Lillhjärnans storlek är relaterad till rädslaminne och tämjning av kycklingar.

för mer information:ali.ma@wecistanche.com

Lillhjärnans storlek är relaterad till rädslaminneoch domesticering av kycklingar

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

Linköpings universitet IFM-Biology 581 83 Linköping Sverige

*Motsvarande författare:Per. jensen@liu.se

Klicka tillCistanche tubulosa fördelar och biverkningar för minnet

Abstrakt

Red Junglefowl valdes ut för divergerande nivåer av rädsla för människor under åtta generationer, vilket gjorde att urvalslinjerna skilde sig åt i rädslanivåer såväl som i de proportionella hjärn- och cerebellummassorna. Fåglar från de två linjerna korsades sedan för att få ett F3-kors för att studera sambanden mellan hjärnmassa och rädslalärning. Vi utsatte 105 F3-djur individuellt för en rädsla-tillvänjning ochminnetest vid åtta dagars ålder, där reaktionerna på upprepade ljusblixtar bedömdes två på varandra följande dagar. Efter utslaktning mättes den absoluta och relativa storleken för var och en av fyra hjärnregioner. Stegvis regression användes för att analysera effekterna av storleken på varje hjärnregion på tillvänjning ochminne. Det fanns inga effekter av någon hjärnregion på tillvänjningen dag ett. Men fåglar med en större absolut storlek av lillhjärnan hade signifikant minskade reaktioner på de rädda stimuli dag två, vilket tyder på en bättreminneav stimuli. Inga andra regioner hade betydande effekter. Vi drar slutsatsen att ökad lillhjärnastorlek kan ha varit viktig för att underlätta kycklingtämjandet, vilket gör det möjligt för dem att anpassa sig till ett liv med människor.

1. Introduktion

Ett avgörande drag för det så kallade domesticeringssyndromet hos djur är en minskad storlek på hjärnan i förhållande till kroppsmassan [1]. Men olika hjärnregioner påverkas olika av domesticering [2] och hos kycklingar har vi tidigare funnit att den genetiska arkitekturen som styr storleken på regionerna skiljer sig åt, vilket gör att delar av hjärnan kan svara på urval oberoende [3]. I linje med detta har tama kycklingar mindre hjärnor i förhållande till kroppsstorleken jämfört med den vilda förfadern, den röda djungelfågeln, medan lillhönan faktiskt är betydligt större både i absoluta och proportionella mått [3]. I Red Junglefowl som valts ut för antingen hög eller låg rädsla för människor, fann vi liknande effekter: efter bara några generationer av urval hade de tamare fåglarna totalt sett mindre hjärnor i förhållande till kroppsstorleken, men större lillhjärna än de rädda [4]. Detta tyder på att lillhjärnan kan vara inblandad i hanteringen av rädsla stimuli hos kycklingar och att detta kan ha varit viktigt under domesticeringen när den normalt mycket skygga förfäderna Röda djungelfågeln anpassade sig till ett liv bland människor.

Lillhjärnan ansågs under lång tid huvudsakligen ägna sig åt rörelsekontroll, men nyare forskning visar att den är involverad i en mängd olika kognitiva processer [5- 7]. Både positiva och negativa känslor tycks bearbetas av cerebellära kretslopp med en dominans av de negativa [8]. Men den mesta kunskapen om cerebellär involvering i känslomässig bearbetning kommer från däggdjur. Till exempel, hos människor och andra primater är den involverad i kognitiv utveckling och sociala interaktioner [9], och hos råttor spelar den en roll i rädslakonditioneringminnekonsolidering [10]. Mot bakgrund av detta, och våra tidigare observationer hos kycklingar, antog vi därför att lillhjärnans storlek kan vara relaterad till centrala beteendeaspekter som är relevanta för domesticering, såsom förmågan att vänja sig vid rädsla stimuli.

Här studerade vi rädslareaktioner i en F3-korsning mellan Red Junglefowl som valts ut för hög kontra låg rädsla för människor och mätte storleken och sammansättningen av deras hjärnor. Syftet var att analysera hur fåglar med olika hjärnsammansättningar vänjer sig vid och memorerar en häpnadsväckande men ofarlig stimulans, som ett mått på rädsla.minne.

2. Material och metoder

Den fullständiga datamängden finns tillgänglig som elektroniskt tilläggsmaterial (tabell S1).

Med utgångspunkt från en utavlad population av röda djungelfåglar valde vi separata linjer beroende på deras svar i ett standardiserat test för mänsklig rädsla. Detaljer om fåglarnas häckning och inhysning samt urvalsschemat har rapporterats tidigare [11]. En rad korrelerade selektionssvar observerades, inklusive en relativ minskning av hjärnans massa och en ökning av relativ cerebellummassa i låg-rädsla-linjen [4].

Med hjälp av fåglar från den åttonde utvalda generationen födde vi en korsning genom att korsa två hanar och två honor från varje urvalslinje med en ömsesidig design. I F1- och F2-intercross-generationerna uppföddes fåglar slumpmässigt för att generera en F3--korsning bestående av totalt 105 djur, som utgör vår testpopulation. Ytterligare detaljer om avelssystemet finns i [12].

Vid åtta dagars ålder testades kycklingarna i skräcktillvänjning ochminnetest, bestående av två testtillfällen varvat med 24 - 28 h. Vid vart och ett av de två testtillfällena placerades en kyckling för sig i en stängd, jämnt upplyst testarena, som mätte 25 x 25 x 30 cm. Integrerad i golvet fanns en LED-ljuskälla som avgav blått ljus, och efter 30 s i arenan exponerades kycklingarna för en serie av fem korta (1 s) ljusblixtar med ett 30 s intervall däremellan. Trettio sekunder efter den sista blixten togs kycklingen bort och ersattes av nästa djur.

Testerna spelades in på video och kycklingarnas omedelbara skrämselreaktioner på var och en av de på varandra följande ljusblixtarna poängsattes med hjälp av Observer-mjukvaran (Noldus Inc) från inspelningarna enligt en femgradersskala, där den lägsta poängen (1) var registrerades när ingen reaktion på blixten kunde observeras, och högst (5) för den maximala rädslareaktionen. För att validera poängsättningen poängsattes ett slumpmässigt delurval (10 procent ) av videorna av två oberoende observatörer, och observatörspoängkorrelationen var rs=0.91 (P<0.001). details="" and="" ethograms="" for="" the="" scores="" can="" be="" found="" in="">

För att få ett övergripande mått på intensiteten och avtagandet av rädslareaktionen, beräknade vi arean under kurvan (AUC) för varje kyckling på var och en av testdagarna. AUC beräknades genom att lägga till ytorna under kurvan för vart och ett av de fem 30--intervallen. En lägre AUC betyder lägre totala reaktionspoäng.

När fåglarna var 32 veckor gamla vägdes alla och avlivades genom snabb halshuggning. Hjärnorna togs bort och dissekerades i fyra delar enligt protokollet som användes av Henriksen et al [3]: hjärnhemisfärer, optiska lober, lillhjärnan, och den återstående delen innehåller t.ex. hjärnstammen och hypotalamus. Omedelbart efter dissektion vägdes varje hjärnregion separat och den våta massan erhölls med hjälp av en våg med en precision på 0,001 g. Tidigare forskning har funnit en hög korrelation mellan våtmassa och volym [3].

The measured masses of the brain regions had a distribution that did not significantly deviate from normality, as determined by inspection of Q-Q-plots (Shapiro-Wilks test P>0.05 för alla regioner). För att analysera sambandet mellan hjärnans sammansättning och rädsloreaktioner gjorde vi en stegvis regressionsanalys. Modellen bestod av AUC som svar och inkluderade kroppsvikt och absolut vikt för hela hjärnan och var och en av de fyra hjärnregionerna. Regressionen utfördes separat för det första och andra testtillfället.

Alla avvikelser anges som standardfel för medelvärdet.

3. Resultat

Hanar (N{{0}}) var signifikant större än kvinnor (N=46) (1087,1 ± 10,4 g mot 791,9 ± 9,1 g; P=0. 031, t-test), och hade större absoluta hjärnmassor (hanar: 2,77 ± 0,02 g, honor: 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,">

I det första rädslatestet reagerade de flesta kycklingarna starkt på den första ljusblixten, och visade sedan gradvis ett mindre intensivt skrämselsvar på följande ljusblixtar (Fig 1), i överensstämmelse med ett snabbt tillvänjningssvar. På det andra testet var de genomsnittliga häpnadsväckande reaktionerna mindre intensiva redan vid första ljusblixten (fig 1), vilket tyder på att kycklingarna kom ihåg stimulansen från det första testet och visade återigen tecken på tillvänjning inom testet. Skillnaden mellan reaktionernas intensitet återspeglas i AUC, som var signifikant lägre vid det andra testtillfället (Fig 1; t=3.45 P<0.01; paired="" sample="" t-test),="" indicating="" a="" consolidation="" of="">minnefrån första provet.

I den stegvisa regressionsmodellen behölls inga variabler som signifikanta för AUC vid det första testtillfället. För det andra testet var cerebellums absoluta storlek den enda signifikanta prediktorn för AUC (R2=0.041, F=4.25, P=0.042), där en större lillhjärnan var associerad med en mindre AUC (Fig 2). Effekten verkade mer uttalad hos män (Fig 2), även om sambandet inte nådde signifikans hos något av könen separat.

4. Diskussion

Vi fann att i en F3-korsning mellan Röda djungelfåglar som valts ut för hög och låg rädsla för människor, var fåglar med en större lillhjärna betydligt bättre på att komma ihåg och vänja sig vid en rädd men ofarlig stimulans. Detta indikerar att lillhjärnans storlek kan ha varit en viktig faktor för framgångsrik domesticering av kycklingar.

En större lillhön har tidigare rapporterats i domesticerade White Leghorn-ägglager jämfört med urfaderns Red Junglefowl [3], och likaså i Red Junglefowl selekterad för minskad rädsla för människor [4], vilket tyder på att lillhjärnan kan ha viktiga funktioner i relation till tamhet och domesticering hos kycklingar. Våra nuvarande resultat hjälper till att bekräfta detta eftersom förmågan att leva och frodas nära människor måste ha varit central för tidiga domesticerade djur [13], och detta skulle utan tvekan ha underlättats av en ökad förmåga att vänja sig vid ofarliga stimuli som från början kan ha uppfattats som skrämmande.

Hjärnan är ett kostsamt organ. För att optimera energianvändningen har därför adaptiva förändringar i hjärnans storlek och sammansättning utvecklats under domesticering [1,2,14] [15] [16,17]. I enlighet med mosaikhjärnteorin kan olika regioner utvecklas oberoende, vilket framgår av de olika genetiska arkitekturerna som ligger till grund för storleken och tillväxten av olika hjärndelar [2,3]. Lillhjärnan är en del av ryggradsdjurens hjärna som länge mest har ansetts vara ett centrum för rörelsekontroll, men forskning under de senaste decennierna har visat att den har mycket bredare funktioner. Hos människor är det involverat i social kognition och inlärning [5,18] och hos kycklingar och vaktel påverkar det reproduktiva beteendet [3,6]. Hos råttor spelar lillhjärnan en viktig roll i konsolideringen av skräckminnen, och våra nuvarande resultat överensstämmer med detta [10].

Våra resultat visar ett signifikant samband mellan lillhjärnans massa och rädsla tillvänjning hos kycklingar men tillåter inga slutsatser om vad det är som orsakar detta, och effekten är relativt svag med en R2 på 4,1 procent. Fåglarnas lillhjärna har en annan anatomi än hos däggdjur, och dess sammansättning och anslutningsmöjligheter skiljer sig även mellan raser av samma art [2]. De effekter vi observerar kan till exempel vara ett resultat av ett ökat antal neuroner eller andra celltyper eller ökad neurontäthet. Framtida forskning bör fokusera på att belysa vilka aspekter av den ökade massan som ligger till grund för de observerade beteendeeffekterna.

Det är anmärkningsvärt att ingen annan hjärnregionstorlek hade ett signifikant samband med inlärningsprocessen som mäts i det aktuella experimentet. Men med de relativt grova mätningarna som används kan vi inte utesluta involvering av andra delar av hjärnan, som t.ex. amygdala eller hypotalamus, och vi kunde inte bedöma kopplingen mellan lillhjärnan och andra områden.

Kycklingar har domesticerats från röda djungelfåglar för minst 8000 år sedan [19] och förfadern i det vilda är extremt skygg och rädd mot människor [20]. Därför måste ett första och nödvändigt steg mot framgångsrik domesticering ha varit en minskning av rädsla, och det har föreslagits att detta faktiskt var en viktig drivkraft bakom många typiska domesticerade egenskaper [13]. Hos kaniner är förändringar i hjärnstrukturen under domesticering förenliga med förändrad rädslabearbetning [17] och domesticerade kycklingar har en totalt sett minskad hjärnmassa i förhållande till kroppsstorlek [3]. Men hos tama kycklingar utgör lillhjärnan en större del av hjärnan än hos Röda djungelhöns [3]. Samma effekter observerades efter bara några generationer av selektion på Red Junglefowl för minskad rädsla för människor: den tamera urvalslinjen utvecklade en proportionellt mindre hjärna som helhet och en proportionellt mindre telencephalon, men en proportionellt större cerebellum [4]. Detta var förknippat med förändringar i rädslaminne[21]. Skillnaderna som tidigare observerats mellan de två utvalda röda djungelfågellinjerna kan orsakas av många olika faktorer, inklusive genetisk drift. Men F3-intercross-metoden som används här visar tydligt en genetisk korrelation mellan cerebellummassa och rädslaminne, vilket tyder på att lillhjärnans storlek hos kycklingar kan ha gett adaptivt värde under domesticering.

Sammanfattningsvis visar våra resultat att lillhjärnmassan hos Röd djungelfågel är förknippad med effektivare tillvänjning ochminneav en fruktansvärd men ofarlig stimulans. I ljuset av tidigare fynd, att lillhönan är större hos tama kycklingar såväl som hos röda djungelhöns som valts ut för minskad rädsla för människor, tyder de nuvarande fynden på att större lillhönsmassa kan ha underlättat vilda röda djungelhöns att anpassa sig till ett liv med människor, och därmed kan ha varit viktigt för framgångsrik domesticering av kycklingar.

Referenser

1. Pris, EO 2002 Djurtämning och beteende. Wallingford: CABI. (doi:10.1079/9780851995977.0000)

2. Rehkämper, G., Frahm, HD & Cnotka, J. 2008 Mosaisk evolution och adaptiv hjärnkomponentförändring under domesticering sett mot bakgrund av evolutionsteorin. Brain Behavior and Evolution 71, 115–126. (doi:10.1159/000111458)

3. Henriksen, R., Johnsson, M., Andersson, L., Jensen, P. & Wright, D. 2016 The domesticated brain: genetics of brain mass and brain structure in an avian species. Scientific Reortsp 6, 1–9. (doi:10.1038/srep34031)

4. Agnvall, B., Beltéky, J. & Jensen, P. 2017 Hjärnstorleken reduceras genom selektion för tamhet hos Red Junglefowl– korrelerade effekter i vitala organ. Vetenskapliga rapporter 7,

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

5. Barton, RA 2012 Förkroppsligad kognitiv evolution och lillhjärnan. Philosophical Transactions of the Royal Society B 367, 2097–2107. (doi:10.1098/rstb.2012.0112)

6. Ebneter, C., Pick, JL & Tschirren, B. 2016 En avvägning mellan reproduktionsinvesteringar och moderns lillhjärnastorlek hos en precocial fågel. Biology Letters 12,

20160659. (doi:10.1098/rsbl.2016.0659)

7. Van Overwalle, F., D'aes, T. & Mariën, P. 2015 Social cognition and the cerebellum: A meta-analytic connectivity analysis. Human Brain Mapping 36, 5137–5154. (doi:10.1002/hbm.23002)

8. Adamaszek, M. et al. 2017 Consensus Paper: Cerebellum and Emotion. Cerebellum 16, 552-576. (doi:10.1007/s12311-016-0815-8)

9. Wang, SSH, Kloth, AD & Badura, A. 2014 Lillhjärnan, känsliga perioder och autism. Neuron 83, 518–532.

10. Sacchetti, B., Baldi, E., Lorenzini, CA & Bucherelli, C. 2002 Cerebellär roll i rädsla-konditionerande konsolidering. Proceedings of the National Academy of Sciences 99, 8406–8411. (doi:10.1073/pnas.112660399)

11. Agnvall, B., Jöngren, M., Strandberg, E. & Jensen, P. 2012 Heritability and Genetic Correlations of Fear-Related Behaviour in Red Junglefowl–Possible Implications for Early Domestication. PLoS ONE 7, e35162. (doi:10.1371/journal.pone.0035162)

12. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 Tameness korrelerar med domesticeringsrelaterade egenskaper i ett röd djungelfågel-intercross. Genes Brain & Behavior, 1–12.

(doi:10.1111/gbb.12704)

13. Agnvall, B., Beltéky, J., Katajamaa, R. & Jensen, P. 2018 Drivs evolutionen av domesticering av tamhet? En selektiv recension med fokus på kycklingar. Applied Animal Behaviour Science 205, 227–233. (doi:10.1016/j.applanim.2017.09.006)

14. Ksepka, DT et al. 2020 Tempo och mönster av Avian Brain Size Evolution. Current Biology 30, 2026–2036.e3. (doi:10.1016/j.cub.2020.03.060)

15. Maklakov, AA, Immler, S., Gonzalez-Voyer, A., Rönn, J. & Kolm, N. 2011 Brains and the city: storhjärniga passerine-fåglar lyckas i stadsmiljöer. Biology Letters 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, AA & Kolm, N. 2013 Artificial Selection on Relative Hjärnstorleken i Guppy avslöjar kostnaderna och fördelarna med att utveckla en större hjärna. Current Biology 23, 168–171. (doi:10.1016/j.cub.2012.11.058)

17. Brusini, I. et al. 2018 Förändringar i hjärnans arkitektur överensstämmer med förändrad rädslabearbetning hos tamkaniner. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 115, 7380–7385. (doi:10.1073/pnas.1801024115)

18. Van Overwalle, F., Van de Steen, F., van Dun, K. & Heleven, E. 2020 Konnektivitet mellan storhjärnan och lillhjärnan under social och icke-social sekvensering med hjälp av dynamisk kausal modellering. Neuroimage 206, 116326.(doi:10.1016/j.neuroimage.2019.116326)

19. Tixier- Boichard, M., Bed'hom, B. & Rognon, X. 2011 Chicken domestication: From archeology to genomics. Comptes Rendus Biologies 334, 197–204.

(doi:10.1016/j.crvi.2010.12.012)

20. Collias, NE & Collias, EC 1996 Social organisation av en röd djungelfågel, Gallus gallus, population relaterad till evolutionsteorin. Animal Behaviour 51, 1337–1354.

21. Katajamaa, R. & Jensen, P. 2020 Urval för minskad rädsla hos röda djungelfåglar förändrar hjärnans sammansättning och påverkar rädslaminne. Royal Society Open Science 7, 200628. (doi:10.1098/rsos.200628)