Аплизия: Морской слизень в нейробиологических исследованиях

Введение

Род морских слизней, синоним рода морских губок.

Aplysia (/ə/'/p//l//ɪ//ʒ//(//i//)////ə/) – род средних и очень крупных морских слизней, в частности морских зайцев, которые являются видом морских брюхоногих моллюсков. Эти бентосные травоядные существа могут достигать значительных размеров по сравнению с большинством других моллюсков. Они пасутся в приливной и субприливной зонах тропических вод, преимущественно в Индо-Тихоокеанском регионе (23 вида), но также встречаются в Атлантическом океане (12 видов) и в Средиземном море (несколько видов). Виды Aplysia, при угрозе, часто выпускают облака чернил, предположительно для ослепления нападающего (хотя на самом деле съедобными для них являются лишь немногие виды). Под влиянием работ Эрика Р. Кандела, этот род стал модельным организмом для нейробиологов, поскольку рефлекс втягивания жабр и сифона, изученный на примере Aplysia californica, опосредован электрическими синапсами, позволяющими нескольким нейронам возбуждаться синхронно. Этот быстрый нервный отклик необходим для быстрого реагирования животного на опасность. Aplysia имеет всего около 20 000 нейронов, что делает её популярным объектом для нейробиологических исследований. Кроме того, "язык" на брюшной стороне контролируется всего двумя нейронами, что позволило полностью картировать сеть иннервации.

Долговременная память

В нейронах, опосредующих несколько форм долговременной памяти у Aplysia, активируется фермент репарации ДНК поли(АДФ-рибозо)полимераза 1 (PARP 1). Практически во всех исследованных эукариотических клетках добавление поли(АДФ-рибозо)групп к белкам (поли(АДФ-рибозилирование)) происходит в ответ на повреждение ДНК. Таким образом, обнаружение активации PARP 1 в процессе обучения и его необходимость для долговременной памяти оказалось неожиданным. Cohen Aromon и др. В 2018 году ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе показали, что поведенческие изменения, характерные для одной из форм неассоциативной долговременной памяти у Aplysia, могут передаваться посредством РНК.

Кондиционирование оператора

Оперантное обусловливание считается формой ассоциативного обучения. Поскольку оперантное обусловливание включает в себя сложное взаимодействие между действием и стимулом (в данном случае пищей), оно тесно связано с приобретением компульсивного поведения. Вид *Aplysia* служит идеальной модельной системой для физического изучения обучения, основанного на пищевом вознаграждении, благодаря "нейронным компонентам частей его ганглиозной нервной системы, ответственным за генерацию движений кормления". В результате, *Aplysia* использовалась в исследованиях ассоциативного обучения для выявления определенных аспектов кормления и оперантного обусловливания в контексте компульсивного поведения. В *Aplysia* основным рефлексом, изучаемым учеными при исследовании оперантного обусловливания, является рефлекс отдержки жабр и сифона. Рефлекс отдержки жабр и сифона позволяет *Aplysia* втягивать свой сифон и жабры для защиты. Связи между синапсами во время рефлекса отдержки жабр и сифона напрямую коррелируют со многими поведенческими особенностями *Aplysia*, такими как ее привычки, рефлексы и обусловленность. Ученые изучали обусловленность *Aplysia*, чтобы выявить корреляции с обусловленностью у млекопитающих, главным образом в отношении поведенческих реакций, таких как зависимость. В ходе экспериментов по обусловленности *Aplysia* были обнаружены связи с синаптической пластичностью, лежащей в основе функций вознаграждения, участвующих в проявлении зависимости у млекопитающих. Синаптическая пластичность – это представление о том, что синапсы становятся сильнее или слабее в зависимости от частоты использования этих конкретных синапсов. Обусловленность этих синапсов может приводить к их усилению или ослаблению, вызывая или подавляя активность нейронов под воздействием стимула. Обусловленность поведенческих особенностей основана на принципе функции вознаграждения. Функция вознаграждения – это когда стимул обуславливается активацией в ответ на определенный стимул. Нейроны адаптируются к этому стимулу и начинают активироваться легче, даже если стимул оказывает негативное воздействие на организм (в данном случае на *Aplysia*). У млекопитающих функция вознаграждения в основном контролируется дофаминовыми нейронами вентральной тегментальной области (ВТА). Во время обусловливания (у млекопитающих) дофаминовые нейроны ВТА оказывают более сильное влияние на обуславливаемые стимулы и меньшее – на необуславливаемые. Это приводит к формированию в синапсах ожидания вознаграждения в отношении обуславливаемых стимулов. Свойства синапсов, продемонстрированные в тестах по обусловленности с использованием *Aplysia* (у которой есть дофаминовые нейроны, но отсутствует вентральная тегментальная область), предполагается, что напрямую сопоставимы с поведенческими реакциями, такими как зависимость, у млекопитающих.

Operant conditioning is considered a form of associative learning. Because operant conditioning involves intricate interaction between an action and a stimulus (in this case food) it is closely associated with the acquisition of compulsive behavior. The Aplysia species serve as an ideal model system for the physical studying of food reward learning, due to "the neuronal components of parts of its ganglionic nervous system that are responsible for the generation of feeding movements." As a result, Aplysia has been used in associative learning studies to derive certain aspects of feeding and operant conditioning in the context of compulsive behavior. In Aplysia, the primary reflex studied by scientists while studying operant conditioning is the gill and siphon withdrawal reflex. The gill and siphon withdrawal reflex allows the Aplysia to pull back its siphon and gill for protection. The links between the synapses during the gill and siphon withdrawal reflex are directly correlated with many behavioral traits in the Aplysia such as its habits, reflexes, and conditioning. Scientists have studied the conditioning of the Aplysia to identify correlations with conditioning in mammals, mainly regarding behavioral responses such as addiction. Through experiments on the conditioning of the Aplysia, links have been discovered with the synaptic plasticity for reward functions involved in the trait of addiction within mammals. Synaptic plasticity is the idea that the synapses will become stronger or weaker depending on how much those specific synapses are used. Conditioning of these synapses can lead them to become stronger or weaker by causing the neurons to fire or not fire when influenced by a stimulus. The conditioning of behavioral traits is based on the idea of a reward function. A reward function is when a stimulus is conditioned to fire according to a certain stimulus. The neurons will adapt to that stimulus, and fire those neurons more easily, even if the stimulus has a negative effect on the subject (in this case the Aplysia). In mammals, the reward function is mainly controlled by ventral tegmental area (VTA) dopamine neurons. During conditioning (in mammals), the VTA dopamine neurons have an increased effect on the stimuli being conditioned, and a decreased effect on the stimuli not being conditioned. This induces the synapses to form an expectation for reward for the stimuli being conditioned. The properties of the synapses displayed in the tests on conditioning involving the Aplysia (which has dopamine neurons but not a ventral tegmental area) are proposed to be directly comparable to behavioral responses such as addiction in mammals.

Размножение

Аплизии — одновременные гермафродиты, то есть каждый взрослый морской зайчик обладает как мужскими, так и женскими репродуктивными структурами, которые могут быть зрелыми одновременно. Аплизии способны накапливать и переваривать аллосперму (сперму от партнера) и часто спариваются с несколькими партнерами. Для стимуляции и поддержания спаривания у аплизий используется мощный половой феромон — белок аттрактин. Аттрактин взаимодействует с тремя другими белковыми феромонами аплизий (энтицином, темптином или седактином) в бинарном режиме, стимулируя привлечение к партнеру. Исследования многократных спариваний калифорнийского морского зайца (Aplysia californica) дали представление о том, как разрешаются конфликты между полами.

Самооборона

Когда-то считалось, что виды Aplysia используют чернила, чтобы скрыться от хищников, подобно осьминогу. Однако недавние исследования показали, что эти морские слизни способны производить и выделять в своих чернилах множество различных соединений, включая химический репеллент Aplysioviolin и токсичные вещества, такие как аммиак, для самозащиты. Способность видов Aplysia удерживать токсины в своем теле, не подвергаясь отравлению, обусловлена уникальным способом хранения токсина внутри слизня. Различные молекулы, необходимые для создания токсина, накапливаются в отдельных частях тела слизня, делая их безвредными, поскольку токсичное химическое облако образуется только при смешивании всех молекул. Когда морской заяц чувствует угрозу, он немедленно начинает процесс защиты, смешивая эти отдельные молекулы в специализированном участке тела, предназначенном для этой цели. После этого ферменты внутри морского слизня начинают превращать вещество в токсин, и смесь выбрасывается в сторону хищника для самозащиты.