Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Visuelle Klassische Konditionierung in Waldameisen

Published: October 5, 2018 doi: 10.3791/58357
Automatic Translation
1,2,3, 1,3, 2,3
1Department of Informatics, University of Sussex, 2School of Life Sciences, University of Sussex, 3Centre for Computational Neuroscience and Robotics, University of Sussex

ERRATUM NOTICE

Summary

Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für die Klassische Konditionierung von geharnischten Ameisen, die es Forschern erlaubt, visuelles lernen und Gedächtnisbildung auf Ebene der Analyse mit frei beweglichen Einzelpersonen nicht möglich zu studieren.

Abstract

Mehrere Arten von Insekten geworden Modellsysteme für das Studium lernen und Gedächtnisbildung. Obwohl viele Studien konzentrieren sich auf frei beweglichen Tieren, Studien, die Umsetzung der klassischen Konditionierung Paradigmen mit geharnischten Insekten schon wichtig für die Untersuchung die genaue Hinweise, die Einzelpersonen zu lernen und die neuronalen Mechanismen lernen und Gedächtnisbildung. Hier präsentieren wir ein Protokoll für visuelle assoziativen Lernens in Waldameisen durch klassische Konditionierung hervorzurufen. Ameisen sind in diesem Paradigma genutzt und präsentiert einen visuellen Hinweis (der blaue Pappe), der bedingte Reiz (CS), gepaart mit einem faszinierendem Zucker Belohnung, der unbedingte Reiz (US). Ameisen führen eine Oberkiefer-Labium Erweiterung Reflex (MaLER), die bedingungslose Antwort (UR), die für das Lernen als eine Anzeige verwendet werden kann. Training besteht aus 10 Studien, getrennt durch ein intertrial 5-Minuten-Intervall (ITI). Ameisen sind auch für Merkfähigkeit 10 Minuten oder 1 Stunde nach dem Training getestet. Dieses Protokoll hat das Potenzial, Forscher zu analysieren, in einer präzisen und kontrollierten Weise die Details der visuellen Gedächtnisbildung und die neuronalen Grundlagen von lernen und Gedächtnisbildung in Waldameisen zu ermöglichen.

Introduction

Insekten haben weitgehend als Modelle für das Studium von lernen und Gedächtnis Bildung1benutzt worden. Eine besonders erfolgreiche Vene der Forschung umfasst die Verwendung der klassischen Konditionierung von zurückhaltenden Tieren ermöglicht präzise Kontrolle über die Signale gelernt und erlaubt Forschern, die neuronalen Mechanismen, die Grundlage für lernen und Gedächtnis zu untersuchen. Die meisten Studien konzentrierten sich auf die begehrliche Klassische Konditionierung der Arbeitnehmer Honigbiene Apis Mellifera. Die Honigbiene Arbeiter sind ausgebildet, ein CS mit einem US zu verknüpfen, die UR evoziert. In diesem Paradigma, ursprünglich von Takeda2 und Bitterman Et al. 3, UR ist der Rüssel Erweiterung Reflex (PER), die USA sind Zucker und die CS ist ein Geruch. Bienen erfahren Sie die Zuordnung zwischen der CS und den USA und ein Langzeitgedächtnis des Vereins bilden können.

Das ursprüngliche Paradigma mit das KGV als UR wurde zur Untermauerung olfaktorischen Lernens in Bienen4Nervenbahnen zu entwirren. Es wurde in mehrere Möglichkeiten zum Erlernen der verschiedenen Sinnesreizen, einschließlich visuelle Reize5,6,7, aversive lernen mit Unterdrückung der pro8 oder die Sting-Erweiterung zu integrieren testen modifiziert Reflex (SER)9 als UR und lernen in anderen Arten, wie Hummeln10 und Fruchtfliegen11zu testen. Obwohl Gedächtnisbildung mit mehreren Modalitäten durch klassische Konditionierung untersucht wurden, zeigen visuelle lernen immer noch schwer zu beobachten, mit diesem Ansatz ist auch in Arten, die ein hohes Maß an visuellen Lernfähigkeit bei der Nahrungssuche, wie Honigbienen.

Jüngste Studien haben einen ähnlichen Ansatz auf Insekten angewendet, die nicht über einen Rüssel, wie Heuschrecken, die spürbare Öffnung Antwort (POR)12durchführen, und Ameisen, die den Oberkiefer-Labium Erweiterung Reflex (MaLER)13durchführen. Dies hat bereits phasenspezifische Lernfähigkeit ergeben, die entsprechen die phasenspezifische Fütterungen Strategien die zwei verschiedenen Desert Locust-Phänotypen, die gesellig und solitarious Formen, erneut bestätigt die Idee, die Gedächtnisbildung übereinstimmen muss ökologische Ansprüche14. Darüber hinaus Studien über olfaktorische lernen in Ameisen hat gezeigt Ähnlichkeiten zwischen Ameisen und Bienen Gedächtnisbildung und Retention mit langfristigen Merkfähigkeit, 72 Stunden nach dem Training auf Protein Synthese15angewiesen zu sein.

Diese Anpassungen der ursprünglichen Paradigma konnten lernen und Gedächtnisbildung mit vielen Modalitäten und in mehreren Modell Arten untersucht werden. Dies ist wichtig für die Mechanismen von Bildung der gemeinsamen Speicher die Insekten, sondern auch zur Identifizierung von unterschieden, die die besondere Ökologie von lernen und Gedächtnis in verschiedenen Arten zu reflektieren. Das Hauptziel des Protokolls, die wir hier beschreiben soll eine Möglichkeit bieten, eine weit studierte Ameisenart Formica Rufaeine visuelle bedingte Reiz mit klassischen Konditionierung-Experimente durchführen. Er erscheint aus unserer Studie des visuellen Lernens Waldameisen16, das ist auch eine Anpassung der visuellen Klassische Konditionierung Paradigmen.

Protocol

1. die Aufrechterhaltung Formica Rufa Kolonien

Hinweis: Die Waldameise (Formica Rufa, L.) Kolonien verwendet für diese Studie wurden gesammelt von Ashdown Forest, Sussex, UK (N 51 4.680, E 0 1.800). Innerhalb des Vereinigten Königreichs sollten F. Rufa Kolonien zwischen Juli und August gesammelt werden. Ein guter Teil des Nestes muss entfernt werden, darunter mehrere hundert Arbeiter und Brut, um die Kolonie zu gewährleisten ist nachhaltig und aktiv für längere Zeit (bis zu einem Jahr). Durch die betroffenen Behörden vor dem Nest entfernen sollte Erlaubnis eingeholt werden.

  1. Haus der Waldameisen-Kolonien in einem breiten Feld (ca. 135 x 70 cm x 35 cm) mit Wände bedeckt mit Polytetrafluorethylen (PTFE) Harz (z.B., Fluon) zu verhindern, dass Ameisen entkommen, bei 21 ° C, unter einem 12 h Licht: 12-h dunklen Zyklus.
    1. Die Ameisen, Wasserspender mit anzubieten Sie Saccharose (333 g/L) und Wasser. Um sicherzustellen, dass die Ameisen Ernährung reich an Protein, füttern Sie die Kolonie mit gefrorenen Grillen 2 x pro Woche. Sprühen Sie das Nest mit Wasser jeden Tag, um es feucht zu halten.
    2. Zur Verbesserung der hygienischen Bedingungen der Kolonie fügen Sie Kiefernharz bei Bedarf hinzu; Kiefernharz reduziert Parasitismus in Holz Ameise Kolonien17. Legen Sie einen kleinen Behälter (ca. 15 cm im Durchmesser und 5 cm tief) im Nest, so dass Ameisen keine Toten Kolonie Mitglieder in sie einzahlen können.
  2. Halten Sie Ameisen unter den vorgenannten Bedingungen für mindestens 2 Wochen nach dem sammeln, bevor Sie versuchen, keine Experimente. Entfernen Sie die Saccharose aus dem Nest der Ameisen 2 d vor Experimenten, wodurch ihre Motivation zu verhungern.

2. Auswahl und Nutzung der Ameisen

Hinweis: Für die Nutzung der Ameisen, ist eine maßgeschneiderte Halterung erforderlich. Dies kann mit Modelliermasse konstruiert und ein Karton mit einem Schnitt öffnen attached to it. horizontal. Die Oberseite des Kartons sollten mit Wachs, schönem Insekt Pins während Befestigung angebracht werden, teilweise beschichtet werden. Sorgsamen Umgang ist erforderlich für jeden Schritt dieses Protokolls (einschließlich Wartung, Transport und Experiment), sondern vor allem, wenn Ameisen, zur Vermeidung von zu hohen Niveaus des Druckes vor dem Training unterwerfen nutzbar.

  1. Markieren Ameisen, die motiviert sind, Essen, legen Sie eine Folie mit einem Tropfen von Saccharose (200 g/L) in einer kleinen Schachtel (ca. 14 x 8 cm x 5 cm) mit Wände bedeckt mit PTF Harz zur Flucht zu verhindern. Wählen Sie keine Ameisen, die Holz oder Tote Ameisen aus dem Nest tragen. Ameisen, die an den Wänden des Nestes, kriechen statt, denn das sind eher Sammlerinnen, die versuchen, das Nest zu verlassen, um nach Futter zu suchen.
  2. Legen Sie jede Ameise in die Box und warten Sie ab, ob es ernährt sich von der Saccharose-Tropfen. Wenn dies der Fall, übertragen sie sofort ein weiteres leeres Feld Sättigung zu verhindern.
  3. Übertragen Sie jede Ameise auf einem separaten Rohr. Platzieren Sie jedes Rohr in den Gefrierschrank für 1-2 min oder crushed Ice für bis zu 5 min, um die Ameise zu immobilisieren.
  4. Setzen Sie die immobilisierte Ameise in den Halter, durch den Schnitt auf den Karton, indem das Gelenk zwischen Kopf und Thorax. Sicherzustellen Sie, dass die Antennen auf der Seite des Kopfes, mit Insekt Pins in die Schicht des Wachses auf dem Karton eingebettet bleiben.
  5. Benutzen Sie eine maßgeschneiderte Heizelement, die Spitze von einem Insekt Pin die Ameise Kopf, parallel zu den Karton Wachs. Während dieses Vorgangs nicht berühren die Antennen mit dem Heizelement Draht um anfallende Schäden an ihnen zu vermeiden.
  6. Nachdem das Wachs trocknet, entfernen Sie die Insekten Stifte halten die Antennen zu, und entfernen Sie vorsichtig die Ameise aus der Halterung.
  7. Beheben den Insekten Stift hält die Ameise in einer Modelliermasse Zylinder und Fix eine maßgeschneiderte Plastikhalter darunter gewährleisten die Ameise unterhält eine typische stehende Haltung und das der ganze Körper kann sich frei bewegen, außer den Kopf.
  8. Halten Sie die geharnischten Ameisen in der Dunkelheit für mindestens 2 h vor dem Training.

3. Ausbildung und Prüfung

  1. Einrichtung, konditionierte Stimulus und Unconditioned stimulus
    1. Experimente in einem weißen Acryl-Box (50 x 50 x 50 cm), vorne den Zugriff für den Experimentator zulassen, offen. Die Ameise Verhalten mit einer Kamera aufnehmen.
      1. Legen Sie die Kamera mit einem Makroobjektiv direkt über die Ameisen, durch eine Bohrung in der Oberseite der Box.
      2. Um jede überflüssige visuelle Hinweise zu reduzieren, halten Sie den Raum in der Dunkelheit mit Ausnahme einer Lichtquelle direkt an die Spitze der Acryl-Box (zwei 26-W Leuchten) zeigt.
    2. Verwenden Sie als einen visuellen Hinweis (CS) ein helles Blau (Spektrum in Abbildung S1) Karton Rechteck (60 x 45 mm) befestigt in der Mitte eine Nadel, verbunden mit einer Spritze (2 mL) mit denen die USA (Saccharose 200 g/L) erfolgt manuell, die Ameise (Abbildung 1A und 1 b ).
      Hinweis: Die Saccharoselösung kann mit keinen weißen Zucker erfolgen unter der Voraussetzung, dass es nicht Farbe und Geruch, wenn er im Wasser aufgelöst.
    3. Durchzuführen Sie zwei Arten der Ausbildung parallel gekoppelt und ungepaarten (siehe Erläuterung unten), in einer randomisierten Reihenfolge.
      Hinweis: In dieser Studie wir nicht auf die Art der visuellen Hinweis achten. Nur die Zuordnung zwischen den Cue und die Belohnung wurden berücksichtigt. Farbe und Form wurden nicht getestet, und es ist wahrscheinlich, dass ein CS mit anderen Features ähnliche Ergebnisse produzieren würde. Dennoch nahm die blaue Farbe, weil Ameisen aus der gleichen Gattung erwiesen haben, für Wellenlängen empfindlich sein, die die blaue Farbe18abdecken.
  2. Gekoppelte Ausbildung
    Hinweis: In der gekoppelten Ausbildung der CS und den USA werden vorgestellt in jeder Prüfung (Abbildung 1) miteinander verbunden.
    1. Starten Sie die Ameisen 10 s vor der Präsentation der CS um sicherzustellen, dass die Ameisen nicht spontan MaLER vor der Präsentation auf der Bühne. Wenn Ameisen MaLER in diesem Zeitraum durchführen, verschieben Sie die Studie für ein paar Sekunden. Wenn eine Ameise zeigt dieses Verhalten kontinuierlich, von der Analyse ausgeschlossen.
    2. Verschieben Sie die Spritze + CS vor die Ameise für ~ 10 s, mit der Spitze der Nadel zwischen die Ameise Gesicht und einem Maximum von 5 mm oben und auf jeder Seite gehalten. Während dieser Zeit bewegen Sie die Spitze der Nadel so nah wie möglich an die Ameise Kopf aber ohne Berührung der Antennen (Abbildung 1 b).
      Hinweis: Motion wurde aufgenommen, wenn die CS zu präsentieren, da sich gezeigt hat, eine Rolle im visuellen assoziativen Lernens in Honigbienen6.
    3. Druck, strahlen einen einzigen Tropfen von Saccharose von der Spitze der Spritze und die Tropfen von Saccharose neben der Antennen und Mundwerkzeuge, die Ameise, die Saccharose zu erkennen lassen. Ermöglichen die Ameise zu Futtermittel für ca. 5 s.
      Hinweis: Die Höhe der Saccharose Ameisen in jeder Studie verbraucht wurde in diese Experimente nicht kontrolliert. Drop von Saccharose auf welche Ameisen Feed groß genug sein, damit sie sich frei zu ernähren, für ca. 5 sollte s.
    4. Wiederholen Sie diesen Vorgang 10 X mit einer ITI von 5 Minuten.
      Hinweis: In diesen Experimenten wurden die Ameisen immer auf der rechten Seite, mit ihrem rechten Auge in der Nähe von der offenen Seite der Acryl-Box verwandelt. Daher, näherte sich die CS immer die Ameisen aus ihrer rechten Seite. Obwohl das Lernen nicht ungültig wird, können diese Experimente durch drehen, Hälfte der Ameisen auf der linken Seite und auf der rechten Seite, um jede mögliche Lateralisierung-Effekt zu vermeiden.
  3. Ungepaarte training
    Hinweis: Diese Ausbildung besteht zu präsentieren die Ameisen die CS oder den USA getrennt, diese beiden Reize sein, also getrennt von einander im Laufe der Zeit (Abbildung 1).
    1. Aufnahme der Ameisen 10 s vor jeder Prüfung zu beginnen.
    2. Präsentieren Sie die CS in der gleichen Weise wie gekoppelten Training zu aber liefern Sie nicht die Saccharose, die Ameise.
    3. Nach 2,5 min liefern Sie die USA direkt an die Mundwerkzeuge (auch berühren die Antennen) mit einer Spritze ohne die CS angeschlossen.
    4. Beginnen Sie mit einer CS-Studie und wiederholen Sie den Vorgang 10 X für jeden Versuch, sie mit einer ITI 2,5 min verschuppen.
  4. Testen
    Hinweis: Ein Test sollte durchgeführt nur 1 x entweder 10 Minuten oder 1 h nach dem letzten Training Prozeß sein; ein Test, in dem die Ameise mit dem CS aber nicht mit den USA dargestellt wird, könnte das Aussterben des assoziativen Gedächtnisses zuvor gebildet.
    1. Aufnahme der Ameisen 10 s vor dem Test zu beginnen.
    2. Präsentieren die CS der Ameise für ca. 10 s.
    3. Stellen Sie sicher, dass die Ameise noch motiviert, durch die Bereitstellung von Saccharose nach dem Test zu ernähren ist.

4. Datenerhebung und-Analyse

  1. Erfassen die Ameise Verhalten, von oben, 10 s vor jeder Prüfung und während der CS und US-Präsentationen. Stellen Sie sicher, dass alle Prüfungen und Tests zur späteren Analyse aufgezeichnet werden.
  2. Mit den Aufnahmen, die während der Ausbildung und Prüfung, die Ameisen Reaktionen während der 10 Punkte s CS-Präsentation.
  3. Trennen Sie die Ameisen Antworten während der CS-Präsentation in drei Arten von Verhalten, abhängig von der Ausdehnung und Bewegung die Mundwerkzeuge: Vollauszug mit Bewegung (FEM) als ob Fütterung, Vollauszug ohne Bewegung (FE) oder partielle Erweiterung (PE) von der Oberkiefer-Labium oder Kiefer Palpen (Abbildung 2A - 2D). Für Analyse Gruppe alle MaLER-Arten als eine einzelne Antwort (Abb. 2E).
  4. Schließen Sie jede Ameise aus, die Tat nicht in jedem Test und Test-feed.
    Hinweis: Für die Analyse, ein statistischer Test, der einzelne Ameisen berücksichtigt empfiehlt sich somit entfallen Variabilität innerhalb von Individuen. Wenn Ameisen Reaktionen während des Trainings in einer binären Weise (1 für positive Reaktionen und 0 für keine Antwort) zu klassifizieren, ist logistische Regression mit gemischten Effekten ratsam16,19. Für den Vergleich des Anteils der Ameisen reagiert in jedem Training Test oder Test, ein G-Test oder Fishers exakter Test wird empfohlen, abhängig von der Anzahl der Ameisen analysierten16,20.

Representative Results

Während der klassischen Konditionierung Experimente muss die CS nicht dazu veranlassen, eine spontane Reaktion bei den Tieren. In den Experimenten, die wir durchgeführt, durchgeführt nur 3 % - 4 % der Ameisen MaLER in Reaktion auf die visuellen Hinweis auf die erste Studie, vor dem Training. Ameisen, die eine gekoppelte Ausbildung befanden immer mehr MaLER in Reaktion auf die CS durchgeführt (Abb. 3A, logistische Regression, N = 51, Freiheitsgrade (df) = 507, Z = 5.949, p < 0,01). Der Anteil der gekoppelten Ameisen, die auf die CS reagieren Plateau rund 50 %, ab dem dritten Versuch ab. Im Gegenteil, ungepaarte Ameisen zeigte keine signifikante Zunahme der MaLER während des Trainings (Abb. 3 b, logistische Regression, N = 29, df = 287, Z = 0.758, p = 0,45). Das Auftreten von MaLER als Reaktion auf die visuelle Cue war signifikant höher bei gekoppelt als ungepaarte training (logistische Regression, N = 80, df = 796, Z =-5.306, p < 0,01), das galt auch für jede Prüfung mit Ausnahme der ersten (Tabelle 1).

Für die Prüfung ihrer kurz- und mittelfristigen Speicher15, die Ameisen getestet wurden 10 Minuten oder 1 Stunde nach dem letzten Training-Prozess. Für beide Tests lag der Anteil der Ameisen darstellende MaLER in Reaktion auf die CS deutlich höher, wenn sie paarweise als ungepaarte Ausbildung (Abbildung 3 und 3D; absolviert hatte ( Tabelle 1).

Während der Ausbildung, individuelle Ameisen zeigte erhebliche Unterschiede in der Anzahl und Art der MaLER (Abbildung 4A und 4 b) angezeigt. Nur 14 % der gekoppelten Ameisen reagiert in jeder Prüfung aus der zweiten oder dritten Versuch vorwärts, während die meisten Ameisen Studien, abwechselnd in denen sie geantwortet haben und in denen sie nicht. Auf diese Ausbildung Prüfungen in denen Ameisen reagiert, variiert die inwieweit sie erweitert und zog ihre Mundwerkzeuge. Daher wir MaLER in drei verschiedene Typen unterteilt: FEM, FE oder PE. In der Regel durchgeführt Ameisen häufiger als FE FEM oder PE. Nur ein paar Ameisen durchgeführt jedoch konsequent die gleiche Art von Reaktion; in den meisten Fällen zeigte Ameisen wenig Konsistenz über die Art der MaLER sie durchgeführt (Abbildung 4).

Figure 1
Abbildung 1 : Versuchsaufbau und Ausbildungsprogramm. (A) Fix die Ameise mit Wachs, um ein Insekt Stift zu einer Modellierung angebracht Ton Zylinder (orange) und Ort eine maßgeschneiderte Halterung unterhalb es erlauben einen naturalistischen Standpunkt. Legen Sie sie in einem weißen Acryl-Box durch zwei Lichtquellen direkt unter einer Kamera beleuchtet. Verwenden Sie als konditionierten Stimulus (CS) Pappe (blaues Quadrat) befestigt an der Spritze, die die Unconditioned Stimulus (US), eine Belohnung von Zucker liefert. Der Ausschnitt zeigt eine Nahaufnahme einer Ameise in den Halter. (B) die Spitze der Spritze Nadel bewegt sich so nah wie möglich an die Ameise Kopf aber ohne die Antennen zu berühren, wie in diesem Schaltplan dargestellt. Gepaart Zug Ameisen durch entweder ein (C) oder (D) ungepaarten Training. Diese Zahl wurde von Fernandes Et Al. modifiziert 16. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : Der Oberkiefer-Labium Erweiterung Antwort Waldameisen. Einzelbilder aus Videoaufnahmen zeigen Ameisen Mundbewegungen Teil während des Trainings. (A) dieses Panel zeigt keine Reaktion. (B) dieses Panel zeigt einen Vollauszug (FE) von der Oberkiefer-Labium, das endet in der Glossa. (C) dieses Panel zeigt eine partielle Erweiterung (PE) mit nur der Oberkiefer Palpus sichtbar. (D) dieses Panel zeigt eine partielle Erweiterung (PE) der Oberkiefer-Labium Strukturen. (E) Ameisen gekoppelte Ausbildung (N = 51) einen Vollauszug mit Bewegung (FEM, dunkelbraun), führen Sie eine FE (mittelbraun) oder PE (hellbraun). Diese Zahl wurde von Fernandes Et Al. modifiziert 16. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 : Holz-Ameisen Form assoziative Erinnerungen an einen visuellen Hinweis mit einer Zucker-Belohnung gepaart. (A) der Anteil der gekoppelten Ameisen (N = 51) Durchführung MaLER in Reaktion auf die CS-Präsentation deutlich erhöht, während des Trainings. (B) der Anteil der Ameisen, die Durchführung von MaLER nicht zu einer Erhöhung deutlich ungepaarte Training (N = 29). Ameisen wurden getestet (C) 10 Minuten (gepaart: N = 15; ungepaarten: N = 15) oder (D) 1 Stunde (gepaart: N = 15; ungepaarten: N = 14) nach dem letzten Training-Prozess. Der Anteil der Ameisen reagieren auf die CS während und nach dem Training gepaart oder ungepaart sind in braun oder grau, bzw. vertreten. Die drei Arten von MaLER sind im Dunkeln (FEM), Medium (FE) und Licht (PE) Töne vertreten. Diese Zahl wurde von Fernandes Et Al. modifiziert 16. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : Individuelle Leistung von Ameisen während des Trainings. Diese Tafeln zeigen die Einzelleistungen von (A) gekoppelten Ameisen und (B) ungepaarten Ameisen. Die drei Arten von MaLER sind dunkel (FEM), Medium (FE) und hellbraun (PE) oder grau dargestellt. Diese Zahl wurde von Fernandes Et Al. modifiziert 16. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Testversion N DF G (angepasst) P
1 80 Na Na > 0,1
2 80 1 3.86 < 0,05
3 80 1 8,41 < 0,01
4 80 1 6,63 < 0,01
5 80 1 8,41 < 0,01
6 80 1 7.5 < 0,01
7 80 1 10,69 < 0,01
8 80 1 11,76 < 0,01
9 80 1 17.13 < 0,01
10 80 1 17.13 < 0,01
10 min 59 1 5.5 < 0,05
1 h 59 1 4.42 < 0,05

Tabelle 1: Vergleich der MaLER Reaktionen auf die CS zwischen Ameisen, die durchgemacht hatte gepaart und ungepaarten Training für jeden Versuch und Test Die Anzahl der Ameisen (N), Anzahl der Freiheitsgrade (df), G-Prüfung der Unabhängigkeit (G) und p-Wert angezeigt. Die erste Studie wurde mit einem Fishers exakter Test analysiert. Diese Tabelle wurde von Fernandes Et Al. modifiziert 16.

Discussion

Klassische Konditionierung ist eines der etabliertesten Paradigmen, lernen und Gedächtnis zu studieren. Das Protokoll, die, das wir hier vorgestellt, wird, eine Anpassung des Paradigmas ausschließlich für Honig Biene Arbeitnehmer2,3 und anschließend mit einigen anderen Arten, wie Hummeln, Fruchtfliegen, die auch v. als einer Anzeige verwenden, für das Lernen10 ,11, und Heuschrecken und Ameisen, die POR und MaLER, bzw.12,13zu verwenden. Mit diesem Protokoll, es ist möglich, trainieren geharnischten Waldameisen zu lernen die Zuordnung zwischen einer visuellen Hinweis und eine Zucker-Belohnung und analysieren die Beibehaltung dieser kurz-(10 min) und mittelfristig (1 Stunde) Speicher16.

In jedem Verhalten Experiment ist es notwendig zu berücksichtigen wichtige Schritte, die die Variabilität in den Tieren Reaktionen minimieren können. In dem hier vorgestellten Protokoll sind mehrere Maßnahmen ergriffen, um Variabilität vor und während des Trainings zu minimieren. Vor Beginn der Experimente die Kolonie muss für mindestens zwei Tage gehungert und Ameisen basierend auf ihre Bereitschaft, aus einem Zucker-Tropfen in die Holding Box Essen ausgewählt werden sollte. Auswahl von Ameisen auf diese Weise soll die Möglichkeit der Ausbildung Ameisen zu maximieren, die motiviert sind, zu ernähren. Sorgfältige Handhabung ist auch ein wichtiger Aspekt, weil es helfen kann, um Stress zu reduzieren, stört das Lernen, wenn es zu intensiv21ist. Zu diesem Zweck sollte Ameisen mit Kälte zu unbeweglich bleiben, während genutzt werden, weil jede Bewegung (zur Flucht) während dieses Vorgangs eine Quelle von Stress sein könnte betäubt werden. Darüber hinaus sollte der Kontakt zwischen die Ameise und das Wachs werden minimal, Vermeidung des Kontakts zwischen den Antennen und heißem Wachs oder Draht, die Schaden anrichten. Obwohl diese Beobachtungen nicht formal analysiert wurden, schien die Antennen mit einem bestimmten Muster während der Lernphase zu bewegen.

Während der Experimente ist sorgfältige Lieferung des Zuckers auch wichtig Ameisen motiviert zu halten. Wieder, während dies formell nicht analysiert wurde, schien abrupte Foodkurier zusätzlichen Stress zufügen der Ameise, was wiederum zu einem Mangel an Motivation und Lernen geführt. Darüber hinaus die Saccharose geliefert während des Trainings sollte eine geringere Konzentration (200 g/L), Sättigung vor dem Ende des Trainings zu vermeiden und testen. Dadurch können MaLER ein guter Kandidat unbedingte Reaktion sein, denn zusammen mit einer spontanen Leistung bei schwachem dieser Reaktion auf die visuellen Hinweis, auch nicht über Versuche sättigen. Schließlich, im Gegensatz zu den meisten klassischen Konditionierung Studien2,3,5,6,7,8,9,10, 11 , 12 , 13, trainierten wir eine Ameise zum Zeitpunkt bis zum Ende des Experiments, so dass es im Ort zwischen Studien, anstatt entfernen, um einer anderen Ameise zu testen. Variabler Ergebnissen, die durch eine Zunahme an Stress und/oder Konflikt zwischen Bildinformationen durch die komplette Tapetenwechsel verursacht möglicherweise schien mehrere Ameisen zusammen zu trainieren. Um die Dauer der einzelnen Experimente zu reduzieren, haben wir einen 5-minütigen ITI anstelle der 10-minütigen ITI verwendet in den meisten klassischen Konditionierung Studien16verwendet. Obwohl all diese Überlegungen dazu beitragen, sollten sicherstellen, dass die Ameisen zu füttern und während des Trainings lernen motiviert sind, kann nicht einige Variabilität vermieden werden. Wir empfehlen die Verwendung von Ameisen, die scheinen normales Sozial-, begehrliche und Fortbewegung Verhalten haben und ausschließlich Ameisen aus der Analyse der Moment, den sie nicht ernähren sich von einer Ausbildung Prüfung oder einen Test.

Die Natur des CS wurde in dieser Studie nicht getestet. Obwohl wir einen blauen visuellen Stimulus verwendet haben, da diese Wellenlängen18Ameisen der Gattung derselben sind, könnten andere Farben auch in Verbindung mit einer Belohnung erlernt werden. Weitere Experimente würde erforderlich sein, zur vollständigen Charakterisierung der Farben gesehen und gelernt in diesem Set-up. Dies gilt auch für die verschiedenen Formen und Größen des visual Cues. Wir haben nicht getestet, wenn Ameisen Ortsauflösung ausreichen würde, für die Unterscheidung der visuellen Stimulus präsentiert hier in der Entfernung von den Ameisen Augen, der es vorgestellt wurde. Obwohl Holz Ameisen Facettenaugen in Bezug auf Größe und Anzahl der Facetten22, nach unserem Kenntnisstand beschrieben wurden hat ihre räumliche Auflösung voll bislang nicht beschrieben. Jedoch wurde dies für Melophorus Magoti23berechnet. Eine ähnliche Charakterisierung der Waldameisen oder anderen getesteten Insekten Augen würde eine klare Untersuchung der Eigenschaften des visuellen Hinweis beitragen beobachtet und von den Tieren gelernt. Darüber hinaus enthalten wir Bewegung, wenn der visuellen Reiz zur Ameise zu präsentieren, weil sich gezeigt hat, eine Rolle in Honigbiene assoziativen Lernens während der klassischen Konditionierung6. Jedoch konnte dies auch in dieser Studie und aufgrund der unterschiedlichen Bewegung von fliegenden Insekten, die im Vergleich zu wenige Insekten nicht getestet wurde, Unterschiede zwischen Honigbienen und Ant visuelle Klassische Konditionierung beobachtet werden.

Ein letzter Punkt konnten wir langfristige Merkfähigkeit zu untersuchen, weil Ameisen nicht überlebt haben, für so lange Zeiträume nach dem Training genutzt werden. Jedoch in den nachfolgenden Sätzen Experimente, wir haben Ameisen am Leben gehalten und motiviert zu essen und zu lernen, wenn nutzbar gemacht und ließ sie über Nacht in einer dunklen und feuchten Umgebung (platzieren eine Box über sie). Daher könnte dieses Paradigma verwendet werden, um langfristige Merkfähigkeit Waldameisen, neben kurz- und mittelfristig Speicher zu entwirren.

Mit diesem einfachen Verfahren adaptiert von allgemeinen klassischen Konditionierung Paradigmen ist es möglich, studieren die Gewinnung und Bindung von visuellen Erinnerungen in geharnischten Waldameisen, die weithin in Paradigmen, die Verwendung von frei beweglichen Tieren untersucht worden sind. Dieses Paradigma hat das Potenzial, für die Analyse der neuronalen Grundlagen des visuellen Lernens in einem sehr gut etablierten Modell für Insekten Navigation verwendet werden.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren danken Tom Collett und Cornelia Buehlmann für den Austausch von wertvollen Informationen zur Erfassung und Pflege von Holz Ameisenkolonien. Die Autoren danken auch Justine Crevel für frühere Versionen von diesem Artikel kommentieren.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chittka, L., Niven, J. Are bigger brains better? Current Biology. 19 (21), R995-R1008 (2009).
  2. Takeda, K. Classical conditioned response in the honey bee. Journal of Insect Physiology. 6, 168-179 (1961).
  3. 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).
  4. Menzel, R., Muller, U. Learning and memory in honeybees: from behavior to neural substrates. Annual Review of Neuroscience. 19 (1), 379-404 (1996).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Wright, G., et al. Parallel reinforcement pathways for conditioned food aversions in the honeybee. Current Biology. 20 (24), 2234-2240 (2010).
  9. 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).
  10. Laloi, D., et al. Olfactory conditioning of the proboscis extension in bumble bees. Entomologia Experimentalis et Applicata. 90 (2), 123-129 (1999).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Fernandes, A. S. D., Buckley, C. L., Niven, J. E. Visual associative learning in wood ants. Journal of Experimental Biology. 221 (3), 173260 (2018).
  17. Christe, P., Oppliger, A., Bancala, F., Castella, G., Chapuisat, M. Evidence for collective medication in ants. Ecology Letters. 6 (1), 19-22 (2003).
  18. Aksoy, V., Camlitepe, Y. Behavioural analysis of chromatic and achromatic vision in the ant Formica cunicularia (Hymenoptera: Formicidae). Vision research. 67, 28-36 (2012).
  19. Bates, D. M. lme4: Mixed-Effects Modeling with R. , Springer. New York, NY. (2010).
  20. Sokal, R. R., Rohlf, F. J. Biometry (3rd edn). , W.H. Freman and Company. New York, NY. (1995).
  21. Bateson, M., Desire, S., Gartside, S. E., Wright, G. A. Agitated honeybees exhibit pessimistic cognitive biases. Current Biology. 21 (12), 1070-1073 (2011).
  22. Perl, C. D., Niven, J. E. Differential scaling within an insect compound eye. Biology letters. 12 (3), 20160042 (2016).
  23. 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).

Tags

Verhalten Ausgabe 140 visuelle Hinweise faszinierendem Konditionierung lernen Gedächtnis MaLER Formica Rufa

Erratum

Formal Correction: Erratum: Visual Classical Conditioning in Wood Ants
Posted by JoVE Editors on 12/31/1969. Citeable Link.

An erratum was issued for: Visual Classical Conditioning in Wood Ants. The Acknowledgments section was updated, and a supplemental figure was added.

The Acknowledgments sections was updated from:

The authors thank Tom Collett and Cornelia Buehlmann for sharing valuable information regarding collection and maintenance of wood ant colonies. The authors also thank Justine Crevel for commenting on previous versions of this article.

to:

The authors thank Tom Collett and Cornelia Buehlmann for sharing information regarding collection and maintenance of wood ant colonies. The authors also thank Justine Crevel for commenting on previous versions of this article, and Nora Nevala for measuring the spectrum intensity of the visual stimulus. This work was supported by a BBSRC grant to JEN (grant number BB/R005036/1). All the data pertaining to this manuscript are published in the University of Sussex Research Data Repository online database (10.25377/sussex.5794386).

The following supplemental figure was added to the end of the Representative Results section:

Supplemental Figure 1
Figure S1: Normalized intensity of the conditional stimuli (CS). The CS has a peak intensity at 545 nm (in the green range) and another at 435 nm (in the blue range).

Visuelle Klassische Konditionierung in Waldameisen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

D. Fernandes, A. S., Buckley, C. L., … More

D. Fernandes, A. S., Buckley, C. L., Niven, J. E. Visual Classical Conditioning in Wood Ants. J. Vis. Exp. (140), e58357, doi:10.3791/58357 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter