Veličina malog mozga povezana je s pamćenjem straha i pripitomljavanjem pilića.

za više information:ali.ma@wecistanche.com

Veličina malog mozga povezana je sa strahommemorijai pripitomljavanje pilića

Katajamaa, Rebecca Wright, Dominic Henriksen, Rie, Jensen, Per*

Sveučilište Linköping IFM-Biologija 581 83 Linköping Švedska

*Odgovarajući autor:Per. jensen@liu.se

Kliknite naCistanche tubulosa prednosti i nuspojave za pamćenje

Sažetak

Red Junglefowl odabran je zbog različitih razina straha od ljudi tijekom osam generacija, uzrokujući da se linije odabira razlikuju u razini straha, kao iu proporcionalnim masama mozga i malog mozga. Ptice iz dviju linija zatim su prešle kako bi dobile F3 intercross kako bi se proučile korelacije između moždane mase i učenja straha. Izložili smo 105 F3-životinja pojedinačno navikavanju straha imemorijatest u dobi od osam dana, gdje su reakcije na ponovljene bljeskove svjetlosti procijenjene dva dana zaredom. Nakon izlučivanja izmjerene su apsolutne i relativne veličine svake od četiri regije mozga. Stepwise regresija korištena je za analizu učinaka veličine svake regije mozga na navikavanje imemorija. Prvog dana nije bilo učinaka bilo koje regije mozga na navikavanje. Međutim, ptice s većom apsolutnom veličinom malog mozga značajno su smanjile reakcije na zastrašujuće podražaje drugog dana, što ukazuje na boljememorijapodražaja. Nijedna druga regija nije imala značajne učinke. Zaključujemo da je povećana veličina malog mozga možda bila važna u olakšavanju pripitomljavanja pilića, dopuštajući im da se prilagode životu s ljudima.

1. Uvod

Definirajuća osobina takozvanog sindroma pripitomljavanja kod životinja je smanjena veličina mozga u odnosu na tjelesnu masu [1]. Međutim, na različite regije mozga različito utječe pripitomljavanje [2], a kod pilića smo prethodno otkrili da se genetska arhitektura koja upravlja veličinom regija razlikuje, omogućujući dijelovima mozga da samostalno reagiraju na selekciju [3]. U skladu s tim, pripitomljene kokoši imaju manji mozak u odnosu na veličinu tijela u usporedbi s divljim pretkom, Crvenim džunglama, dok je mali mozak zapravo znatno veći iu apsolutnim i proporcionalnim mjerama [3]. U Crvenim džunglama odabranim zbog visokog ili niskog straha od ljudi pronašli smo slične učinke: nakon samo nekoliko generacija selekcije, pitomije ptice imale su sveukupno manji mozak u odnosu na veličinu tijela, ali veći mali mozak od strašnih [4]. To ukazuje na to da mali mozak može biti uključen u rukovanje strašnim podražajima kod pilića i da je to možda bilo važno tijekom pripitomljavanja kada su se obično vrlo sramežljivi red Junglefowl prilagodili životu među ljudima.

Mali mozak se dugo smatrao da se bavi uglavnom lokomotornom kontrolom, ali nedavna istraživanja pokazuju da je uključen u različite kognitivne obrade [5-7]. Čini se da i pozitivne i negativne emocije obrađuju cerebelarni krugovi s prevladavanjem negativnih [8]. Međutim, većina znanja o uključenosti malog mozga u emocionalnu obradu dolazi od sisavaca. Na primjer, kod ljudi i drugih primata uključen je u kognitivni razvoj i društvene interakcije [9], a kod štakora igra ulogu u kondicioniranju strahamemorijakonsolidacija [10]. S obzirom na to i naša prethodna zapažanja kod pilića, stoga smo pretpostavili da veličina malog mozga može biti povezana sa središnjim aspektima ponašanja relevantnim za pripitomljavanje, poput sposobnosti navikavanja na zastrašujuće podražaje.

Ovdje smo proučavali reakcije straha u F3-intercrossu između Crvenih ptica džungle odabranih za visoki naspram niskog straha od ljudi i izmjerili veličinu i sastav njihovih mozgova. Cilj je bio analizirati kako ptice s različitim sastavima mozga navikavaju i pamte zapanjujući, ali bezopasni poticaj, kao mjeru strahamemorija.

2. Materijal i metode

Kompletan skup podataka dostupan je kao elektronički dodatni materijal (tablica S1).

Polazeći od rasne populacije Crvenih džungli, odabrali smo zasebne linije ovisno o njihovim odgovorima u standardiziranom testu straha od čovjeka. Pojedinosti o uzgoju i stanovanju ptica, kao i shemi odabira, prethodno su prijavljene [11]. Uočen je niz koreliranih selekcijskih odgovora, uključujući relativno smanjenje moždane mase i povećanje relativne mase malog mozga u liniji niskog straha [4].

Koristeći ptice iz osme odabrane generacije, uzgajali smo intercross prelazeći dva mužjaka i dvije ženke iz svake selekcijske linije s recipročnim dizajnom. U međusektorskim generacijama F1 i F2, ptice su nasumično uzgajane kako bi stvorile F3-intercross koji se sastojao od ukupno 105 životinja, što čini našu testnu populaciju. Dodatne pojedinosti o uzgojnoj shemi mogu se naći u [12].

U dobi od osam dana pilići su testirani u strahu imemorijatest, koji se sastoji od dvije ispitne prilike mjestimice s 24 - 28 h. U svakoj od dvije testne prilike, jedna je pilić sama smještena u zatvorenu, ravnomjerno osvijetljenu testnu arenu, dimenzija 25 x 25 x 30 cm. Integriran u pod bio je LED izvor svjetlosti koji emitira plavo svjetlo, a nakon 30 s u areni pilići su bili izloženi nizu od pet kratkih (1 s) bljeskova svjetlosti s intervalom od 30 s između. Trideset sekundi nakon posljednjeg bljeskalice, pilić je uklonjen i zamijenjen sljedećom životinjom.

Testovi su snimljeni na videu, a trenutni povratni odgovori pilića na svaki od uzastopnih bljeskova svjetlosti postignuti su pomoću softvera Observer (Noldus Inc) sa snimaka prema ljestvici od pet stupnjeva, gdje je zabilježen najniži rezultat (1) kada nije mogla biti uočena reakcija na bljeskalicu, a najviša (5) za maksimalnu reakciju straha. Da bi se potvrdio rezultat, nasumični pod-uzorak (10 %) videozapisa postigla su dva neovisna promatrača, a korelacija rezultata promatrača bila je rs = 0,91 (P<0.001). details="" and="" ethograms="" for="" the="" scores="" can="" be="" found="" in="">

Da bismo dobili ukupnu mjeru intenziteta i slabljenja odgovora na strah, izračunali smo područje ispod krivulje (AUC) za svaku piliću u svakom od testnih dana. AUC je izračunat dodavanjem područja ispod krivulje za svaki od pet intervala od 30 s. Niži AUC znači niže ukupne ocjene reakcije.

Kada su ptice imale 32 tjedna, sve su bile izvagane i izlučene brzim odrubljivanjem glave. Mozgovi su uklonjeni i secirani na četiri dijela prema protokolu koji su koristili Henriksen i sur. [3]: cerebralne hemisfere, optički režnjevi, mali mozak i preostali dio koji sadrži, npr. Moždani deblo i hipotalamus. Odmah nakon seciranja, svaka regija mozga izvagana je odvojeno, a mokra masa dobivena je pomoću vage s preciznošću od 0,001 g. Prethodna istraživanja otkrila su visoku korelaciju između mokre mase i volumena [3].

Izmjerene mase regija mozga imale su raspodjelu koja nije značajno odstupila od normalnosti, što je utvrđeno pregledom Q-Q-parcela (Shapiro-Wilks test P>0,05 za sve regije). Kako bismo analizirali odnos između sastava mozga i reakcija straha, proveli smo postupnu regresijsku analizu. Model se sastojao od AUC-a kao odgovora i uključivao je tjelesnu težinu i apsolutnu težinu ukupnog mozga i svake od četiri regije mozga. Regresija je izvedena odvojeno za prvu i drugu ispitnu prigodu.

Sva odstupanja daju se kao standardne pogreške srednje vrijednosti.

3. Rezultati

Mužjaci (N=59) bili su znatno veći od ženki (N =46) (1087,1 ± 10,4 g naspram 791,9 ± 9,1 g; P = 0,031, t-test) i imao je veće apsolutne moždane mase (mužjaci: 2,77 ± 0,02 g, ženke: 2,50 ± 0,02 g; P<0.001, t-test).="" consistent="" with="" the="" overall="" larger="" brain,="" the="" absolute="" masses="" of="" each="" of="" the="" separate="" brain="" regions="" were="" also="" significantly="" larger="" in="" males=""><0.001, t-test).="" there="" were="" no="" sex="" effects="" on="" auc="" either="" on="" the="" first="" test="" occasion="" (9.4="" ±="" 0.4="" vs="" 10.1="" ±="" 0.6;="" p="0.33," t-test),="" or="" on="" the="" second="" test="" (males:="" 8.1="" ±="" 0.4;="" females:="" 8.8="" ±="" 0.5;="" p="0.32,">

U prvom testu straha većina pilića snažno je reagirala na prvi bljesak svjetlosti, a zatim je postupno pokazala manje intenzivan odgovor zaprepaštenja na sljedeće bljeskove svjetlosti (slika 1), u skladu s brzim odgovorom na navikavanje. Na drugom testu, prosječne zapanjujuće reakcije bile su manje intenzivne već pri prvom bljeskanju svjetlosti (slika 1), što ukazuje na to da su se pilići sjetili poticaja iz prvog testa i ponovno pokazali dokaze o navikavanju unutar testa. Razlika između intenziteta reakcija odražava se u AUC-u, koji je bio znatno niži u drugoj ispitnoj prilici (slika 1; t = 3,45 P<0.01; paired="" sample="" t-test),="" indicating="" a="" consolidation="" of="">memorijaod prvog testa.

U postupnom regresijskom modelu nisu zadržane varijable tako značajne za AUC u prvoj ispitnoj prilici. Za drugi test, apsolutna veličina malog mozga bila je jedini značajan prediktor AUC-a (R2 = 0,041, F = 4,25, P = 0,042), gdje je veći mali mozak bio povezan s manjim AUC-om (slika 2). Učinak se pojavio izraženiji kod muškaraca (slika 2), iako asocijacija nije dosegla značaj ni u jednom od spolova odvojeno.

4. Rasprava

Otkrili smo da su, u F3-križanju između Crvenih ptica džungle odabranih zbog visokog vs niskog straha od ljudi, ptice s većim malim mozgom bile znatno bolje u pamćenju i navikavanju na zastrašujući, ali bezopasni poticaj. To ukazuje na to da je veličina malog mozga možda bila važan čimbenik za uspješno pripitomljavanje pilića.

Veći mali mozak prethodno je zabilježen u pripitomljenim slojevima jaja White Leghorn u usporedbi s precima Red Junglefowl [3], a isto tako u Crvenim džunglama odabranim zbog smanjenog straha od ljudi [4], što sugerira da mali mozak može imati važne funkcije u odnosu na pitomost i pripitomljavanje pilića. Naši sadašnji rezultati pomažu to potkrijepiti jer je sposobnost življenja i napredovanja u blizini ljudi morala biti ključna za rane pripitomljavanja [13], a to bi nesumnjivo bilo olakšano povećanom sposobnošću navikavanja na bezopasne podražaje koji su se u početku mogli smatrati zastrašujućim.

Mozak je skup organ. Kako bi se optimizirala potrošnja energije, adaptivne promjene u veličini i sastavu mozga stoga su evoluirale tijekom pripitomljavanja [1,2,14] [15] [16,17]. U skladu s teorijom mozaičkog mozga, različite regije mogu se razvijati neovisno, o čemu svjedoče različite genetske arhitekture na kojima se temelje veličina i rast različitih dijelova mozga [2,3]. Mali mozak je dio mozga kralježnjaka koji se već dugo smatra uglavnom centrom za kontrolu lokomotora, ali istraživanja tijekom posljednjih desetljeća pokazala su da ima mnogo šire funkcije. Kod ljudi je uključen u društvenu spoznaju i učenje [5,18], a kod pilića i prepelica utječe na reproduktivno ponašanje [3,6]. Kod štakora mali mozak igra važnu ulogu u konsolidaciji sjećanja na strah, a naši sadašnji rezultati u skladu su s tim [10].

Naši rezultati pokazuju značajnu vezu između cerebelarne mase i navikavanja straha kod pilića, ali ne dopuštaju nikakve zaključke o tome što to uzrokuje, a učinak je relativno slab s R2 od 4,1%. Mali mozak ptica ima drugačiju anatomiju nego kod sisavaca, a njegov sastav i povezanost razlikuju se čak i između pasmina iste vrste [2]. Učinci koje promatramo mogli bi, na primjer, biti rezultat povećanog broja neurona ili drugih tipova stanica ili povećane gustoće neurona. Buduća istraživanja trebala bi se usredotočiti na razjašnjavanje koji su aspekti povećane mase temelj uočenih učinaka ponašanja.

Važno je napomenuti da nijedna druga veličina regije mozga nije imala značajnu povezanost s procesom učenja izmjerenim u ovom eksperimentu. Međutim, s relativno bruto mjerenjima koja se koriste, ne možemo isključiti uključenost drugih dijelova mozga, kao što su, npr. amigdala ili hipotalamus, i nismo uspjeli procijeniti povezanost između malog mozga i drugih područja.

Pilići su se pripitomili iz Crvene džungle prije najmanje 8000 godina [19] i predak u divljini je izuzetno sramežljiv i uplašen prema ljudima [20]. Stoga je prvi i nužan korak prema uspješnom pripitomljavanju morao biti smanjenje straha, a sugerira se da je to zapravo bila glavna pokretačka snaga mnogih tipičnih pripitomljenih osobina [13]. Kod kunića su modifikacije strukture mozga tijekom pripitomljavanja u skladu s promijenjenom obradom straha [17], a pripitomljene kokoši imaju ukupnu smanjenu masu mozga u odnosu na veličinu tijela [3]. Međutim, kod pripitomljenih pilića mali mozak čini veći udio mozga nego u Crvenim džunglama [3]. Isti učinci primijećeni su nakon samo nekoliko generacija selekcije na Crvenim džunglama zbog smanjenog straha od ljudi: pitomija linija odabira razvila je proporcionalno manji mozak u cjelini i proporcionalno manji teleencefalon, ali proporcionalno veći mali mozak [4]. To je bilo povezano s promjenama u strahumemorija[21]. Razlike koje su prethodno uočene između dvije odabrane crvene džungle mogu biti uzrokovane mnogim različitim čimbenicima, uključujući genetski pomak. Međutim, F3-intercross pristup koji se ovdje koristi jasno pokazuje genetsku korelaciju između mase malog mozga i strahamemorija, što upućuje na to da je veličina malog mozga kod pilića možda dala adaptivnu vrijednost tijekom pripitomljavanja.

Zaključno, naši rezultati pokazuju da je masa malog mozga u Crvenim džunglama povezana s učinkovitijim navikavanjem imemorijastrašnog, ali bezopasnog podražaja. U svjetlu prethodnih nalaza, da je mali mozak veći kod pripitomljenih pilića, kao i kod Crvenih džungli odabranih zbog smanjenog straha od ljudi, sadašnji nalazi sugeriraju da je veća masa malog mozga možda olakšala divljoj crvenoj džungli da se prilagode životu s ljudima, pa je stoga možda bila važna za uspješno pripitomljavanje pilića.

Reference

1. Cijena, E. O. 2002 Pripitomljavanje i ponašanje životinja. Wallingford: CABI. (doi:10.1079/978085199595977.0000)

2. Rehkämper, G., Frahm, H. D. & Cnotka, J. 2008 Mozaik evolucija i adaptivna promjena moždane komponente pod pripitomljavanjem viđena na pozadini evolucijske teorije. Ponašanje mozga i evolucija 71, 115–126. (doi:10.1159/000111458)

3. Henriksen, R., Johnsson, M., Andersson, L., Jensen, P. & Wright, D. 2016 Pripitomljeni mozak: genetika moždane mase i strukture mozga kod ptičje vrste. Znanstveni reortsp 6, 1–9. (doi:10.1038/srep34031)

4. Agnvall, B., Beltéky, J. & Jensen, P. 2017 Veličina mozga smanjuje se odabirom za pitomost u Crvenim džunglama - korelirani učinci u vitalnim organima. Znanstvena izvješća 7,

3306. (doi:10.1038/s41598-017-03236-4)

5. Barton, R. A. 2012 Utjelovljena kognitivna evolucija i mali mozak. Filozofske transakcije Kraljevskog društva B 367, 2097.-2107. (doi:10.1098/rstb.2012.0112)

6. Ebneter, C., Pick, J. L. & Tschirren, B. 2016 Kompromis između reproduktivnih ulaganja i veličine malog mozga majke u preranoj ptici. Pisma iz biologije 12,

20160659. (doi:10.1098/rsbl.2016.0659)

7. Van Overwalle, F., D'aes, T. & Mariën, P. 2015 Socijalna spoznaja i mali mozak: Meta-analitička analiza povezanosti. Mapiranje ljudskog mozga 36, 5137–5154. (doi:10.1002/hbm.23002)

8. Adamaszek, M. i dr. Konsenzusni dokument: Cerebellum i emocije. Mali mozak 16, 552-576. (doi:10.1007/s12311-016-0815-8)

9. Wang, S. S. H., Kloth, A. D. & Badura, A. 2014 Mali mozak, osjetljiva razdoblja i autizam. Neuron 83, 518–532.

10. Sacchetti, B., Baldi, E., Lorenzini, C. A. & Bucherelli, C. 2002 Cerebellarna uloga u konsolidaciji uvjetovanja straha. Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti 99, 8406–8411. (doi:10.1073/pnas.112660399)

11. Agnvall, B., Jöngren, M., Strandberg, E. & Jensen, P. 2012 Nasljednost i genetske korelacije ponašanja povezanog sa strahom u crvenim džunglama - moguće implikacije za rano pripitomljavanje. PLoS ONE 7, e35162. (doi:10.1371/journal.pone.0035162)

12. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 Tameness korelira s osobinama povezanim s pripitomljavanjem u križanju crvenih ptica džungle. Geni mozak i ponašanje, 1-12.

(doi:10.1111/gbb.12704)

13. Agnvall, B., Beltéky, J., Katajamaa, R. & Jensen, P. 2018 Je li evolucija pripitomljavanja potaknuta pitomošću? Selektivni pregled s naglaskom na piliće. Primijenjena znanost o ponašanju životinja 205, 227–233. (doi:10.1016/j.pljesak.2017.09.006)

14. Ksepka, D. T. i dr. 2020 Tempo i uzorak evolucije veličine ptičjeg mozga. Trenutna biologija 30, 2026.-2036.e3. (doi:10.1016/j.cub.2020.03.060)

15. Maklakov, A. A., Immler, S., Gonzalez-Voyer, A., Rönn, J. & Kolm, N. 2011 Mozgovi i grad: ptice prolaznika velikog mozga uspijevaju u urbanim sredinama. Pisma biologije 7, 730–732. (doi:10.1098/rsbl.2011.0341)

16. Kotrschal, A., Rogell, B., Bundsen, A., Svensson, B., Zajitschek, S., Brännström, I., Immler, S., Maklakov, A. A. & Kolm, N. 2013 Umjetna selekcija relativne veličine mozga u Guppyju otkriva troškove i prednosti razvoja većeg mozga. Trenutna biologija 23, 168–171. (doi:10.1016/j.cub.2012.11.058)

2018 Promjene u arhitekturi mozga u skladu su s promijenjenom obradom straha kod domaćih kunića. Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti SAD 115, 7380–7385. (doi:10.1073/pnas.1801024115)

18. Van Overwalle, F., Van de Steen, F., van Dun, K. & Heleven, E. 2020 Povezivost između mozga i malog mozga tijekom društvenog i nesocijalnog sekvenciranja pomoću dinamičkog uzročnog modeliranja. Neuroimage 206, 116326. (doi:10.1016/j.neuroimage.2019.116326)

19. Tixier- Boichard, M., Bed'hom, B. & Rognon, X. 2011 Pripitomljavanje pilića: Od arheologije do genomike. Comptes Rendus Biologies 334, 197–204.

(doi:10.1016/j.crvi.2010.12.012)

20. Collias, N. E. & Collias, E. C. 1996 Društvena organizacija crvene ptice džungle, Gallus gallus, populacija povezana s teorijom evolucije. Ponašanje životinja 51, 1337–1354.

21. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 Izbor za smanjeni strah u crvenim pticama džungle mijenja sastav mozga i utječe na strahmemorija. Kraljevsko društvo Otvorena znanost 7, 200628. (doi:10.1098/rsos.200628)