Um sinnvoll mit ihrer Umgebung zu interagieren und adaptives Verhalten zu erzeugen, müssen Tiere die sensorischen Informationen, die sie erhalten, interpretieren: Ob ein bestimmter sensorischer Hinweis für ihr Überleben vorteilhaft oder schädlich ist, ist fast immer nicht vorherbestimmt, sondern hängt vom Kontext ab. Eine zentrale Aufgabe des sensorischen Systems und des Nervensystems ist es daher, Umweltinformationen durch assoziatives Lernen Valenz zuzuweisen. Einige Reize sind von Natur aus appetitiv, wie z. B. Essen, und andere sind von Natur aus aversiv, wie z. B. nozizeptive Hinweise. Solche unbedingten Reize (US) können die Reaktionen auf andere Reize verändern, die zusammen mit ihnen präsentiert werden; Infolgedessen können Tiere eine Anziehungskraft oder Abneigung gegen den anderen, konditionierten Reiz (CS) entwickeln. Dies wird so interpretiert, dass CS die US 1,2,3 signalisiert oder vorhersagt. Die Untersuchung von Modellen des assoziativen Lernens ist notwendig, um die zugrundeliegenden genetischen, zellulären und physiologischen Mechanismen aufzuklären. Dies kann jedoch aufgrund der Notwendigkeit, In-vivo-Modelle zu verwenden, der Variabilität des Verhaltens, der erforderlichen Lizenzierung für den Umgang mit Tieren oder der oft langen Zeiträume für die Ausbildung sowohl des Forschers als auch der Tiere eine Herausforderung darstellen, und dies schließt in der Regel aus, dass es von Studenten im Grundstudium in einem Forschungsumfeld und noch mehr in einem Lehrumfeld durchgeführt wird.
Daher bieten wirbellose Modelle die Möglichkeit, assoziative Lernassays mit Studenten oder MSc-Studenten durchzuführen. Wirbellose Tiere benötigen keine Tierlizenz, um mit ihnen umzugehen, und können kostengünstig sein. Ein häufig verwendetes Paradigma für assoziatives Lernen ist das Salzchemotaxis-Lernen bei C. elegans 4,5,6,7,8,9. C. elegans spüren die Konzentration von Natriumchlorid (NaCl) in ihrer Umgebung und lernen, ein bestimmtes [NaCl] mit dem Vorhandensein bzw. Fehlen von Nahrung in Verbindung zu bringen. Im Allgemeinen lernen Tiere, in Richtung Salzkonzentrationen zu wandern, die zuvor mit reichlich bakteriellem Futter präsentiert wurden, und lernen, von denen wegzuwandern, die in Abwesenheit von bakteriellem Futter präsentiert wurden. Salz ist also der bedingte Reiz, und Nahrung oder Hunger ist der unbedingte Reiz3. Diese Assoziation bildet sich innerhalb von weniger als einer Stunde und ist ein Beispiel für ein kurzzeitassoziiertes Gedächtnis. Das assoziative Lernen der NaCl-Chemotaxis wird unter anderem durch den Calcium/Calmodulin-abhängigen Kinase-Signalweg (CaMK), den dopaminergen und den Insulin/Phosphatidylinositol (PI)-3-Kinase-Signalweg 5,9,10 moduliert, was darauf hindeutet, dass es Motivationssysteme und CaMK-abhängige synaptische Plastizität beinhaltet und auf ähnliche Weise wie die Signalwege des assoziativen Lernens bei Wirbeltieren funktionieren könnte.
In einem etablierten Protokoll für das Lernen der Salzchemotaxis wandern Tiere in einem räumlichen Gradienten von Salz auf einer Agarplatte, der durch Platzieren von zwei Agarpfropfen ohne bzw. hohem Salzgehalt auf der Platte7 erzeugt wird. Diese Assays sind von Studenten aufgrund der dynamischen Änderung der NaCl-Konzentration auf der Chemotaxis-Assay-Platte über Zeit und Raum schwer quantitativ durchzuführen, da das NaCl aus den Pfropfen kontinuierlich in die Agarplatte diffundiert. Ein einfacher durchzuführender Assay ist die Verwendung von Quadrantenplatten, bei denen zwei unterschiedliche Salzkonzentrationen (z. B. 25 mM NaCl und 0 mM NaCl) präsentiert und durch plastische Barrieren getrenntwerden 11. Aufgrund der Darstellung von nur zwei verschiedenen NaCl-Konzentrationen kann es jedoch nicht gleichzeitig verwendet werden, um die Anziehungskraft und/oder Vermeidung von erniedrigtem oder erhöhtem NaCl im Vergleich zur Ausgangsbedingung zu testen. C. elegans wird in der Regel auf NGM-Platten (Nematode Growth Media) in Gegenwart von 50 mM NaCl- und E. coli OP50-Bakterien gezüchtet12 und bildet daher standardmäßig eine positive Assoziation dieser NaCl-Konzentration mit Lebensmitteln.
Hier stellen wir ein angepasstes Salz-Chemotaxis-Lernprotokoll vor, das sowohl von Forschern als auch von Studenten durchgeführt werden kann. Die Tiere werden zunächst an verschiedene NaCl-Umgebungen gewöhnt, die in Gegenwart oder Abwesenheit von Nahrung präsentiert werden. Sie werden dann auf Assay-Platten mit einer Auswahl an niedrigen, mittleren und hohen Salzkonzentrationen in Y-Kammer-Agarplatten übertragen. Ihr Chemotaxis-Lernen in diesem Setting kann genutzt werden, um die Wirkung verschiedener Faktoren zu untersuchen, die es modulieren, wie z.B. Genotyp, Umweltkontexte oder Alter der Tiere.
Dieses Protokoll ist auf eine praktische Laborklasse zugeschnitten, die in acht Studentengruppen aufgeteilt ist, wobei jede Studentengruppe zu jedem experimentellen Zeitpunkt einen Satz von sechs Messungen durchführt (eine Messung pro experimenteller Bedingung). Das Protokoll kann jedoch so angepasst werden, dass es für einen einzelnen Experimentator oder für eine beliebige Anzahl von Gruppen/Personen funktioniert, mit entsprechenden Änderungen der Reagenzienmengen.