Чтобы осмысленно взаимодействовать с окружающей средой и формировать адаптивное поведение, животным необходимо интерпретировать получаемую ими сенсорную информацию: является ли данный сенсорный сигнал полезным или вредным для их выживания, почти всегда не предопределено, а зависит от контекста. Таким образом, ключевая задача сенсорной и нервной систем состоит в том, чтобы присвоить валентность информации об окружающей среде с помощью ассоциативного обучения. Некоторые стимулы по своей природе являются аппетитными, например, еда, а другие по своей сути являются отвратительными, например, ноцицептивные сигналы. Такие безусловные стимулы (УЗИ) могут изменять реакцию на другие стимулы, представленные вместе с ними; В результате у животных может развиться влечение или отвращение к другому, условному стимулу (КС). Это интерпретируется таким образом, что CS сигнализирует или предсказывает US 1,2,3. Изучение моделей ассоциативного обучения необходимо для выяснения лежащих в их основе генетических, клеточных и физиологических механизмов. Тем не менее, это может быть сложно из-за необходимости использования моделей in vivo, изменчивости поведения, требуемого лицензирования работы с животными или часто длительных сроков обучения как исследователя, так и животных, и это обычно исключает его проведение студентами бакалавриата в исследовательской среде, и тем более в условиях обучения.
Таким образом, модели беспозвоночных дают возможность проводить ассоциативные анализы обучения со студентами бакалавриата или магистратуры. Беспозвоночные не требуют лицензирования животных для обращения с ними и могут быть экономически эффективными. Часто используемой парадигмой ассоциативного обучения является солевое хемотаксис-обучение у C. elegans 4,5,6,7,8,9. C. elegans ощущают концентрацию хлорида натрия (NaCl) в окружающей среде и учатся ассоциировать конкретный [NaCl] с наличием или отсутствием пищи соответственно. Как правило, животные учатся мигрировать в сторону концентраций соли, которые ранее были представлены в достаточном количестве бактериальной пищи, и учатся мигрировать в сторону от тех, которые были представлены в отсутствие бактериальной пищи. Таким образом, соль является обусловленным стимулом, а пища или голодание — безусловнымстимулом. Эта ассоциация формируется менее чем за час и является примером кратковременной ассоциативной памяти. Ассоциативное обучение хемотаксиса NaCl модулируется, среди прочего, сигнализацией кальций/кальмодулин-зависимой киназы (CaMK), дофаминергической и инсулин/фосфатидилинозитол (PI) 3-киназы 5,9,10, что позволяет предположить, что оно включает мотивационные системы и CaMK-зависимую синаптическую пластичность и может действовать аналогично сигнальным путям, управляющим ассоциативным обучением у позвоночных.
Согласно установленному протоколу обучения хемотаксису соли, животные мигрируют в пространственном градиенте соли на агаровой пластине, созданной путем размещения двух агаровых пробок без соли или с высоким содержанием соли, соответственно, на пластине7. Эти анализы трудно выполнить количественно студентам из-за динамического изменения концентрации NaCl на пластине для анализа хемотаксиса с течением времени и пространства, поскольку NaCl из пробок непрерывно диффундирует в агаровую пластину. Более простым в выполнении анализом является использование квадрантных планшетов, в которых представлены две различные концентрации соли (например, 25 мМ NaCl и 0 мМ NaCl) и разделены пластиковыми барьерами11. Однако, поскольку представлены только две различные концентрации NaCl, его нельзя использовать одновременно для определения притяжения и/или предотвращения пониженного или повышенного содержания NaCl по сравнению с исходным состоянием. C. elegans обычно выращивается на тарелках NGM (Nematode Growth Media) в присутствии 50 мМ бактерий NaCl и E. coli OP5012, и поэтому по умолчанию образует положительную ассоциацию этой концентрации NaCl с пищей.
Здесь мы представляем адаптированный протокол обучения хемотаксису соли, который может быть выполнен как исследователями, так и студентами. В первую очередь животных приучают к различным средам обитания NaCl в присутствии или отсутствии пищи. Затем они переносятся в пробирные планшеты с выбором низких, средних и высоких концентраций солей в агаровых пластинах с Y-камерой. Их обучение хемотаксису в этих условиях может быть использовано для исследования влияния различных факторов, модулирующих его, таких как генотип, условия окружающей среды или возраст животных.
Этот протокол адаптирован для практического лабораторного класса бакалавриата, разделенного на восемь студенческих групп, каждая из которых выполняет набор из шести измерений в каждой экспериментальной временной точке (по одному измерению в каждом экспериментальном состоянии). Тем не менее, протокол может быть скорректирован для работы для одного экспериментатора или для любого количества групп/людей, с соответствующими изменениями количества реагентов.