The effect of sleep on classical conditioning in Aplysia californica

Abstract

Schlaf spielt in der Gedächtniskonsolidierung eine entscheidende Rolle. Dies ist bei Säugetieren schon lange bekannt, wird jedoch erst neuerdings auch für Nicht-Säugetiere diskutiert, zum Beispiel bei Invertebraten wie Fruchtfliegen oder Honigbienen. Einer der bekanntesten Modellorganismen der Gedächtnisforschung, die Meeresschnecke Aplysia californica, findet zunehmend auch Beachtung in der Schlafforschung. Mit ihrem relativ einfachen neuronalen Netzwerk, das nur ca. 20.000 Neurone umfasst, verkörpert die Meeresschnecke Aplysia ein ideales Modell zur Erforschung von zellulären und elektrophysiologischen Mechanismen. Wie in vielen anderen Spezies, wurde Schlaf bei Aplysia californica als essenziell für die Gedächtniskonsolidierung von operanter Konditionierung identifiziert. In der vorliegenden Arbeit wurde der Effekt von Schlafdeprivation auf die Konsolidierung klassischer Konditionierung untersucht. Ein Abwehrreflex von Aplysia, der Siphonrückzugreflex, wurde klassisch konditioniert. Durch die zeitliche Koppelung von einem reflexauslösenden Reiz mit einem elektrischen Schock, ist die reflexartige Rückzugsdauer nach dem Training verlängert. Die Studie umfasste zwei Gruppen: die Tiere einer Gruppe wurden in der Nacht nach der klassischen Konditionierung für 6 Stunden am Schlaf gehindert, der anderen Gruppe wurde Schlaf nach Belieben gewährt. Die Siphonrückzugsdauer in beiden Gruppen wurden nach 24 Stunden erhoben. Auf diesen Test folgte ein Extinktionstraining und beide Gruppen wurden 48 Stunden nach dem Konditionierungstraining erneut getestet. Im 24h-Test zeigten beide Gruppen verlängerte Siphonrückzugszeiten, das durchgeführte Training hatte also erfolgreich einen Lernprozess induziert. Interessanterweise konnte das Extinktionstraining, im Gegensatz zu früheren Publikationen, die gelernte Verstärkung des Siphonrückzugreflexes nicht rückgängig machen. Im Gegenteil, die gelernte Verhaltensänderung war sehr robust und hielt mindestens 3 Tage an. Da das Konditionieren des Siphonrückzugreflex von Aplysia immer eine Sensitivierung beinhaltet, dominierte hier vermutlich die Komponente der Sensitivierung. Die sicherlich sehr einfache Gedächtnisform, die durch das angewendete Training hervorgerufen wurde, profitierte nicht von Schlaf während der Konsolidierungsphase, da sich die Siphonrückzugszeiten 24 Stunden nach dem Training in den beiden Gruppen nicht signifikant unterschieden. Dies ist in Einklang mit Erkenntnissen zu Schlafeffekten in anderen Invertebraten und der Hypothese, dass Schlaf nur Lernformen begünstigt, die komplexer als klassische Konditionierung sind. Um den Effekt von Schlaf auf Lernen zu untersuchen, scheint Aplyisa californica ein vielversprechender Modellorganismus. Es ist möglich von in vivo Ganglien der Meeresschnecke elektrophysiologisch abzuleiten und einzelne Zellen für Genexpressionsanalysen zu extrahieren. Um zelluläre Vorgänge während des Schlafes besser zu verstehen, wäre es interessant, Veränderungen während dem Schlaf nach klassischer und operanter Konditionierung zu vergleichen. Im ersten Fall sind solche Prozesse vermutlich auf lokale Potenzierung der monosynaptischen Verbindung beschränkt ist, während im letzten möglicherweise Wiederholung oder Umverteilung eine Rolle spielen. Aplysia verfügt über ideale Eigenschaften, um Veränderungen durch Schlaf im Verhalten und auf molekularer Ebene zu korrelieren und könnte so helfen, die evolutionär erhaltenen Prozesse der Gedächtnisbildung während des Schlafes zu entschlüsseln.

Sleep plays a key role in the consolidation of memory. What has long been known for mammals, has only recently been discussed for non-mammalian species, including invertebrates like fruit flies and honeybees. One of the most prominent model organisms in memory research, the mollusk Aplysia californica, has recently gained attention by sleep research. With its relatively simple neuronal network comprising only ca. 20,000 neurons, the sea slug Aplysia embodies an ideal model for studies on the cellular and electrophysiological mechanisms underlying behavioural phenomena. As in many other species, sleep was found essential for memory consolidation of operant conditioning in Aplysia californica. In the present work, the effect of sleep deprivation on consolidation of classical conditioning was explored. A defensive reflex of Aplysia, the siphon withdrawal reflex, was classically conditioned. By pairing a trigger of the reflex with an electric shock, the reflexive withdrawal duration after training is prolonged. The study comprised two groups: the snails of one group were sleep deprived for 6 hours during the night after classical conditioning. The other group was allowed to sleep ad libitum and siphon withdrawal durations in both groups were assessed after 24 hours. This test was followed by an extinction training and both groups were retested 48 hours after conditioning training. In the 24h-test, both groups showed prolonged withdrawal durations, so the performed training had successfully induced memory formation. Interestingly, unlike in former publications, the extinction training could not reverse the learned enhancement of the siphon withdrawal reflex. To the contrary, the learned change of behaviour was very robust and persisted for at least 3 days. As conditioning of Aplysia’s siphon withdrawal reflex always involves sensitization, supposedly the sensitization component was predominant here. This certainly very simple form of memory, which was induced by the applied training, did not profit from sleep during the consolidation phase, as the siphon withdrawal durations in both groups were not significantly different 24 hours after training. This is in line with findings in other invertebrates and the hypothesis, that sleep is only beneficial for types of learning, which are more complex than classical conditioning. Aplysia californica seems to be a very promising model organism to study the effect of sleep on learning. It is possible to electrophysiologically record from in vivo ganglia of the sea slug and to extract single cells for gene expression analysis. To further understand cellular processes during sleep, it might be interesting to compare alterations during sleep following classical and operant conditioning. In the former case, such processes are probably restricted to local potentiation of the monosynaptic connection, while the latter potentially involves replay or redistribution. Aplysia provides ideal conditions to correlate behavioural and molecular changes through sleep and might thus help to decipher the evolutionary conserved processes in memory formation during sleep.