Il ruolo della memoria nella regolazione dell'aggressività di Drosophila dipendente da isolamento

The behavior of most animals is susceptible to the social environment in which they grow up and live. The presence of conspecifics can alter the brain function through still poorly known mechanisms, such as changes in gene expression, synaptic plasticity and physiological functions. In turn, all these changes are reflected in various behavioral modifications. Perceived and chronic isolation constitute some serious disruptors of many primary behavioral states in numerous social animals. The fruit fly, Drosophila melanogaster, is no exception: socially isolated flies display a higher level of general locomotor activity as well as a reduced need for sleep. On the other hand, they show increased fly-to-fly aggression levels and feeding behavior, while being characterized by a reduced number of neuronal fibers. All these drastic behavioral and morphological changes are similarly observed in other animal species, including humans. However, which are the mechanisms through which this lack of social interplay induces such modifications to the brain functions? Our hypothesis is that non-declarative memory, created during social interactions, is required for a proper social behavioral response. Firstly, an aggression paradigm was set up and coupled with an automated fly tracking. Then, all data were analyzed using an AI-based "fight" quantification algorithm. Using this aggression assay, isolated flies lacking some genes required for memory formation (such as rutabaga or dunce) behaved indistinguishably compared to socially raised animals, in contrast with control animals in which isolated flies were more aggressive. This same phenotype was reproduced by down-regulating the gene rutabaga exclusively in the main memory-formation structure of the brain (the mushroom body). On top of these observable behavioral changes, it is well known that memory formation is accompanied with an enhanced synaptic plasticity. Indeed, from this work results, socialized flies showed a tendency to increase the number of synapses. All these results suggest that the ability to create memories is required in the mushroom body to change the aggression behavior after social interaction. In addition, some memory-related candidate genes were tested by using a different social-related behavior essay such as locomotion/sleep. This was chosen since it’s known that isolated animals sleep less than socially raised ones, but only if the individuals are capable of forming memories. The result showed that, for the studied genes, similar sleep differences emerged after isolation, thus suggesting that the latter were not involved in memory formation.

Il comportamento della maggior parte degli animali è sensibile all'ambiente sociale in cui crescono e vivono. La presenza di conspecifici può alterare le funzioni cerebrali attraverso meccanismi ancora poco conosciuti, come cambiamenti nell'espressione genica, nella plasticità sinaptica e nelle funzioni fisiologiche. A loro volta, tutti questi cambiamenti si riflettono in varie modificazioni comportamentali. L'isolamento percepito e cronico costituisce un serio fattore di disturbo di molti stati comportamentali primari in numerosi animali sociali. Il moscerino della frutta, Drosophila melanogaster, non fa eccezione: le mosche socialmente isolate mostrano un livello più elevato di attività locomotoria generale e un ridotto bisogno di sonno. D'altra parte, mostrano un aumento dei livelli di aggressività e di bisogno di alimentazione, mentre sono caratterizzate da un numero ridotto di fibre neuronali. Questi drastici cambiamenti comportamentali e morfologici sono stati osservati anche in altre specie animali, compreso l'uomo. Tuttavia, quali sono i meccanismi attraverso i quali la mancanza di interazione sociale induce tali modifiche alle funzioni cerebrali? La nostra ipotesi è che la memoria non dichiarativa, creata durante le interazioni sociali, sia necessaria per una risposta comportamentale sociale adeguata. In primo luogo, è stato messo a punto un paradigma di aggressione, abbinato a un sistema di tracciamento automatico delle mosche, i cui dati sono stati analizzati utilizzando un algoritmo di quantificazione della "lotta" basato sull'intelligenza artificiale. Utilizzando questo saggio di aggressione, si è osservato che le mosche isolate che mancavano di alcuni geni necessari alla formazione della memoria (come rutabaga o dunce) si comportavano in modo indistinto rispetto agli animali cresciuti socialmente, a differenza degli animali di controllo in cui le mosche isolate erano più aggressive. Questo stesso fenotipo è stato riprodotto riducendo la regolazione del gene rutabaga esclusivamente nella principale struttura di formazione della memoria del cervello (il mushroom body). Oltre a questi cambiamenti comportamentali osservabili, è noto che la formazione della memoria è accompagnata da una maggiore plasticità sinaptica. I risultati di questo lavoro mostrano come le mosche che hanno avuto interazioni sociali mostrano una tendenza ad aumentare il numero di sinapsi. Tutti questi risultati suggeriscono che la capacità di creare ricordi è necessaria nel mushroom body per modificare il comportamento di aggressione dopo l'interazione sociale. Inoltre, alcuni geni candidati legati alla memoria sono stati testati utilizzando un altro saggio del comportamento sociale, quello della locomozione/il sonno. Questo è stato scelto perché è noto che gli animali isolati dormono meno di quelli cresciuti socialmente, ma solo se gli individui sono in grado di formare ricordi. Il risultato ha mostrato che, per i geni studiati, sono emerse differenze di sonno simili dopo l'isolamento, suggerendo quindi che questi ultimi non sono coinvolti nella formazione della memoria.