线虫行为实验专题④丨线虫学习行为

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秀丽隐杆线虫是一种在自然界中广泛存在的无脊椎动物，有雌雄同体和雄性两性之分，雌雄同体可以自我繁殖或与雄性交配产生后代。秀丽隐杆线虫能对气味、病原菌产生记忆，也可形成遗忘行为，然而大量的研究都集中在记忆行为的形成上，关于遗忘的研究还处于初级阶段。遗忘可被学习程序激活，两者拥有相似的生物学过程和分子途径。同时，秀丽隐杆线虫的基因组和神经系统较为简单，易于进行基因工程和神经活动观察，也是其被广泛应用的原因之一。

嗅觉适应的遗忘模型

其中，嗅觉适应的遗忘模型被广泛使用，这是一种非联想学习的行为可塑性，在这种模型中，预先暴露在二乙酰气味中的动物比野生的动物表现出更弱的化学吸引力。基于上述特性，秀丽隐杆线虫适合用作记忆和遗忘行为研究的高效科学模型。秀丽隐杆线虫模型在记忆与遗忘中的研究为相关疾病的发病机制提供了理论依据。秀丽隐杆线虫通常表现出对高盐浓度的吸引力，例如通过饥饿与盐配对，诱导线虫的联想学习，则低盐（条件刺激）和饥饿条件下的线虫则会表现出对高盐环境的逃避，这种行为将其称为“盐厌恶”。此外，在氯化钠培养基中，处于饥饿状态的线虫会对氯化钠产生逃避行为，这种记忆只能维持1 h左右。在AVA神经元中，Arp2/3是肌动蛋白成核的关键调控因子，MSI-1结合到肌动蛋白调控蛋白复合体Arp2/3的3个mRNA复合体上，通过负调控下游转录因子ARX-1、ARX-2和ARX-3，进而抑制Arp2/3复合体的形成。在肌动蛋白骨架形成过程中，Arp2/3 成核蛋白与加帽蛋白共同作用形成细胞骨架分支，如果 Arp2/3复合物不产生，细胞骨架形成也会受阻，导致记忆囊泡减少，线虫记忆衰退，记忆消退的线虫会对盐离子产生遗忘行为。

线虫对气味的负向学习

非联想性和联想性学习行为是线虫具有的2种学习行为。其中，非联想性学习行为是指线虫对单一刺激（如化学刺激）作出反应；联想性学习行为则是线虫对化学物质做出趋向性行为，包括对化学物质的喜爱和厌恶。这种行为的产生主要包括以下几种不同学习形式：味觉与嗅觉学习、厌恶性学习、场合环境学习等，而学习形式不同测定方法也不尽相同。线虫对气味的学习可以分为正向和负向2种类型。其中，对二乙酰的学习属于负向学习，当线虫初次暴露于二乙酰气味时会被吸引，然而再次将其预暴露于不含食物的二乙酰气味时，这种吸引力就会减弱，表明线虫对二乙酰形成了记忆。随后，将线虫置于去除二乙酰的状态下4 h，线虫会再次被二乙酰气味吸引。这种对化学物质的嗅觉降低是记忆的获得，嗅觉的恢复是记忆的遗忘。据此建立线虫负向记忆检测模型，将同步化后生长至成年期线虫置于不含食物的二乙酰稀释液中进行60~90 min训练，训练结束后与对照组（不做训练）同时进行趋化实验（趋化平板一端加二乙酰，另一端加入二乙酰溶解物乙醇）和偏好测试，二乙酰预暴露组趋化指数降低，这表明线虫产生负向联想性学习，线虫可通过TIR-1/JNK-1途径诱导AWC细胞释放遗忘信号至 AWA细胞，从而加快二乙酰记忆的形成。

线虫对气味的正向学习

线虫对丁酮的学习属于正向学习，将饥饿线虫置于含10%的丁酮中训练，线虫再次感知丁酮，吸引力会增强。据此构建线虫正向记忆检测模型，训练结束后与对照组同时在偏好板上检测秀丽隐杆线虫对丁酮的偏好指数，发现丁酮预暴露组趋化指数升高，表明线虫产生正向联想性学习。两种记忆检测模型在秀丽隐杆线虫记忆机制的探索中得到广泛运用。

目前，解释遗忘机制的概念有2种，分别是消退和干涉。消退模型认为遗忘是随着时间记忆衰减的结果，而干涉模型则认为遗忘的发生受其他记忆印记的竞争。对于动物来说，避免超过大脑的存储容量和防止新旧记忆之间的干扰十分重要。尽管记忆获取和巩固的行为已经被广泛研究，但其潜在的机制在很大程度上仍然不清楚。在线虫对二乙酰的嗅觉适应研究中发现，TIR-1/JNK-1 通路促进AWC神经元向AWA神经元分泌遗忘信号并加速遗忘，该通路下游的膜蛋白 MACO-1、受体酪氨酸激酶SCD-2及其可能的配体HEN-1参与了遗忘行为调控。

参考文献：

• 赵歆,李鑫玉,李明浩等.秀丽隐杆线虫模型在记忆和遗忘行为研究中的运用[J].生物技术进展,2023,13(06):837-843.DOI:10.19586/j.2095-2341.2023.0077.

• Caenorhabditis elegans learning in a structured maze is a multisensory behavior[J]. Gourgou Eleni;Adiga Kavya;Goettemoeller Anne;Chen Chieh;Hsu Ao-Lin.iScience,2021(4)

• Protocol for transgenerational learned pathogen avoidance behavior assays in Caenorhabditis elegans[J]. Moore Rebecca S.;Kaletsky Rachel;Murphy Coleen T..STAR Protocols,2021

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