Pavlov csótánya: A nyálzás klasszikus kondicionálása rovarban

Társadalom Földtudományi Egyetem, Tohoku Egyetem, Sendai, Japán

* Kinek kell címezni a levelezést. E-mail: [email protected]

Társasházi Élettudományi Egyetem, Tohoku Egyetem, Sendai, Japán

Ábrák

Absztrakt

Idézet: Watanabe H, Mizunami M (2007) Pavlov csótánya: A nyálzás klasszikus kondicionálása rovarban. PLoS ONE 2 (6): e529. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0000529

Akadémiai szerkesztő: Aldo Rustichini, Minnesotai Egyetem, Amerikai Egyesült Államok

Fogadott: 2007. február 8 .; Elfogadott: 2007. május 19 .; Közzétett: 2007. június 13

Finanszírozás: Ezt a tanulmányt támogatták a Japán Oktatási, Tudományos, Kulturális, Sport- és Technológiai Minisztérium támogatásai, valamint a Fiatal Tudósok Tudományának Előmozdításáért Japán Társaság kutatási ösztöndíjai.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Bevezetés

A nyál szekréciója, amely elősegíti az ételek kezdeti marását, emésztését és lenyelését, számos gerinces és gerinctelen lényeges fiziológiai funkció. Pavlov [1] körülbelül egy évszázaddal ezelőtt számolt be a kutyák nyálzásának klasszikus kondicionálásáról, és ez a kondicionálási forma a klasszikus kondicionálás legismertebb példája. Valójában a klasszikus kondicionálás számos alapelvét megalapozták a tanulás ezen fontos formájának tanulmányozásával. Azonban amennyire tudjuk, a nyálképződés kondicionálásáról csak kutyáknál és embereknél számoltak be [2], [3]. Annak ellenére, hogy Pavlov és utódai hatalmas erőfeszítéseket tettek [1], [4] - [6], annak mögöttes idegi mechanizmusai továbbra is megfoghatatlanok az emlős agyának összetettsége miatt.

Rovarokat alkalmaztak releváns modellként a tanulás és a memória idegi alapjának tanulmányozásához [7] - [10]. Operáns és klasszikus kondicionáló eljárásokkal végzett vizsgálatok azt mutatták, hogy a csótányok kiváló tanulási képességekkel rendelkeznek [11] - [15]. Például a csótányok kiváló tanulási teljesítményt mutattak egy olyan alkalmi beállítási paradigmában, amelyben a vizuális kontextus meghatározza a szagló CS-ek (kondicionáló ingerek) és az ízleltető USA-k (feltétel nélküli ingerek) közötti kontingenciát [16].

A nyálelválasztást az autonóm idegrendszer szabályozza. Emlősökben a nyálmirigyeket chorinerg parasimpatikus és adrenerg szimpatikus idegekkel látják el, amelyek szabályozzák a fehérje-mentes és a fehérjében gazdag nyál szekrécióját [17] - [19]. Olyan rovarokban, mint a csótányok, a Periplaneta americana, a nyálmirigyeket a suboesophagealis ganglion dorpaminerg nyál neuronjával (SN1) és a GABAnergiás nyál neuronjával (SN2), valamint a sztomatogasztrikus idegrendszerhez tartozó számos szerotonerg neuronnal látják el [20] - [23]. A dopaminerg és a szerotonerg idegsejtek szabályozzák a fehérje nélküli és a fehérjében gazdag nyál szekrécióját [22].

Korábban kimutattuk, hogy a csótányok nyálas neuronjai kiemelkedő választ mutattak egy szagra olyan kondicionáló kísérletek után, amelyek során a szagot (CS) szacharózoldattal (USA) párosították, de ezek az idegsejtek csak nagyon gyengén reagáltak az önmagában bemutatott szagra anélkül, hogy párosultak volna szacharóz oldat [24]. Az eredmények igazolták a nyál idegsejtjeinek aktivitásának kondicionálását, de a nyálképzés kondicionálásának közvetlen bizonyítékát még nem kellett beszerezni. Ebben a tanulmányban a kondicionáló kísérletek hatásait vizsgáltuk a szagokra adott nyálreakciókra, és megállapítottuk, hogy a szacharózoldattal párosított szag a nyálképzés szintjének növekedését indukálta. Ennek a tanulmánynak az eredményei azt mutatják, hogy a nyálzás klasszikus kondicionálása mindenütt jelen van a különböző phylák között.

Mód

Rovarok

Felnőtt hím csótányokat (Periplaneta americana) világos-sötét ciklusban (LD 12:12) 26–28 ° C-on tartott laboratóriumi telepből nyertünk. Egy-két héttel a kísérlet megkezdése előtt egy 20-30 csótányos csoportot helyeztünk egy kamrába. A szacharóz-oldat felvételének motivációjának fokozása érdekében a csótányokat cukormentes élesztő kivonattal és ivóvízzel táplálkozták ad libitum.

A nyálképzés mérése a szaglás vagy ízérzés ingerére reagálva

A nyálképződés mérésére szolgáló eljárást módosították az előző tanulmányunkban alkalmazott módszerrel [24]. Egy csótányt rövid ideig altattunk viaszbevonatú edény ventrális oldallal felfelé tartó visszatartására, miután szárnyait eltávolítottuk. A has lábát, nyakát és hátsó oldalát alacsony olvadáspontú viasz segítségével rögzítették, és az antennákat kapcsokkal rögzítették. A visszafogott csótány szabadon mozgathatta száját. Az immobilizált csótányokat 1-2 órán át szobahőmérsékleten tartottuk.

A nyál a nyálcsatornán keresztül választódik ki a szájüregbe. A nyálcsatorna leleplezéséhez a nyak és a labium kutikuláit eltávolítottuk. A nyálcsatornát levágták, majd a disztális vágott csonkot egy műanyag kamrába illesztették, amelynek felső részén lyuk volt. A műanyag kamra hegyét fehér vazelinnel borították, hogy megakadályozzák a nyál szivárgását (1A. Ábra). A mérést> 10 perc múlva kezdtük meg, miután befejeztük a készítmény beállítását a nyálképzés stabilizálására. A csatornából a műanyag kamrába kiválasztott folyadékot 1 percenként műanyag kapillárisba húzták, és a nyál térfogatának kiszámításához a folyadékoszlop hosszát mértük (1A. Ábra). A csótányokban folyamatosan fenntartják a nyál szintjét [24].

Szenzoros stimuláció és kondicionáló eljárás

Az antennához szag szállítására használt folyamatos légáramlási rendszert korábban leírták [25]. Röviden: a szűrőpapírt tartalmazó kis kamrán átáramló levegőt egy mágnesszelep működtetésével juttatták az antennához az áramlási sebesség megváltoztatása nélkül. A szűrőpapírt 40 µl borsmenta, vanília vagy alma esszenciával áztattuk. Az antenna körül a levegőt vákuumrendszeren keresztül folyamatosan kiszívták. Ízléses stimuláláshoz 500 mM szacharóz-oldat vagy 5 M nátrium-klorid-oldat cseppjét (4 µl) juttattuk a szájba.

A kondicionálási eljárást módosították a korábban leírtakhoz képest [24]. Az immobilizált csótányok öt P +/V− vagy P−/V + előre-párosítási kísérletet kaptak (1B ábra) vagy P +/V− hátra-párosítási kísérleteket (1C ábra), 5 perc intervallum intervallummal. Az egyik P +/V− előre-párosítási kísérlet a borsmenta szag bemutatásából állt, 3 másodpercig a szacharózoldat bemutatása előtt, majd a vanília szagának későbbi bemutatásából, anélkül, hogy párosítottuk volna szacharózoldattal (1B ábra). Egy P−/V + előre-párosítási kísérlet a borsmenta szag párosítatlan bemutatásából és a vanília illat 3 másodperc előtti bemutatásából állt a szacharóz oldat bemutatása előtt. Egy P +/V− visszamenőleges párosítási kísérlet a borsmenta szag bemutatásából állt, 3 másodperc múlva a szacharóz oldat bemutatása után, majd az ezt követő páratlan vanília bemutatással (1C. Ábra). Egy kontroll kísérletben (önmagában CS kísérletek) a borsmenta és a vanília szagát felváltva ötször, 5 perces intervallumokkal adtuk meg (1D. Ábra). Egy másik kontrollkísérletben (egyedül az Egyesült Államokban végzett kísérletek) a szacharózoldatot ötször adtuk 10 percenként (1E. Ábra). Minden kísérletben a szag megjelenésének időtartama 4 mp volt.

A kondicionáló hatás megtartásának tanulmányozásához a szagok nyálreakcióit a csótányok egyes csoportjaiban végzett kondicionálás után 30 perccel, más csoportokban a kondicionálás után 1 nappal mértük. A csótányok 4 másodperces borsmenta, vanília és alma (kontroll) szagokat kaptak 6 percenként. A szagmegjelenítések sorrendjét randomizálták az egyének között, és az egyének adatait statisztikai értékelés céljából összesítették. A kondicionáló hatás 1 napos megtartásának vizsgálatára irányuló kísérletek során az immobilizált csótányokat nedves kamrában, szobahőmérsékleten tartották.

Eredmények

A nyálreakció a szaglás vagy ízlés ingerlésére

A csótányok egyik csoportjában borsmentát (folytonos vonal), vaníliát (törött vonal) és almaszagokat (szaggatott vonal) mutattunk be 4 másodpercig egy antennához 6 perc (A) intervallummal. A csótányok másik két csoportjában 4 µl 500 mM szacharóz-oldatot (folytonos vonal) vagy 5 M nátrium-klorid-oldatot (szaggatott vonal) juttattunk a szájba (C). 1 percenként mértük a nyálcsatornából szekretált nyál mennyiségét, és az értékeket átlagként ± egyenértékként mutatjuk be. Statisztikai értékelés céljából a szaglás (B) vagy az ízlelés (D) stimuláció (R; fekete sáv) kezdete után 2 percig kiválasztott nyál mennyiségét összehasonlítottuk a stimuláció előtti mennyiséggel (R0; fehér sáv). A csillagok jelzik a szignifikancia szintjét (** 0,05; WCX-teszt).

A nyálzás klasszikus kondicionálása

A csótányok két csoportját öt P +/V-kondicionálási kísérletnek vetették alá, és a nyál szintjének változását borsmenta, vanília vagy alma szag stimulációra válaszul 30 perc múlva mértük a kondicionáló kísérletek után a csótányok egy csoportjában és 1 napon egy másik csoportban végzett kondicionálási kísérletek után (3A – C. ábra). A csótányok további két csoportját öt sorozat P-/V + elő-párosítási kísérletnek vetettük alá, és ezekre a szagokra a nyálképzés válaszait mértük az egyik csoportban végzett kondicionálási kísérletek után 30 perccel, egy másik csoportban pedig a kondicionálási kísérletek után 1 nappal (1. ábra). 3D – F).

A csótányok egyik csoportjában borsmentát (folytonos vonal), vanília (törött vonal) és alma szagokat (szaggatott vonal) mutattak egy antennának 30 perc múlva öt P +/V− (A) vagy P−/V + (D) csatolás után. páros próbák. A szagokat 4 másodpercig, 6 perces időközökkel mutattuk be. 1 percenként mértük a nyálcsatornából szekretált nyál mennyiségét, és az értékeket átlagként ± egyenértékként mutatjuk be. A statisztikai értékeléshez a stimuláció kezdete után 2 percig szekretált nyál mennyiségét (R; fekete sáv) összehasonlítottuk a stimuláció előtti mennyiséggel (R0; fehér sáv) 30 percnél (B, E) vagy 1 nappal (C, F) öt P +/V− vagy P−/V + előre-párosítási kísérlet után. A csillagok jelzik a szignifikancia szintjét (** 0,05; WCX-teszt).

A nyálképzés szintjének növekedését figyelték meg, amikor a borsmenta vagy a vanília szagát az antennának a P +/V− (3A. Ábra) vagy a P−/V + (3D ábra) utáni párosítási kísérletek után 30 perccel mutatták be. A megnövekedett nyálképződés körülbelül 2 percig tartott. A nyálas válaszok statisztikai értékeléséhez összehasonlítottuk a szagstimuláció utáni 2 perces nyálfolyás szintjét a szagstimuláció előtti szinttel. A borsmenta vagy a vanília szaga a nyálelválasztás szintjének szignifikáns növekedését okozta a P +/V− után 30 perccel (3B. Ábra; N = 23; borsmenta: P 0,05, T = 115; 1 nap: N = 16; P> 0,05, T = 59,5) vagy P−/V + (3E. Ábra, F; borsmenta; 30 perc: N = 23; P> 0,05, T = 105; 1 nap: N = 17; P> 0,05, T = 73) előre- párosítási kísérletek, ill.

Kontroll kísérletek

A csótányok három csoportjában a borsmenta, a vanília vagy az alma szagára reagálva a nyálképzés szintjének változását mértük 30 perccel a P +/V− hátra párosítási kísérletek (4A. Ábra) vagy a CS egyedüli kísérletek (4B. Ábra) vagy 40 percnél csak az USA-ban végzett kísérletek után (4C. ábra). A szagstimulációra adott nyálreakciókat statisztikailag értékelték, összehasonlítva a szagstimuláció (2) után szekretált nyál mennyiségét a szagstimuláció után (R) a stimuláció előtti mennyiséggel (R0), Wilcoxon tesztjével.

A csótányok mindhárom csoportjában a borsmenta, a vanília és az alma szagára válaszul kiválasztott nyál mennyiségét a P +/V-hátra (A), a CS önmagában (B) vagy az USA-ban (C) kísérletek után 30 perccel mértük. A nyál mennyiségét 1 percenként mértük, és az értékeket átlagként ± s.m. Statisztikai értékelés céljából a szaglás stimulációjának kezdete után 2 percig szekretált nyál mennyiségét (R; fekete sáv) összehasonlítottuk a stimuláció előtti mennyiséggel (R0; fehér sáv). A csillagok jelzik a szignifikancia szintjét (** 0,05; WCX-teszt).

A borsmenta vagy a vanília szaga nem okozott változást a nyálas szintben a három kontrollcsoport egyikében sem, nevezetesen a P +/V− hátra párosító csoportban (N = 15; borsmenta: P> 0,05, T = 29; vanília: P> 0,05, T = 48), CS csoport önmagában (N = 17; borsmenta: P> 0,05, T = 70; vanília: P> 0,05, T = 65) és egyedül az USA csoport (N = 17; borsmenta: P> 0,05, T = 60,5) vanília: P> 0,05, T = 69). Az almaszag szignifikáns növekedést váltott ki a nyálfolyás szintjében az összes kontrollcsoportban (P +/V− visszafelé párosító csoport, N = 15; P 15 perc megvalósítható csótányokban [38] - [40]. Következő kísérletünk célja az agy és a suboesophagealis ganglion területeinek tanulmányozása, amelyek részt vesznek a nyálképzés kondicionálásában.

Szerző közreműködései

A kísérletek megtervezése és megtervezése: MM HW. Végezte el a kísérleteket: HW. Elemezte az adatokat: HW. Írtam a papírt: MM HW.