解开关于乌贼记忆的秘密

你知道乌贼有三颗心脏吗？它们的视力非常发达，可以看到身后的东西。除此之外，雄性乌贼为了更好胜过其它雄性，可以在身体的一侧显示雌性图案，而另一侧则显示出雄性图案[1]。乌贼是一种神奇的生物！

乌贼：聪明的动物

乌贼很聪明，它们能够学习。当它们知道晚上会有人“供应”它们最喜欢的食物时，它们就会在白天少吃一些不那么美味的食物[2]。它们还能学会在看到猎物但无法接近猎物时停止追逐猎物[3]。

乌贼可以利用空间学习来解决迷宫问题以及区分垂直和水平线索等。乌贼的学习依赖于短期记忆和长期记忆。这两种记忆的机制不同，保留的时间也不同。 

乌贼在多个方面与脊椎动物相似，而且体型小巧。这使它们适合作为行为研究的模型。与脊椎动物一样，它们也有中枢神经系统和高度进化的视觉。因此，对它们记忆力的研究有助于推动对脊椎动物的研究。

捕食者-猎物研究自动化

杰西卡-鲍尔斯（Jessica Bowers）[3]和她的同事们使用了诺达思最初为斑马鱼开发的斑马鱼行为轨迹跟踪系统(DanioVision)，将其使用在对Sepia bandensis幼年乌贼的研究中。他们使用的定制孔板有六个相对较大的孔，每个孔代表一个单独的乌贼活动区域（图 1b）。每个区域的面积为 9.5 平方厘米。每个孔中都有一个微小的透明管，他们可以把乌贼最喜欢的猎物（虾）放在里面。利用这种装置，他们同时自动测量六条Sepia bandensis幼年乌贼对猎物的行为。

图1.（a）斑马鱼行为轨迹跟踪系统(DanioVision)观察箱的照片，带红外摄像头（箭头）。（b）从斑马鱼行为轨迹跟踪系统观察箱内拍摄的定制孔板照片。每个孔的顶部都安装了用于容纳猎物（虾）的透明管

为了评估乌贼的短期和长期记忆，研究者设计了一个无法接近的猎物（IP）学习范式。该范式包括训练阶段和保持阶段。在训练阶段，21日龄的乌贼进行5次连续的10分钟试验，每次试验之间有20分钟的休息时间（如图2）。

图2.无法接近的猎物（IP）学习范式时间线示意图。第一天，乌贼连续五次暴露在无法接近的猎物中（T1-T5）。每次训练持续10分钟，每次训练之间有20分钟的休息时间。如第一次训练课程T1中的虚线所示，训练分为两个连续的5分钟间隔(I1 and I2)，以评估短期记忆。训练四天后，进行了一次为期10分钟的保持测试（R），以评估长期记忆

本文的目的是确定三个捕食反应阶段（注意、定位和攻击）是否会因为乌贼学习无法接近的猎物（IP）实验而发生变化。为此，使用动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)跟踪乌贼的方位和整体移动。动物运动轨迹跟踪系统使用中心点跟踪来记录每个个体在活动区域内的总移动（图3a）。通过比较连续帧中中心点的位置来生成乌贼的移动路径（图3b）。他们还使用了“头尾”跟踪，将跟踪点放在动物的头部和尾部，这样就可以分析整个身体在场内的方向和运动（图3a 和b）。还使用不同的检测设置来跟踪每只猎物（虾）的运动（图3c）。

图3.使用动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)设计的实验装置。其中，（a）代表对实验区域中乌贼的检测。红色中心点标记（白色箭头），同时还有头部（黑色箭头）。中心点的移动用于生成观测对象数据，如移动的距离、速度、旋转频率和移动路径。（b）代表乌贼身上获得追踪信息。移动的距离由红线显示。乌贼前部的方向由蓝线显示。（c）代表用于检测猎物（虾）的区域设置。橙色阴影表示实验区域内猎物（虾）的区域。（d）代表乌贼实验区域设置。每个实验区域分为两个区域。顶部区域（粉红色）包含猎物（虾）透明管；底部区域（黄色）是空区。

结果

研究结果表明，21日龄的乌贼具有短时记忆功能。在对乌贼从T1（第一次训练）到 T5（最后一次训练）之间攻击次数进行统计，发现次数减少，说明在几次试验之间发生了学习行为（图4a）。在T1和T5之间经过了大约 2 小时，在训练的T1和T5之间攻击行为减少可能代表了乌贼长期记忆储存的激活。

图4.（a）每次训练在INT 1和INT 2进行的攻击。试验分为两个连续的5分钟间隔，并计算每个间隔的击打次数（INT 1=I1；INT 2=I2）。（b）T1、T5、保持阶段（R）和未经训练的乌贼总攻击次数

令人惊讶的是，我们发现乌贼对IP训练的记忆可保持长达 4 天（图4b）。与T1相比，乌贼在保持测试中的攻击次数有所减少，但与T5相似（图4b）。这表明，尽管从训练到保持测试之间相隔了4天，乌贼并没有恢复到原来的反应速度。与此同时，未经训练的乌贼的反应与T1相似，但与T5不同（图4b）。

图5.（a）乌贼面向猎物区和空区的总时间（SZ=猎物区；EZ=空区）。星号代表各阶段数据汇总后，SZ和 EZ的持续时间存在显著差异。（b）乌贼和猎物（虾）每次测试的总移动量

乌贼花在猎物区的时间比空区多（图5a）。面向猎物区的持续时间在不同时段之间没有差异，面向空区的持续期也没有差异（图5a）。通过跟踪乌贼的总运动，我们认为各阶段的总运动量没有差异（图5b）。猎物（虾）的总运动量在各阶段之间也没有差异（图5b），因此我们不认为猎物运动会影响乌贼的运动量。

文章利用斑马鱼行为轨迹跟踪系统(DanioVision)对捕食行为研究发现，乌贼对无法捕获的猎物的总运动量和方向都没有因为学习而改变。这进一步表明，IP训练选择性地抑制了攻击，而不是整个捕食过程。在试验中，乌贼花在猎物身上的时间相同。虽然经过训练的乌贼攻击的次数较少，但它们在猎物（虾）周围仍然很活跃。研究分析发现攻击次数的减少是一种真正的学习效果，而不是反复训练所产生的行为疲劳。如果乌贼因疲劳而停止攻击，那么预计乌贼对猎物的定向和总的运动也会在各次训练中减少。相反，文章发现乌贼抑制了攻击阶段，但类似的变化并没有反映在注意力和定位阶段。

总结

文章的研究表明，Sepia bandensis乌贼具有学习能力，当它们无法接触到猎物时，它们会调整自己的捕食行为。文章作者发现，当猎物出现在透明管时，乌贼花在猎物区时间更长。它们仍然会朝向猎物，但逐渐停止用触手攻击猎物，因为它们发现自己无法捕捉到猎物。四天后，这些攻击仍然很少。作者证明了这些小型的无脊椎动物是具有长期记忆的。

同时，本文使用的斑马鱼行为轨迹跟踪系统(DanioVision)使他们能够分析仅靠直接观察无法测量的行为。乌贼幼体的大小以及它们在早期发育阶段就表现出许多成年行为的事实，使它们能够使用斑马鱼行为轨迹跟踪系统进行高通量行为研究。这一切都让自动化监测动物行为充满了更多可能。

参考文献

1.earth-matters/animals/blogs/5-amazing-facts-about-strange-beautiful-cuttlefish

2. Billard, Pauline, et al. "Cuttlefish show flexible and future-dependent foraging cognition." Biology Letters 16.2 (2020): 20190743. 

3. Bowers, Jessica, et al. "Evidence of learning and memory in the juvenile dwarf cuttlefish Sepia bandensis." Learning & Behavior (2020). 

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