The molecular mechanisms involved in age-dependent cognitive decline are still unclear. Although different longevity factors have been described to extend life span and promote youthfulness in worms and other organisms, little is known of their effect on cognitive abilities. In order to address this question Kauffman et al., (2010) designed a Pavlovian appetitive associative learning and memory assay in the worm C. elegans, using the AWC neuron-sensed odorant butanone, which elicits a small chemotactic response. Wild type worms where starved for approximately one hour, and then placed on a plate containing both food and butanone (“massed” training). Afterwards the worms where tested for butanone attraction on a plate containing the chemoattractant but no food. After a single massed training, WT worms exhibited an increase in chemotaxis to butanone, which was saturated after 30 min of training. To assess the duration of short-term associative memory (STAM), after a single training session, worms where held for variable intervals on a plate containing only food and then tested for their attraction to butanone. The association of food-butanone was lost completely after two hours.
Using a “spaced training” paradigm, worms were starved between trainings and then passed onto a plate with food but no butanone. Long-term associative memory (LTAM) was assessed by testing the chemotactic response to butanone 16 h after spaced training. A similar response to the one seen immediately after conditioning was detected 16h later following seven training blocks. Protein synthesis inhibition with cycloheximide treatment or cold shock, as well as transcriptional inhibition with actinomycin D or CREB mutation, all abrogated LTAM. Conversely, overexpression of CREB increased the duration of LTAM and reduced the number of trainings needed to achieve it. All this demonstrates that similar molecular mechanisms underlay LTAM in higher organisms and worms.
Whilst WT worm motility and chemotaxis remained constant with age, learning and memory abilities decreased drastically. It was shown that LTAM declined much faster than all other cognitive abilities, suggesting that different molecular mechanisms of learning and memory are differentially affected by aging.
Young daf-2 (insulin/IGF-1 receptor) adults, which are long-lived mutants, had normal motility, chemotaxis and learning but showed an increase in STAM and LTAM. In contrast, eat-2 mutants, which ingest food poorly and thus mimic dietary restriction, displayed normal motility, chemotaxis learning and STAM, but preformed poorly in LTAM essays. However, with age, daf-2 mutants retained their extended STAM and massed learning functions but lost their LTAM at the same rate as wild type. In comparison, eat-2 mutants maintained both STAM and LTAM, despite the fact that the latter was initially impaired.
Interestingly, CREB expression levels correlated with LTAM performance in both wild type and mutants, making it a good indicator for LTAM function. This study demonstrates that longevity genes differentially regulate cognitive abilities and that, despite the integrity of neuronal cell structure, C. elegans displays a pronounced decline in memory with age.
Los mecanismos moleculares involucrados en el deterioro cognitivo asociado a la edad son poco claros. Aunque distintos factores de longevidad han sido descritos como extensores de la esperanza de vida y promotores de un fenotipo joven en gusanos y otros organismos, poco se sabe sobre el efecto en las habilidades cognitivas. Para contestar esta interrogante Kauffman et al., (2010) diseñaron una prueba de aprendizaje y memoria asociativa apetitiva Pavloviana en el gusano C. elegans, utilizando el odorante Butanona, el cual es detectado por las neuronas AWC y produce sólo una pequeña respuesta quimiotáctica. Los gusanos tipo silvestre fueron privados de comida durante una hora aproximadamente y luego colocados en un plato con butanona y comida (“entrenamiento masivo”). Posteriormente los gusanos fueron examinados para su atracción a butanona sobre un plato que contenía el quimioatractante pero no la comida. Después de un sólo entrenamiento los gusanos WT mostraron un incremento en la respuesta quimiotáctica a butanona, la cual se vio saturada después de 30 min de entrenamiento. Para evaluar la duración de la memoria asociativa a corto plazo (STAM), después de una sola sesión de entrenamiento, los gusanos fueron puestos durante intervalos variables en un plato con comida solamente y posteriormente evaluados para su atracción a butanona. La asociación comida–butanona se perdió totalmente después de dos horas.
Utilizando un paradigma de “entrenamiento espaciado”, los gusanos fueron privados de comida entre cada entrenamiento y luego transferidos a un plato con comida pero sin butanona. La memoria asociativa a largo plazo (LTAM) fue evaluada mediante la medición de la respuesta quimiotáctica a butanona después de 16h del entrenamiento espaciado. Una respuesta similar a la observada inmediatamente después del condicionamiento fue detectada 16h después de 7 bloques de entrenamiento. La inhibición de la síntesis de proteína con un tratamiento de cicloheximida o choque frío, así como la inhibición transcripcional con actinomicina D o mutación de CREB, todos anularon la LTAM. Por otro lado, la sobreexpresión de CREB incrementó la duración de la LTAM y redujo el número de entrenamientos necesarios para obtenerla. Todo esto demuestra que los mecanismos moleculares que subyacen a la LTAM son similares en gusanos y organismos superiores.
Mientras la motilidad y quimiotaxis de los gusanos WT permanecieron constantes con la edad, las habilidades de aprendizaje y memoria disminuyeron drásticamente. Se mostró que la LTAM disminuyó mucho más rápido que el resto de las habilidades cognitivas, sugiriendo que los distintos mecanismos moleculares de aprendizaje y memoria son afectados diferencialmente por el envejecimiento.
Los adultos daf-2 (receptor de insulina/IGF-1) jóvenes, los cuales son mutantes longevos, mostraron una motilidad, quimiotaxis y aprendizaje normal, pero presentaron un incremento en la STAM y LTAM. En contraste, los mutantes eat-2, los cuales ingieren comida pobremente y por lo tanto simulan una restricción dietética, mostraron una motilidad, quimiotaxis, aprendizaje y STAM normal, pero se desempeñaron deficientemente en las pruebas de LATM. Sin embargo, con la edad, los mutantes daf-2 conservaron su STAM extendida y aprendizaje masivo, pero perdieron su LTAM a la misma tasa que los WT. En contraste, los mutantes eat-2 conservaron ambas STAM y LTAM.
Otro dato interesante es que los niveles de expresión de CREB se correlacionan con el desempeño de la LTAM, convirtiéndolo en un buen indicador para la función de LTAM. Este estudio demuestra que los genes de longevidad regulan diferencialmente las habilidades cognitivas y que, a pesar de la integridad de la estructura de las neuronas, C. elegans muestra un decremento pronunciado en la memoria con la edad.
Kauffman, A. L., Ashraf, J. M., Corces-Zimmerman, M. R., Landis, J. N., & Murphy, C. T. (2010). Insulin signaling and dietary restriction differentially influence the decline of learning and memory with age. PLoS Biol , 8 (5), e1000372+.
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