我们先前已建立了秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)通过集中训练和间隔训练分别形成短期和长期关联记忆的实验方案。本文详细描述了将1-丙醇和盐酸分别作为条件刺激和非条件刺激配对,对秀丽隐杆线虫(C. elegans)进行条件化处理以形成厌恶性关联记忆的具体实验步骤。
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我们先前已建立了秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)通过集中训练和间隔训练分别形成短期和长期关联记忆的实验方案。本文详细描述了将1-丙醇和盐酸分别作为条件刺激和非条件刺激配对,对秀丽隐杆线虫(C. elegans)进行条件化处理以形成厌恶性关联记忆的具体实验步骤。
线虫 Caenorhabditis elegans 是研究学习与记忆在分子和细胞水平机制的理想模式生物,因其神经系统结构简单,且其化学和电突触连接图谱已通过薄切片连续电子显微图像完全重建。本文中,我们描述了利用集中式和间隔式训练对 C. elegans 进行条件化处理以分别形成短期记忆(STM)和长期记忆(LTM)的详细实验方案。通过将1-丙醇和盐酸分别作为条件刺激和非条件刺激进行配对,成功诱导了 C. elegans 形成厌恶性关联的短期记忆和长期记忆。未经训练的动物原本会被1-丙醇吸引,而经过训练的动物则不再被吸引或仅有极微弱的趋性。与其他生物(如 Aplysia 和 Drosophila)类似,“学习与记忆相关基因”在记忆形成过程中发挥着关键作用。特别是,在 C. elegans 中仅表达于六对中间神经元中的NMDA型谷氨酸受体,对于短期记忆和长期记忆的形成均是必需的,可能作为共激活的检测因子发挥作用。因此,记忆痕迹可能存在于这些中间神经元之间。
学习和记忆对于动物在不断变化的环境中有效生存和繁殖至关重要。C. elegans 是研究学习与记忆分子和细胞机制的理想模式生物,因其神经系统结构简单,且其化学和电突触连接图已通过薄切片连续电子显微图像完全重建1,2,3。
C. elegans 能够学会将培养温度与饥饿关联起来,并迁移离开其生长温度,形成持续数小时的厌恶记忆4,5。 在无食物条件下用氯化钠(NaCl)对 C. elegans 进行训练,会导致其对 NaCl 的趋化性降低6,7,8。当丁酮与食物同时出现时,由于趋利性学习,线虫对丁酮的趋向性增强9,10,11。尽管这些现象被解释为联想学习与记忆10,12,但在 C. elegans 的学习与记忆范式中,联想学习与非联想性的敏感化、习惯化及适应之间的区别尚不明确13,14。事实上,经过丁酮与食物剥夺训练(厌恶训练)的动物,其丁酮感觉神经元 AWCON 与靶神经元之间的连接因来自其他神经元(包括 AIA 中间神经元)的胰岛素信号而减弱;而经过丁酮与食物共同训练(趋利性训练)的动物,则表现出 AWCON 与靶神经元之间连接的增强15。胰岛素信号通路通过核内 EGL-4 及其他转录调节因子引发基因表达的改变16,17。因此,这种厌恶性和趋利性学习与记忆分别类似于 Aplysia 鳃缩反射中突触前感觉神经元的非联想性习惯化与敏感化18,19。
通过将两种化学物质分别作为条件刺激(CS)和非条件刺激(US),我们及其他研究者已建立了用于条件化训练的实验方案 秀丽隐杆线虫 形成联想学习与记忆,而无需使用食物或饥饿作为非条件刺激20,21,22,23在本研究中,实验方案经过修改,采用1-丙醇和盐酸(HCl,pH 4.0)分别作为条件刺激(CS)和非条件刺激(US),以建立厌恶学习及短期记忆(STM)和长期记忆(LTM)的动物模型。 naive 秀丽隐杆线虫 被1-丙醇吸引24 被酸排斥25当使用1-丙醇和HCl(pH 4.0)混合物进行处理时, 秀丽隐杆线虫 对1-丙醇的趋化性消失或变得非常微弱。
1. 配方
2. 同步化秀丽隐杆线虫(C. elegans)的制备
3. 短期关联学习与记忆的大规模训练
注意:质量训练工作流程见图1。
4. 长期关联学习与记忆的间隔训练
注意:参见图2以了解间隔训练的工作流程。
5. 趋化性实验
C. elegans 通过集中训练形成短期厌恶性关联记忆,训练中以1%水溶液1-丙醇和盐酸(pH 4.0)分别作为条件刺激(CS)和非条件刺激(US)。根据上述方案,同步化线虫在18 °C室温下于培养板上培养5天,随后在18 °C室温下用ddH2O 轻柔清洗2次。接着,将线虫用1%水溶液1-丙醇与盐酸(pH 4.0)的混合液处理1秒进行条件化。同时,我们还设置了仅使用ddH2O、仅使用1%水溶液1-丙醇或仅使用盐酸(pH 4.0)处理的线虫作为对照。条件化后,线虫用ddH2O 清洗1次。条件化过程连续重复10次,中间无间隔(无ITIs)。重复7次以上至10次可成功实现条件化;超过10次则导致学习效率降低21。训练结束后,线虫在室温(18 °C)下于细菌食物上静置休息10分钟。随后用ddH2O 清洗3次,将线虫重悬于0.25%水溶液明胶中,转移至微量离心管,并依靠重力沉降至管底。尽可能去除上清液后,将线虫用趋化性检测缓冲液轻柔重悬,再依靠重力使其再次沉降至管底。
在尽可能去除上清液后,将动物悬液点在趋化行为检测平板中心的圆圈内,平板置于18 °C室温环境中,随后让动物在18 °C室温下自由移动10分钟。化学趋向指数(C.I.)值的计算方法见图3B所示公式。如图4A所示,经1% 1-丙醇与HCl混合物训练的动物对琼脂平板上点加的5% 1-丙醇不再表现出趋化吸引,而未经训练的对照组动物和参考组动物则均对5% 1-丙醇表现出相似的趋化吸引。在集中训练(步骤3)后,该记忆在3 h内即不再可检测20。此外,集中训练形成的学习记忆对低温休克敏感20。这些结果表明,C. elegans可通过集中训练成功形成厌恶性短期记忆(STM)。
动物还通过间隔训练进行了10次条件化,每次训练步骤之间间隔10分钟(步骤4.)。在间隔时间内,装有动物的收集器被放置于6 cm NGM平板上的细菌草坪中,室温(RT)为18 °C。经过间隔训练并使用1%水溶液1-丙醇与HCl(pH 4.0)混合物处理的动物,与仅使用1% 1-丙醇、仅使用HCl(pH 4.0)或仅使用ddH2O处理的动物相比,对5% 1-丙醇的趋向性显著降低(图4B)。间隔训练后,动物的记忆保持时间超过12 h20,21。此外,当动物被施以翻译或转录抑制剂时,记忆无法形成,且该记忆对冷休克具有抗性20,21。因此,C. elegans通过间隔训练成功形成了厌恶性长时记忆(LTM)。
我们还研究了“学习和记忆基因”中的突变对短期记忆(STM)和长期记忆(LTM)形成的影响。crh-1 基因编码普遍存在的转录因子cAMP反应元件结合蛋白(CREB),glr-1 和 nmr-1 分别编码α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)型和N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)型谷氨酸受体亚基,而 stau-1 编码双链RNA结合蛋白Staufen同工型。这些基因在秀丽隐杆线虫(C. elegans)、果蝇(Drosophila)、海兔(Aplysia)和小鼠的经典条件反射中发挥关键作用。使用1%水溶液正丙醇与盐酸(pH 4.0)的混合液时,短期记忆和长期记忆的形成依赖于所有这些基因(图5A、B)。

图 1:群体训练实验示意图。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:间隔训练的实验示意图。 请点击此处查看此图的放大版本。

图3:趋化实验与趋化指数。(A)趋化实验平板的示意图。将直径为6 cm的培养皿分为四个区域,如图所示,在距离中心2 cm的对角位置分别点加4 μL的5%水溶液1-丙醇或ddH2O,每种溶液各点两个位置。(B)趋化指数通过图示公式计算,方法是在趋化实验结束后计数区域“a”和“b”中的动物数量。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:经化学物质训练后动物的化学趋向指数值。 同步化的野生型 N2 动物分别接受以下条件训练:(A)集中式训练 10 次,或(B)分散式训练 10 次。集中训练和分散训练方案的流程图分别见 图 1 和 图 2。训练结束后,动物在 18 °C 的室温下于 6 cm 琼脂平板上自由移动 10 分钟,以进行化学趋向性检测。化学趋向指数(C.I.)值的计算方法见 图 3B 所示公式。本图数据详见 补充表 1。未经训练(naïve)动物的数据在两个子图中均被重新绘制。柱状图显示第一四分位数、中位数和第三四分位数。星号(*P < 0.05)表示通过单因素方差分析(one-way ANOVA)结合 Dunnett 多重比较检验确定的统计学显著差异。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5:条件化突变动物的学习指数值。 同步化的野生型 N2 及所示突变型动物使用 1% 水溶液 1-丙醇与 HCl(pH 4.0)进行(A)10 次集中训练或(B)10 次分散训练。所用集中训练与分散训练方案的流程图分别见图 1和图 2。训练后,动物在 18 °C 常温下于 6 cm 琼脂平板上自由移动 10 分钟,进行趋化性检测。本图数据见补充表 2。柱状图显示第一四分位数、中位数和第三四分位数。星号(*P < 0.05)表示通过单因素方差分析(one-way ANOVA)结合 Dunnett 多重比较检验确定的统计学显著差异。请点击此处查看该图的放大版本。
补充图1:年轻成年动物对化学处理敏感。孵化后第4天和第5天的野生型N2动物连续进行10次盐酸(HCl,pH 4.0)群体训练,随后检测其对5%水溶液1-丙醇的趋化性。柱状图表示均值 ± 标准误(n = 19)。星号(*P < 0.05)表示经双因素方差分析(two-way ANOVA)及Tukey-Kramer事后检验确定的统计学显著差异。请点击此处下载该文件。
补充表 1:对应于图 4的数据。 请点击此处下载该表格。
补充表 2:对应于图 5的数据。 请点击此处下载该表格。
在本研究中,所有试剂均平均保持在约 18 °C 的室温条件下,动物也在室温下的实验台上培养,以避免对动物造成应激。此外,所有实验操作均在室温下进行。动物最初在 20 °C 的培养箱中培养,随后使用室温试剂在约 24 °C 的实验台上进行条件处理。在这些条件下,条件处理的结果变异较大。在较低的室温下,C. elegans 生长缓慢,需要比 20 °C 更长的培养时间才能达到成年成熟阶段,因为年轻的成年动物对用于条件处理的化学物质比成熟的成年动物更敏感,可能表现出较低的 C.I. 值。
成功诱导条件化的最关键步骤是在每次化学处理后立即用ddH2O清洗动物。因此,应通过使用切口吸头、将试剂保持在室温(RT),并在ddH2O中极其轻柔地缓慢上下移动动物收集器,以尽量减少机械和温度刺激。每次条件化处理后对动物进行彻底清洗可能会影响其学习与记忆能力。趋化性检测平板的条件也显著影响实验结果。过于干燥或过于湿润的平板会阻碍动物的顺畅运动。平板制备方法如步骤1所述;理想的平板应在点样后约5分钟内完全吸收4 µL的ddH2O或5%水溶液1-丙醇液滴。如上所述,动物的年龄对于成功诱导条件化同样至关重要。年轻成虫对机械和化学处理较为敏感,可能导致结果不稳定,而年龄过大的动物也可能不适合进行条件化处理。
1-丙醇的保质期因品牌和批次而异,在室温下通常少于3个月。当未处理动物的C.I.值变差时,建议使用新鲜的1-丙醇进行条件化和趋化性实验。
通过集中训练形成记忆不受翻译抑制剂(环己酰亚胺和放线菌酮)和转录抑制剂(放线菌素D)处理的影响,而通过间隔训练形成记忆则显著受到这些抑制剂的抑制20,21。此外,前一种记忆可被低温休克消除,而后一种记忆比前者维持时间更长,且对低温休克具有抗性。这些结果表明,前者为短期记忆(STM),后者为长期记忆(LTM)20,21。然而,通过集中训练形成的记忆可能包含短期记忆和中期(中间期)记忆,因为短期记忆对CREB转录因子的依赖性较弱(图5A)。这与短期记忆可维持超过1小时的结果一致20,21。短期记忆和长期记忆的形成均高度依赖于nmr-1,该基因仅在秀丽隐杆线虫(C. elegans)的六对神经元(AVA、AVD、AVE、RIM、AVG和PVC)中表达27,28。因此,在这些神经元中,NMDA受体可能作为1%水溶液1-丙醇与盐酸(pH 4.0)信号的分子一致性检测器,介导突触可塑性,其中短期记忆和长期记忆所需的突触增强可由突触前和突触后神经元的同步放电所引发29,30,31,32,33。 因此,厌恶性关联记忆可能在中间神经元之间形成。
本研究中描述的方法应适用于以1-壬醇作为条件刺激(CS)、氯化钾作为非条件刺激(US)的趋性嗅觉学习以及短期和长期关联记忆21。比较参与趋性记忆与厌恶性记忆形成的神经回路具有重要意义。
作者声明无利益冲突。
我们感谢Takashi Murayama、Ei-ichiro Saita、Iou Ven Chang和Hitomi Ohtaki在技术方面提供的帮助以及对本文手稿的宝贵意见。菌株由线虫遗传学中心(Caenorhabditis Genetics Center)提供,该中心由美国国立卫生研究院(NIH)研究资源国家中心(NCRR)资助。本研究工作得到了冲绳科学技术大学院大学经费的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 0.2 mL 移液器吸头 | Thermo Fisher Scientific | TTW110RS-Q | |
| 1.0 mL 移液器吸头 | Thermo Fisher Scientific | H-111-R100NS-Q | |
| 1.5 mL 塑料离心管 | Eppendorf | 0030120086 | |
| 2 mL 塑料离心管 | Eppendorf | 0030120094 | |
| 10 mL 血清移液管 | As One | 2-5237-04 | |
| 50 mL 血清移液管 | As One | 2-5237-06 | |
| 6 孔细胞培养板 | Costar | 3516 | |
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| 本生灯 | EISCO | SKU CH0089A | |
| 二水合氯化钙 | Nacalai Tesque | 06730-15 | |
| C. elegans 突变株 | Caenorhabditis Genetics Center | ||
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| E. coli OP50 | Caenorhabditis Genetics Center | ||
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| 野生型 C. elegans 菌株 N2 | Caenorhabditis Genetics Center |
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