

REFERENTIES EN OPMERKINGEN

1. F. Mery, TJ Kawecki, Een prijs van langetermijngeheugen in Drosophila. Wetenschap 308, 1148 (2005).

2. P.-Y. Plaçais, T. Preat, Om overleving onder voedseltekort te bevorderen, schakelen de hersenen het kostbare geheugen uit. Wetenschap 339, 440–442 (2013).

3. AC Nobre, MG Stokes, Premembering-ervaring: een hiërarchie van tijdschalen voor proactieve aandacht. Neuron 104, 132–146 (2019).

4. ML Rosen, CE Stern, SW Michalka, KJ Devaney, DC Somers, Cognitieve controlenetwerkbijdragen aan geheugengestuurde visuele aandacht. Cereb. Cortex 26, 2059-2073 (2016).

5. MG Stokes, K. Atherton, EZ Patai, AC Nobre, Langetermijngeheugen bereidt neurale activiteit voor op perceptie. Proc. Nat. Acad. Wetenschap VS 109, E360-E367 (2011).

6. YL Chew, Y. Tanizawa, Y. Cho, B. Zhao, AJ Yu, EL Ardiel, I. Rabinowitch, J. Bai, CH Rankin, H. Lu, I. Beets, WR Schafer, Een afferent neuropeptidesysteem zendt mechanosensorische signalen die sensibilisatie en opwinding veroorzaken bij C. elegans. Neuron 99, 1233–1246.e6 (2018).

7. J. Felsenberg, PF Jacob, T. Walker, O. Barnstedt, AJ Edmondson-Stait, MW Pleijzier, N. Otto, P. Schlegel, N. Sharifi, E. Perisse, CS Smith, JS Lauritzen, M. Costa , G. Jefferis, DD Bock, S. Waddell, Integratie van parallelle tegengestelde herinneringen ligt ten grondslag aan het uitsterven van het geheugen. Cel 175, 709–722.e15 (2018).

8. J. Huang, Z. Zhang, W. Feng, Y. Zhao, A. Aldanondo, MG de Brito Sanchez, M. Paoli, A. Rolland, Z. Li, H. Nie, Y. Lin, S. Zhang , M. Giurfa, S. Su, Voedselbehoefte wordt gemedieerd door voorbijgaande activering van dopaminerge signalering in de hersenen van honingbijen. Wetenschap 376, 508–512 (2022).

9. PF Jacob, S. Waddell, Spaced training vormt complementaire langetermijnherinneringen aan de tegenovergestelde valentie bij Drosophila. Neuron 106, 977–991.e4 (2020).

10. S. Sayin, J.-F. De Backer, KP Siju, ME Wosniack, LP Lewis, L.-M. Frisch, B. Gansen, P. Schlegel, A. Edmondson-Stait, N. Sharifi, CB Fisher, SA Calle-Schuler, JS Lauritzen, DD Bock, M. Costa, GSXE Jefferis, J. Gjorgjieva, IC Grunwald Kadow, A Het neurale circuit arbitreert tussen volharding en terugtrekking bij hongerige Drosophila. Neuron 104, 544–558.e6 (2019).

11. B. Senapati, C.-H. Tsao, Y.-A. Juan, T.-H. Chiu, C.-L. Wu, S. Waddell, S. Lin, Een neuraal mechanisme voor staatsspecifieke expressie van relevante herinneringen in Drosophila. Nat. Neurowetenschappen 22, 2029-2039 (2019).

12. K. Steck, SJ Walker, PM Itskov, C. Baltazar, JM Moreira, C. Ribeiro, Interne aminozuurtoestand moduleert gistsmaakneuronen om eiwithomeostase in Drosophila te ondersteunen. eLife 7, e31625 (2018)

For more information:1950477648nn@gmail.com