Artigo de método

Drosófila Comportamento de evasão passiva como um novo paradigma para estudar aprendizagem aversiva associativa

DOI:

10.3791/63163

⸱

15 de outubro de 2021

 , 
1Department of Physiology, East Carolina University

Neste artigo

Aviso de errata

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Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabalho descreve um simples paradigma comportamental que permite a análise da aprendizagem associativa aversiva em moscas de frutas adultas. O método baseia-se na supressão do comportamento geotaxis negativo inato devido à associação formada entre um contexto ambiental específico e um choque elétrico.

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo descreve um novo paradigma para a análise do aprendizado associativo aversivo em moscas adultas (Drosophila melanogaster). O paradigma é análogo ao comportamento de evasão passiva em roedores de laboratório nos quais os animais aprendem a evitar um compartimento onde já receberam um choque elétrico. O ensaio se aproveita de geotaxis negativos em moscas, que se manifesta como uma vontade de subir quando são colocadas em uma superfície vertical. A configuração consiste em compartimentos superiores e inferiores orientados verticalmente. No primeiro teste, uma mosca é colocada em um compartimento inferior de onde geralmente sai dentro de 3-15 s, e entra no compartimento superior onde recebe um choque elétrico. Durante o segundo julgamento, 24 horas depois, a latência é significativamente aumentada. Ao mesmo tempo, o número de choques é reduzido em comparação com o primeiro ensaio, indicando que as moscas formaram memória de longo prazo sobre o compartimento superior. As gravações de latências e número de choques poderiam ser realizadas com um contador de contagem e um cronômetro ou com um dispositivo simples baseado em Arduino. Para ilustrar como o ensaio pode ser utilizado, o comportamento passivo de evasão de D. melanogaster e D. simulados masculino e feminino foram caracterizados aqui. A comparação das latências e o número de choques revelou que tanto d. melanogaster quanto D. simulados voam eficientemente aprendeu o comportamento de evasão passiva. Não foram observadas diferenças estatísticas entre moscas do sexo masculino e feminino. No entanto, os machos foram um pouco mais rápidos ao entrar no compartimento superior no primeiro ensaio, enquanto as fêmeas receberam um número ligeiramente maior de choques em todos os testes de retenção. A dieta ocidental (WD) prejudicou significativamente o aprendizado e a memória em moscas machos, enquanto o exercício de voo contrabalançava esse efeito. Em conjunto, o comportamento de evasão passiva em moscas oferece um ensaio simples e reprodutível que poderia ser usado para estudar mecanismos básicos de aprendizagem e memória.

Introdução

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O aprendizado e a memória são um mecanismo de adaptação evolutivamente antigo ao meio ambiente, conservado de Drosophila (D.) para humano1. A mosca-das-frutas é um organismo modelo robusto para estudar princípios fundamentais de aprendizagem e memória, pois oferece uma ampla gama de poderosas ferramentas genéticas para dissecar mecanismos moleculares intrínsecos2. Os pioneiros estudos de triagem genética, que identificaram os genes rutabaga3, amnésiac4 e dunce5 críticos para o aprendizado e memória2, aproveitaram-se do condicionamento olfativo à medida que as moscas das frutas dependem de seu agudo olfato para encontrar comida, potenciais companheiros e evitar predadores6.

O condicionamento olfativo tornou-se um paradigma popular para estudar o mecanismo de aprendizagem e memória, graças à introdução do olfativo T-maze por Tully e Quinn7,8. Posteriormente, foram propostos outros métodos para medir vários tipos de aprendizagem e memória, incluindo condicionamento visual9, condicionamento de namoro10, ensaio de supressão de fototaxis aversiva11 e condicionamento de exposição de vespas12. No entanto, a maioria desses ensaios tem uma configuração complexa que deve ser feita sob medida em uma oficina universitária ou comprada através de um fornecedor. O paradigma descrito aqui baseia-se em um simples ensaio comportamental para estudar o aprendizado associativo aversivo em moscas que podem ser facilmente montados com alguns suprimentos disponíveis.

O paradigma descrito equivale ao comportamento passivo (ou inibitório) de evasão em ratos e ratos de laboratório em que os animais aprendem a evitar um compartimento onde já receberam choque elétrico no pé13. Em murids, o procedimento baseia-se em sua prevenção inata de luz brilhante e preferência por áreas mais escuras14. No primeiro ensaio, o animal é colocado no compartimento brilhante, de onde o animal sai rapidamente, entrando em um compartimento escuro, onde um choque elétrico no pé é entregue. Normalmente, um único ensaio é suficiente para formar uma memória sólida de longo prazo, resultando em uma latência significativamente aumentada 24 h depois. A latência é então usada como um índice da capacidade do animal de lembrar a associação entre o estímulo aversivo e o ambiente específico15.

Este trabalho descreve um procedimento análogo usando D. como um sistema de modelo que oferece várias vantagens sobre modelos de roedores, incluindo custo-efetividade, maior tamanho amostral, ausência de supervisão regulatória e acesso a poderosas ferramentas genéticas16,17. O procedimento é baseado no comportamento geotaxis negativo, que se manifesta na necessidade das moscas de subir quando são colocadas em uma superfície vertical18. A configuração consiste em duas câmaras verticais. No primeiro ensaio, uma mosca-das-frutas é colocada em um compartimento inferior. A partir daí, geralmente sai dentro de 3-15 s, pisando no compartimento superior onde recebe um choque elétrico. Durante um teste de 1 min, algumas moscas podem ocasionalmente reentrar no compartimento superior, o que resulta em um choque elétrico adicional. Durante a fase de testes, 24 horas depois, a latência é significativamente aumentada. Ao mesmo tempo, o número de choques é reduzido em comparação com o primeiro dia indicando que as moscas formaram memória associativa aversiva sobre o compartimento superior. A latência, o número de choques e a duração e frequência das crises de preparação são então usados para analisar o comportamento animal e a capacidade de formar e lembrar a associação entre o estímulo aversivo e o ambiente específico. Os resultados representativos revelam que a exposição à dieta ocidental (WD) prejudica significativamente o comportamento de evasão passiva em moscas masculinas, sugerindo que o WD impacta profundamente o comportamento e a cognição da mosca. Por outro lado, o exercício de voo aliviou o efeito negativo do WD, melhorando o comportamento de evasão passiva.

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Protocolo

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1. Preparação de aparelhos de evasão passiva

  1. Perfurar um perpendicular de 4 mm na superfície da parede do tubo de cultura de polipropileno de 14 mL e 8 mm de distância do fundo do tubo.
    NOTA: Use uma broca elétrica e uma broca de 5/32 para obter melhores resultados.
  2. Usando uma faca de aço, corte a parte superior do tubo de cultura de polipropileno de 14 mL para criar um fragmento inferior do tubo de 45 mm de comprimento. O fragmento inferior serve como compartimento inferior.
  3. Corte a ponta de 1.000 μL de ponta de pipeta azul usando uma lâmina de barbear de borda única para tornar a abertura larga o suficiente para uma passagem de uma única mosca. Corte a parte de estreitamento da ponta azul para criar um fragmento de 12 mm. Insira este fragmento firmemente em um orifício de 4 mm do compartimento inferior. Isto é usado como uma doca de carregamento para transferir as moscas.
  4. Corte um pedaço de 15 mm de tubo de vinil transparente de 5/8" ID (ver Tabela de Materiais) para criar um acoplamento. Insira compartimento superior e inferior no acoplamento de extremidades opostas para fixar com segurança o compartimento inferior ao compartimento superior.
  5. Usando um grampo ajustável de 2 pinos, conecte o conjunto a um suporte vertical. Oriente a montagem verticalmente com o tubo de choque como compartimento superior.
  6. Conecte os fios do tubo de choque a um estimulador elétrico (ver Tabela de Materiais) para fornecer choques elétricos. A duração do período de treinamento é de 1 min.
    NOTA: Para facilitar a observação, posicione um pedaço de papel branco atrás do tubo de choque para servir como fundo branco do aparelho. Coloque uma lâmpada com uma lâmpada macia equivalente a 75 W acima do compartimento de choque. Coloque uma lâmpada de lupa de braço ajustável na frente da configuração. Uma representação do aparelho de evasão passiva é mostrada na Figura 1.

2. Preparação das moscas para o procedimento de evasão passiva

  1. Imobilize 3-4 dias de idade D. melanogaster ou D. simulados voa usando bloco gelado e transfira-os para frascos individuais com comida 24 horas antes do experimento (1 mosca por frasco) seguindo o procedimento descrito anteriormente19.
    NOTA: Os experimentos aqui descritos compararam homem de 3 a 4 dias de idade vs. moscas fêmeas em D. melanogaster e D. simulados.
  2. Antes dos experimentos comportamentais, codam todos os frascos. Para isso, atribua a cada grupo uma letra, por exemplo, "A", "B", "C", etc., e cada um voa um número. Revele esse código somente depois de todos os dados terem sido registrados e analisados. Use pelo menos 20 moscas por genótipo ou tratamento para combater variações individuais.
    NOTA: Realizar os experimentos e análises "cegas" permite excluir um viés na avaliação do desempenho da análise de moscas e dados.

3. Realizando o primeiro teste

  1. Usando um aspirador de boca de mosca (ver Tabela de Materiais) descrito anteriormente20, transfira suavemente uma mosca do frasco individual para o compartimento inferior através da doca de carregamento. Levemente chupar uma mosca no aspirador da boca sugando o ar. Deposite a mosca soprando levemente na doca de carregamento.
    NOTA: Evite estressar o animal durante a captura e o carregamento.
  2. Imediatamente após a mosca ser carregada no compartimento inferior, inicie um cronômetro de 1 min e cronômetro.
    NOTA: O cronômetro é usado para medir latências e contador de contagem para contar o número de choques.
  3. Pressione o cronômetro para gravar a primeira latência quando a mosca entrar no tubo de choque colocando todas as patas na grade. Ligue o estimulador para dar um choque elétrico na mosca. Os parâmetros de estimulação são 120 volts, 1000 ms de duração, 1 pulso/s (PPS), duração do trem de 2000 ms.
  4. Entregue choques adicionais se a mosca reentrar no tubo de choque. Registo o número de choques recebidos durante um teste de 1 min com um contador de contagem ou um contador baseado em Arduino (ver Tabela de Materiais). Se estiver usando o contador baseado em Arduino, siga os passos abaixo.
    NOTA: Um dispositivo opcional baseado em Arduino AKM-007 (ver Tabela de Materiais) pode ser usado para medir o tempo, a latência, o número de choques e a frequência e duração dos ataques de preparação para cada animal pressionando e liberando os botões correspondentes no dispositivo. Os botões do dispositivo são atribuídos para medir a latência, administrar e registrar o número de choques e medir a frequência e duração dos ataques de preparação.
    1. Pressione o botão Iniciar na etapa 3.2.e pressione o botão Choque na etapa 3.3.
    2. Para gravar a duração de uma luta de preparação, pressione o botão Grooming no início de uma luta de preparação no dispositivo e solte este botão no final da luta de preparação.
      NOTA: As lutas de preparação foram medidas ao longo de 1 min de teste. O preparo extensivo pode ser indicativo de estresse animal21,22. O dispositivo baseado em Arduino salva todos os dados como arquivo CSV em um cartão de memória.
  5. No final de um teste de 1 min, transfira suavemente a mosca de volta para um frasco individual. Anote a latência, o número de choques recebidos e quaisquer mudanças notáveis no comportamento.
  6. Limpe o compartimento inferior e de choque com 70% de etanol, limpe com um tecido de limpeza sem fiapos (ver Tabela de Materiais) e seque com o secador de cabelo. Repita o julgamento com a próxima mosca.
  7. Após os experimentos comportamentais, limpe o compartimento inferior com água e detergente inodoro. Limpe o compartimento inferior e o compartimento de choque com 70% de etanol, e a seco durante a noite.

4. Realizando o segundo teste

  1. Realize o segundo ensaio repetindo o procedimento descrito acima (etapa 3) 24 h depois. Teste as moscas na mesma sequência do dia anterior.

5. Análise dos resultados

  1. Calcule a latência média, o número médio de choques e a duração das lutas de preparação para o ensaio 1 e o teste 2 para cada grupo experimental de animais. Realize o teste t estudantil para comparação em dois grupos ou ANOVA para múltiplas comparações com análises pós-hoc usando o teste de Tukey23.

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Resultados

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A evasão passiva foi estudada em D. melanogaster (Canton-S) e D. simulados. Os experimentos compararam as latências e o número de choques recebidos entre ensaios consecutivos. Inicialmente, os experimentos foram realizados com moscas d. melanogaster machos de 3 a 4 dias de idade. As moscas foram mantidas na dieta padrão de formulação bloomington em um ambiente climatizado a 24 °C sob um ciclo claro-escuro de 12 horas, 70% de umidade e densidade populacional controlada. A densidade foi ...

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Discussão

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Evitar estímulos ameaçadores é uma característica crucial do comportamento adaptativo em várias espécies, desde a elegância C. até a humana32. Procedimentos de aprendizagem de evasão que normalmente implicam a fuga de um evento aversivo, são comumente usados tarefas comportamentais para investigar processos de aprendizagem e memória em roedores de laboratório13 desde a década de 1970 32. Em procedimentos de evasão ativa, um estímulo indifere...

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Divulgações

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Os autores não declaram conflitos de interesse.

Agradecimentos

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Este estudo foi apoiado em partes pelo NIH R15ES029673 (AKM).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Bloomington Formulação dietNutri-Fly  66-112Disponível na Genesee Scientific Inc., San Diego, CA
1000 µ L Ponta azulFisherNC9546243
17 x 100 mm 14 mL tubo de cultura de polipropilenoVWR  60818-689
Módulo de controle automático baseado em AduinoAKM-007interno Esta unidade é opcional. Descrição completa, esquemas, diagrama de fiação e um código são fornecidos no ECU Digital Market - https://digitalmarket.ecu.edu/akmmodule
Dual-Display 2-Channel  Relógio DigitalDigi-SenseAO-94440-10https://www.amazon.com/Cole-Parmer-AO-94440-10-Dual-Display-2-Channel-Jumbo-Digit/dp/B00PR0809G/ref=sr_1_5?dchild=1&keywords=Dual-Display+timer+jumbo&qid=1627660660&sr=
8-5#customerReviews
Contador de Dedo EletrônicoN/AN/Ahttps://www.amazon.com/gp/product/B01M8IRK6F/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&psc=1
Fisherbrand Sparkleen 1 DetergenteFisher Scientific04-320-4
Aspirador de boca para moscaPreparado internamenteconforme descrito na referência 19.
Estimulador de grama S88N/AN/APode ser substituído por qualquer estimulador que possa fornecer os parâmetros descritos
Kim-wipesFisher Scientific06-666Kimberly-Clark Professional 34120
Bloco de metal para imobilização de moscasBloco de alumínio internode 4 x 13 x 23,5cm
Nutiva Certificado pelo USDA Orgânico, não-OGM, Óleo de Palma VermelhoNutivaN/Ahttps://www.amazon.com/Nutiva-Certified-Cold-Filtered-Unrefined-Ecuadorian/dp/B00JJ1E83G/ref=sxts_rp_s1_0?cv_ct_cx=Nutiva+USDA+Certified+Organic%2C+non-GMO%2C+Red+Palm+Oil&dchild=1&keywords=Nutiva+USDA+Certified+Organic%2C+non-GMO%2C+Red+Palm+Oil&pd_rd_i=B00JJ1E83G&pd_
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& psc=1& qid=1627661533& sr = 1-1-f0029781-b79b-4b60-9cb0-eeda4dea34d6
Tubo de choqueCelExplorerTMA-201https://www.celexplorer.com/product_detail.asp?id=217&MainType=110&SubType=8
CronômetroAccusplitA601XLNhttps://www.amazon.com/gp/product/B0007ZGZYI/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&psc=1
Tubo de vinil transparente (3/4 " OD, 5/8 " ID)Lowesdisponível a partir de Lowes

Referências

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Reimpressões e permissões

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Errata

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Formal Correction: Erratum: Drosophila Passive Avoidance Behavior as a New Paradigm to Study Associative Aversive Learning
Posted by JoVE Editors on 2/23/2022. Citeable Link.

An erratum was issued for: Drosophila Passive Avoidance Behavior as a New Paradigm to Study Associative Aversive Learning. The Representative Results and Discussion sections were updated.

In the Representative Results, the legend for Figure 5 was updated from:

Figure 5: Comparison of passive avoidance and grooming behavior in D. simulans males and females. (A) Average latency (s) per trial. The graph shows no statistically significant differences between males and females in the latencies. (B) An average number of received shocks per trial. The graph shows no statistically significant differences between males and females in the number of received shocks. (C) The total duration of grooming bouts in trials 1-3. While there were no statistically significant differences between males and females, the female flies showed a considerable increase in grooming behavior during trials 2 and 3 compared to trial 1. Abbreviations: *- P<0.05. One-way ANOVA with Tukey's multiple comparisons test.

to:

Figure 5: Comparison of passive avoidance and grooming behavior in D. simulans males and females. (A) Average latency (s) per trial. The graph shows no statistically significant differences between males and females in the latencies. (B) An average number of received shocks per trial. The graph shows no statistically significant differences between males and females in the number of received shocks. (C) The total duration of grooming bouts in trials 1-3. While there were no statistically significant differences between males and females, the female flies showed a considerable decrease in grooming behavior during trials 2 and 3 compared to trial 1. Abbreviations: *- P<0.05. One-way ANOVA with Tukey's multiple comparisons test.

In the Discussion, the third paragraph was updated from:

The assay worked equally well in D. melanogaster and D. simulans male and female flies, demonstrating that the paradigm could be adapted to different D. species. The changes in fly behavior characterized by increased latencies and decreased number of shocks were statistically significant in the second trial and would strengthen with subsequent trials. Interestingly, if naïve flies were habituated to the apparatus without electric shock, they would enter the upper compartment a little faster on the second and the third trials. However, the decrease in latencies was not statistically significant (data not shown). No statistically significant differences were observed between sexes, although female flies had somewhat longer latencies and received slightly more shocks. This difference could be due to a combination of factors, including females' failure to associate the shock with the upper compartment, a stronger geotaxis, or possibly because females are slightly larger and slower than males. The total duration of grooming bouts was significantly higher in the second and third trials in female flies, which draws a parallel between D. and rodent anxiety-like behaviors26.

to:

The assay worked equally well in D. melanogaster and D. simulans male and female flies, demonstrating that the paradigm could be adapted to different D. species. The changes in fly behavior characterized by increased latencies and decreased number of shocks were statistically significant in the second trial and would strengthen with subsequent trials. Interestingly, if naïve flies were habituated to the apparatus without electric shock, they would enter the upper compartment a little faster on the second and the third trials. However, the decrease in latencies was not statistically significant (data not shown). No statistically significant differences were observed between sexes, although female flies had somewhat longer latencies and received slightly more shocks. This difference could be due to a combination of factors, including females' failure to associate the shock with the upper compartment, a stronger geotaxis, or possibly because females are slightly larger and slower than males. The total duration of grooming bouts was significantly lower in the second and third trials in female flies, which draws a parallel between D. and rodent anxiety-like behaviors26.

Etiquetas

Aprendizado Associativo AversivoConsolida o da Mem riaEnsaio de Choque El tricoGeotaxia NegativaEnsaio ComportamentalComprometimento do AprendizadoEfeitos da Dieta OcidentalExerc cio de VooMem ria de Longo Prazo

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