De grootte van het cerebellum is gerelateerd aan het angstgeheugen en de domesticatie van kippen.

voor meer informatie:ali.ma@wecistanche.com

De grootte van het cerebellum is gerelateerd aan angstgeheugenen domesticatie van kippen

Katajamaa, Rebecca Wright, Dominic Henriksen, Rie, Jensen, Per*

Linköping University IFM-Biologie 581 83 Linköping Zweden

*Corresponderende auteur: Per. jensen@liu.se

Klik naarCistanche tubulosa voordelen en bijwerkingen voor het geheugen

Abstract

Rode kamhoenders werden geselecteerd op uiteenlopende niveaus van angst voor mensen gedurende acht generaties, waardoor de selectielijnen zowel in angstniveaus als in de proportionele hersen- en cerebellummassa's verschilden. Vogels uit de twee lijnen werden vervolgens gekruist om een ​​F3-kruising te verkrijgen om de correlaties tussen hersenmassa en leren van angst te bestuderen. We hebben 105 F3-dieren individueel blootgesteld aan angstgewenning engeheugentest op een leeftijd van acht dagen, waarbij de reacties op herhaalde lichtflitsen op twee opeenvolgende dagen werden beoordeeld. Na het ruimen werden de absolute en relatieve afmetingen van elk van de vier hersengebieden gemeten. Stapsgewijze regressie werd gebruikt om de effecten van de grootte van elk hersengebied op gewenning te analyseren engeheugen. Er waren geen effecten van enig hersengebied op de gewenning op de eerste dag. Vogels met een grotere absolute grootte van het cerebellum hadden echter significant minder reacties op de angstige stimuli op dag twee, wat wijst op een beteregeheugenvan de prikkels. Geen enkele andere regio had significante effecten. We concluderen dat een grotere grootte van het cerebellum belangrijk kan zijn geweest bij het vergemakkelijken van de domesticatie van kippen, waardoor ze zich konden aanpassen aan een leven met mensen.

1. Inleiding

Een kenmerkend kenmerk van het zogenaamde domesticatiesyndroom bij dieren is een verminderde omvang van de hersenen ten opzichte van de lichaamsmassa [1]. Verschillende hersenregio's worden echter verschillend beïnvloed door domesticatie [2] en bij kippen hebben we eerder ontdekt dat de genetische architectuur die de grootte van de regio's bepaalt, verschilt, waardoor delen van de hersenen onafhankelijk kunnen reageren op selectie [3]. In lijn hiermee hebben gedomesticeerde kippen kleinere hersenen in verhouding tot hun lichaamsgrootte in vergelijking met de wilde voorouder, het rode kamhoen, terwijl het cerebellum in feite aanzienlijk groter is, zowel in absolute als in proportionele maten [3]. Bij Red Junglefowl, geselecteerd op hoge of lage angst voor mensen, vonden we vergelijkbare effecten: na slechts een paar generaties selectie hadden de tammere vogels over het algemeen kleinere hersenen in verhouding tot de lichaamsgrootte, maar grotere kleine hersenen dan de angstige vogels [4]. Dit geeft aan dat het cerebellum betrokken kan zijn bij het omgaan met angstige prikkels bij kippen en dat dit belangrijk kan zijn geweest tijdens de domesticatie toen de normaal zeer schuwe voorouderlijke rode kamhoenders zich aanpasten aan een leven onder mensen.

Lange tijd werd gedacht dat het cerebellum zich voornamelijk bezighield met locomotorische controle, maar recent onderzoek toont aan dat het betrokken is bij een verscheidenheid aan cognitieve verwerkingen [5- 7]. Zowel positieve als negatieve emoties lijken te worden verwerkt door cerebellaire circuits met een overwicht van de negatieve [8]. De meeste kennis over de betrokkenheid van de kleine hersenen bij emotionele verwerking is echter afkomstig van zoogdieren. Bij mensen en andere primaten is het bijvoorbeeld betrokken bij cognitieve ontwikkeling en sociale interacties [9], en bij ratten speelt het een rol bij het conditioneren van angst.geheugenconsolidatie [10]. In het licht hiervan, en onze eerdere observaties bij kippen, hebben we daarom de hypothese opgesteld dat de grootte van het cerebellum gerelateerd kan zijn aan centrale gedragsaspecten die relevant zijn voor domesticatie, zoals het vermogen om te wennen aan angstige stimuli.

Hier bestudeerden we angstreacties in een F3-kruising tussen rode kamhoenders geselecteerd op hoge versus lage angst voor mensen en maten we de grootte en samenstelling van hun hersenen. Het doel was om te analyseren hoe vogels met verschillende hersensamenstellingen wennen aan en onthouden van een verrassende maar ongevaarlijke stimulus, als een maatstaf voor angst.geheugen.

2. Materiaal en methoden

De volledige dataset is beschikbaar als elektronisch aanvullend materiaal (tabel S1).

Uitgaande van een gekruiste populatie rode kamhoenders, selecteerden we afzonderlijke lijnen, afhankelijk van hun reacties in een gestandaardiseerde angst-voor-mens-test. Details over het fokken en huisvesten van de vogels, evenals het selectieschema, zijn eerder gerapporteerd [11]. Er werd een reeks gecorreleerde selectiereacties waargenomen, waaronder een relatieve afname van de hersenmassa en een toename van de relatieve cerebellummassa in de lage-angstlijn [4].

Met vogels uit de achtste geselecteerde generatie hebben we een intercross gefokt door twee mannetjes en twee vrouwtjes uit elke selectielijn te kruisen met een wederkerig ontwerp. In de F1- en F2-intercross-generaties werden vogels willekeurig gefokt om een ​​F3-intercross te genereren, bestaande uit in totaal 105 dieren, die onze testpopulatie vormen. Meer details over het fokschema zijn te vinden in [12].

Toen ze acht dagen oud waren, werden de kuikens getest op angstgewenning engeheugentest, bestaande uit twee testmomenten afgewisseld met 24 - 28 h. Bij elk van de twee testmomenten werd één kuiken alleen geplaatst in een gesloten, gelijkmatig verlichte testarena van 25 x 25 x 30 cm. In de vloer was een LED-lichtbron geïntegreerd die blauw licht uitstraalde, en na 30 s in de arena werden de kuikens blootgesteld aan een reeks van vijf korte (1 s) lichtflitsen met een interval van 30 s ertussen. Dertig seconden na de laatste flits werd het kuiken verwijderd en vervangen door het volgende dier.

De tests werden opgenomen op video en de onmiddellijke schrikreacties van de kuikens op elk van de opeenvolgende lichtflitsen werden gescoord met behulp van de Observer-software (Noldus Inc) van de opnames volgens een schaal van vijf graden, waarbij de laagste score (1) was gemeten wanneer er geen reactie op de flits kon worden waargenomen, en de hoogste (5) voor de maximale angstreactie. Om de score te valideren, werd een willekeurige substeekproef (10 procent) van de video's gescoord door twee onafhankelijke waarnemers, en de correlatie van de waarnemersscore was rs=0.91 (P<0.001). details="" and="" ethograms="" for="" the="" scores="" can="" be="" found="" in="">

Om een ​​algemene meting te krijgen van de intensiteit en afname van de angstreactie, hebben we de oppervlakte onder de curve (AUC) berekend voor elk kuiken op elk van de testdagen. De AUC werd berekend door de oppervlakten onder de curve op te tellen voor elk van de vijf intervallen van 30-s. Een lagere AUC betekent lagere algemene reactiescores.

Toen de vogels 32 weken oud waren, werden ze allemaal gewogen en geruimd door snelle onthoofding. De hersenen werden verwijderd en ontleed in vier delen volgens het protocol dat werd gebruikt door Henriksen et al [3]: hersenhelften, optische lobben, cerebellum en het resterende deel dat bijvoorbeeld hersenstam en hypothalamus bevat. Onmiddellijk na dissectie werd elk hersengebied afzonderlijk gewogen en de natte massa werd verkregen met behulp van een schaal met een precisie van 0.001 g. Eerder onderzoek heeft een hoge correlatie gevonden tussen natte massa en volume [3].

The measured masses of the brain regions had a distribution that did not significantly deviate from normality, as determined by inspection of Q-Q-plots (Shapiro-Wilks test P>0.05 voor alle regio's). Om de relatie tussen hersensamenstelling en angstreacties te analyseren, hebben we een stapsgewijze regressieanalyse uitgevoerd. Het model bestond uit AUC als respons en omvatte lichaamsgewicht en absoluut gewicht van de totale hersenen en van elk van de vier hersengebieden. De regressie werd afzonderlijk uitgevoerd voor de eerste en tweede testmomenten.

Alle afwijkingen worden gegeven als standaardfouten van het gemiddelde.

3. Resultaten

Mannetjes (N{{0}}) waren significant groter dan vrouwtjes (N=46) (1087,1 ± 10,4 g vs 791,9 ± 9,1 g; P=0. 031, t-test), en hadden grotere absolute hersenmassa's (mannen: 2,77 ± 0,02 g, vrouwen: 2,50 ± 0,02 g; P<0.001, t-test).="" consistent="" with="" the="" overall="" larger="" brain,="" the="" absolute="" masses="" of="" each="" of="" the="" separate="" brain="" regions="" were="" also="" significantly="" larger="" in="" males=""><0.001, t-test).="" there="" were="" no="" sex="" effects="" on="" auc="" either="" on="" the="" first="" test="" occasion="" (9.4="" ±="" 0.4="" vs="" 10.1="" ±="" 0.6;="" p="0.33," t-test),="" or="" on="" the="" second="" test="" (males:="" 8.1="" ±="" 0.4;="" females:="" 8.8="" ±="" 0.5;="" p="0.32,">

In de eerste angsttest reageerden de meeste kuikens sterk op de eerste lichtflits en vertoonden daarna geleidelijk een minder intense schrikreactie op de volgende lichtflitsen (Fig 1), consistent met een snelle gewenningsreactie. Bij de tweede test waren de gemiddelde verrassende reacties al minder intens bij de eerste lichtflits (figuur 1), wat aangeeft dat de kuikens zich de stimulus van de eerste test herinnerden en opnieuw tekenen vertoonden van gewenning binnen de test. Het verschil tussen de intensiteit van de reacties wordt weerspiegeld in de AUC, die significant lager was bij de tweede testgelegenheid (Fig 1; t=3.45 P<0.01; paired="" sample="" t-test),="" indicating="" a="" consolidation="" of="">geheugenvanaf de eerste proef.

In het stapsgewijze regressiemodel werden bij de eerste testgelegenheid geen variabelen als significant voor de AUC behouden. Voor de tweede test was de absolute grootte van het cerebellum de enige significante voorspeller van AUC (R2=0.041, F=4.25, P=0.042), waarbij een grotere cerebellum was geassocieerd met een kleinere AUC (Fig 2). Het effect leek meer uitgesproken bij mannen (figuur 2), hoewel de associatie bij geen van de geslachten afzonderlijk significant werd.

4. Discussie

We ontdekten dat in een F3-kruising tussen rode kamhoenders geselecteerd op hoge versus lage angst voor mensen, vogels met een groter cerebellum significant beter waren in het onthouden van en wennen aan een angstige maar ongevaarlijke stimulus. Dit geeft aan dat de grootte van het cerebellum een ​​belangrijke factor kan zijn geweest voor de succesvolle domesticatie van kippen.

Er is eerder melding gemaakt van een groter cerebellum in gedomesticeerde witte Leghorn-eilagen in vergelijking met voorouderlijke rode kamhoenders [3], en eveneens bij rode kamhoenders die zijn geselecteerd vanwege verminderde angst voor mensen [4], wat suggereert dat de kleine hersenen belangrijke functies kunnen hebben met betrekking tot tamheid en domesticatie bij kippen. Onze huidige resultaten helpen dit te bevestigen, aangezien het vermogen om dicht bij mensen te leven en te gedijen centraal moet hebben gestaan ​​bij vroege gedomesticeerde dieren [13], en dit zou ongetwijfeld zijn vergemakkelijkt door een verhoogd vermogen om te wennen aan onschadelijke stimuli die aanvankelijk als beangstigend.

De hersenen zijn een kostbaar orgaan. Om het energieverbruik te optimaliseren, zijn daarom adaptieve veranderingen in hersengrootte en samenstelling geëvolueerd tijdens domesticatie [1,2,14] [15] [16,17]. In overeenstemming met de mozaïekhersentheorie kunnen verschillende regio's onafhankelijk evolueren, zoals blijkt uit de verschillende genetische architecturen die ten grondslag liggen aan de grootte en groei van verschillende hersendelen [2,3]. Het cerebellum is een deel van de hersenen van gewervelde dieren dat lange tijd voornamelijk werd beschouwd als een centrum voor locomotorische controle, maar onderzoek van de afgelopen decennia heeft aangetoond dat het veel bredere functies heeft. Bij mensen is het betrokken bij sociale cognitie en leren [5,18] en bij kippen en kwartels beïnvloedt het reproductief gedrag [3,6]. Bij ratten speelt het cerebellum een ​​belangrijke rol bij het consolideren van angstherinneringen, en onze huidige resultaten komen hiermee overeen [10].

Onze resultaten laten een significant verband zien tussen cerebellaire massa en angstgewenning bij kippen, maar laten geen conclusies toe over wat dit veroorzaakt, en het effect is relatief zwak met een R2 van 4,1 procent. Het cerebellum van vogels heeft een andere anatomie dan bij zoogdieren, en de samenstelling en connectiviteit verschillen zelfs tussen rassen van dezelfde soort [2]. De effecten die we waarnemen kunnen bijvoorbeeld het gevolg zijn van een verhoogd aantal neuronen of andere celtypes of een verhoogde neuronale dichtheid. Toekomstig onderzoek zou zich moeten richten op het ophelderen van welke aspecten van de toegenomen massa ten grondslag liggen aan de waargenomen gedragseffecten.

Het is opmerkelijk dat geen enkel ander hersengebied een significante associatie had met het leerproces gemeten in het huidige experiment. Met de relatief grove metingen die zijn gebruikt, kunnen we echter de betrokkenheid van andere delen van de hersenen, zoals bijvoorbeeld de amygdala of hypothalamus, niet uitsluiten en konden we de connectiviteit tussen het cerebellum en andere gebieden niet beoordelen.

Kippen zijn minstens 8000 jaar geleden gedomesticeerd van rode kamhoenders [19] en de voorouder in het wild is extreem schuw en bang voor mensen [20]. Daarom moet een eerste en noodzakelijke stap naar succesvolle domesticatie een vermindering van angst zijn geweest, en er is gesuggereerd dat dit in feite een belangrijke drijvende kracht was achter veel typische gedomesticeerde eigenschappen [13]. Bij konijnen zijn veranderingen in de hersenstructuur tijdens domesticatie consistent met veranderde angstverwerking [17] en gedomesticeerde kippen hebben een algehele verminderde hersenmassa in verhouding tot lichaamsgrootte [3]. Bij gedomesticeerde kippen vormt het cerebellum echter een groter deel van de hersenen dan bij rode kamhoenders [3]. Dezelfde effecten werden waargenomen na slechts een paar generaties selectie op rode kamhoenders voor verminderde angst voor mensen: de tammere selectielijn ontwikkelde een proportioneel kleiner brein als geheel en een proportioneel kleiner telencephalon, maar een proportioneel groter cerebellum [4]. Dit ging gepaard met veranderingen in angstgeheugen[21]. De eerder waargenomen verschillen tussen de twee geselecteerde Red Junglefowl-lijnen kunnen worden veroorzaakt door veel verschillende factoren, waaronder genetische drift. De F3-intercross-benadering die hier wordt gebruikt, toont echter duidelijk een genetische correlatie aan tussen de massa van het cerebellum en angstgeheugen, wat suggereert dat de grootte van het cerebellum bij kippen adaptieve waarde kan hebben verleend tijdens domesticatie.

Concluderend laten onze resultaten zien dat de massa van het cerebellum bij rode kamhoenders geassocieerd is met efficiëntere gewenning engeheugenvan een angstige maar ongevaarlijke stimulus. In het licht van eerdere bevindingen, dat het cerebellum groter is bij gedomesticeerde kippen en bij rode kamhoenders die zijn geselecteerd voor verminderde angst voor mensen, suggereren de huidige bevindingen dat een grotere massa van het cerebellum het wilde rode kamhoen mogelijk heeft gemaakt om zich aan te passen aan een leven met mensen, en dus kan belangrijk zijn geweest voor de succesvolle domesticatie van kippen.

Referenties

1. Prijs, EO 2002 Domesticatie en gedrag van dieren. Wallingford: CABI. (doi:10.1079/9780851995977.0000)

2. Rehkämper, G., Frahm, HD & Cnotka, J. 2008 Mozaïekevolutie en adaptieve verandering van hersencomponenten onder domesticatie gezien op de achtergrond van de evolutietheorie. Hersengedrag en evolutie 71, 115-126. (doi: 10.1159/000111458)

3. Henriksen, R., Johnsson, M., Andersson, L., Jensen, P. & Wright, D. 2016 Het gedomesticeerde brein: genetica van hersenmassa en hersenstructuur bij een vogelsoort. Wetenschappelijke Reortsp 6, 1–9. (doi:10.1038/srep34031)

4. Agnvall, B., Beltéky, J. & Jensen, P. 2017 Hersengrootte wordt verkleind door selectie op tamheid bij rode kamhoen- gecorreleerde effecten in vitale organen. wetenschappelijke rapporten 7,

3306. (doi:10.1038/s41598-017-03236-4)

5. Barton, RA 2012 Belichaamde cognitieve evolutie en het cerebellum. Filosofische transacties van de Royal Society B 367, 2097-2107. (doi:10.1098/rstb.2012.0112)

6. Ebneter, C., Pick, JL & Tschirren, B. 2016 Een afweging tussen reproductieve investering en maternale cerebellumgrootte bij een precociale vogel. Biologie Brieven 12,

20160659. (doi:10.1098/rsbl.2016.0659)

7. Van Overwalle, F., D'aes, T. & Mariën, P. 2015 Sociale cognitie en het cerebellum: een meta-analytische connectiviteitsanalyse. Menselijk brein in kaart brengen 36, 5137-5154. (doi:10.1002/hbm.23002)

8. Adamaszek, M. et al. Consensusdocument 2017: Cerebellum en emotie. Kleine hersenen 16, 552-576. (doi:10.1007/s12311-016-0815-8)

9. Wang, SSH, Kloth, AD & Badura, A. 2014 Het cerebellum, gevoelige perioden en autisme. Neuron 83, 518-532.

10. Sacchetti, B., Baldi, E., Lorenzini, CA & Bucherelli, C. 2002 Cerebellaire rol bij consolidatie van angstconditionering. Proceedings van de National Academy of Sciences 99, 8406-8411. (doi:10.1073/pnas.112660399)

11. Agnvall, B., Jöngren, M., Strandberg, E. & Jensen, P. 2012 Erfelijkheid en genetische correlaties van angstgerelateerd gedrag bij rode kamhoenders - mogelijke implicaties voor vroege domesticatie. PLoS ONE 7, e35162. (doi:10.1371/journal.pone.0035162)

12. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 Tameness correleert met domesticatie-gerelateerde eigenschappen in een kruising tussen rode kamhoenders. Genen Hersenen en gedrag, 1-12.

(doi:10.1111/gbb.12704)

13. Agnvall, B., Beltéky, J., Katajamaa, R. & Jensen, P. 2018 Wordt de evolutie van domesticatie aangedreven door tamheid? Een selectieve review met focus op kippen. Toegepaste diergedragswetenschap 205, 227-233. (doi:10.1016/j.applanim.2017.09.006)

14. Ksepka, DT et al. 2020 Tempo en patroon van de evolutie van de hersengrootte van vogels. Huidige biologie 30, 2026-2036.e3. (doi:10.1016/j.cub.200.03.060)

15. Maklakov, AA, Immler, S., Gonzalez-Voyer, A., Rönn, J. & Kolm, N. 2011 Hersenen en de stad: zangvogels met grote hersenen slagen in stedelijke omgevingen. Biologie Brieven 7, 730-732. (doi:10.1098/rsbl.2011.0341)

16. Kotrschal, A., Rogell, B., Bundsen, A., Svensson, B., Zajitschek, S., Brännström, I., Immler, S., Maklakov, AA & Kolm, N. 2013 Kunstmatige selectie op relatief Hersengrootte in de guppy onthult de kosten en voordelen van het ontwikkelen van een groter brein. Huidige biologie 23, 168-171. (doi:10.1016/j.cub.2012.11.058)

17. Brusini, I. et al. 2018 Veranderingen in de hersenarchitectuur komen overeen met veranderde angstverwerking bij tamme konijnen. Proceedings van de National Academy of Sciences USA 115, 7380-7385. (doi:10.1073/pnas.1801024115)

18. Van Overwalle, F., Van de Steen, F., van Dun, K. & Heleven, E. 2020 Connectiviteit tussen het cerebrum en het cerebellum tijdens sociale en niet-sociale sequencing met behulp van dynamische causale modellering. Neuroimage 206, 116326.(doi:10.1016/j.neuroimage.2019.116326)

19. Tixier-Boichard, M., Bed'hom, B. & Rognon, X. 2011 Kippendomestiek: van archeologie tot genomica. Comptes Rendus Biologies 334, 197-204.

(doi:10.1016/j.crvi.2010.12.012)

20. Collias, NE & Collias, EC 1996 Sociale organisatie van een rode junglehoen, Gallus gallus, populatie gerelateerd aan evolutietheorie. Dierlijk gedrag 51, 1337-1354.

21. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 Selectie voor verminderde angst bij rode junglehoenders verandert de hersensamenstelling en beïnvloedt angstgeheugen. Royal Society Open Science 7, 200628. (doi:10.1098/rsos.200628)