Gedrags benaderingen voor het bestuderen van aangeboren stress in zebravis
Summary
Dit manuscript beschrijft een eenvoudige methode om stress gedrag in volwassen zebravis te meten. De aanpak maakt gebruik van de aangeboren tendens dat zebravis de voorkeur aan de onderste helft van een tank, wanneer in een stressvolle toestand. Wij beschrijven ook methodes om de analyse met farmacologie te koppelen.
Abstract
Adequaat reageren op stress prikkels is essentieel voor het voortbestaan van een organisme. Uitgebreid onderzoek is gedaan op een breed spectrum van stress-gerelateerde ziekten en psychiatrische stoornissen, maar verder onderzoek naar de genetische en neuronale regulering van stress zijn nog steeds nodig om betere therapeutische ontwikkeling. De zebravis biedt een krachtig genetisch model om de neurale fundamenten van stress te onderzoeken, want er bestaat een grote collectie van mutant en transgene lijnen. Bovendien kan de farmacologie gemakkelijk worden toegepast op zebravis, aangezien de meeste drugs direct aan water kunnen worden toegevoegd. We beschrijven hier het gebruik van de ‘ novel tank test ‘ als een methode om aangeboren stress responsen in zebravis te bestuderen en te demonstreren hoe potentiële anxiolytische medicijnen kunnen worden gevalideerd met behulp van de assay. De methode kan gemakkelijk worden gekoppeld aan zebravis lijnen harboring genetische mutaties, of die waarin transgene benaderingen voor het manipuleren van nauwkeurige neurale circuits worden gebruikt. De assay kan ook gebruikt worden in andere vissen modellen. Samen, zou het beschreven protocol de goedkeuring van deze eenvoudige analyse aan andere laboratoria moeten vergemakkelijken.
Introduction
Stress reacties zijn veranderd gedrags-en fysiologische staten als gevolg van potentieel schadelijke of aversieve prikkels. De reacties van de spanning worden behouden door het dierlijke Koninkrijk, en zijn kritiek voor het voortbestaan van een organisme1. Decennia van onderzoek hebben sterk uitgebreid onze kennis van een aantal van de genetische en neuronale mechanismen ten grondslag liggen aan stress Staten. Vandaag, gebieden van de hersenen, zoals de amygdala en de striatum2, en genetische factoren zoals Corticotropin releasing hormoon (CRH), en de glucocorticoïd (gr) en Mineralocorticoid receptoren ( de heer) zijn uitgebreid bestudeerd3,4,5,6. Ondanks deze kritische bevindingen, veel blijft onbekend over genetische en neuronale regulering van stress. Als zodanig, veel stress gerelateerde aandoeningen lijden aan een gebrek aan therapeutische.
Genetisch te wijzigen modelorganismen bieden een nuttig instrument in de studie van genetische en neuronale controle van gedrag. Vis modellen, in het bijzonder, zijn zeer krachtig: ze zijn kleine organismen met korte generatie tijden, het gebruik ervan in een laboratoriumomgeving is gemakkelijk, hun genomen zijn eenvoudig te wijzigen, en, als een gewervelde, ze delen niet alleen genetische, maar ook neuroanatomische homologie met hun tegenhangers van zoogdieren7,8. Standaard assays voor het meten van stress kan worden gekoppeld aan zebravis lijnen harboring genetische mutaties, of die waarin manipulatie van nauwkeurige neuronale deelverzamelingen mogelijk is, en de effecten van enkelvoudige genen of gedefinieerde neuronen kunnen snel en efficiënt worden beoordeeld.
Gedragsmatige, stressreacties kunnen worden gekenmerkt in vis als periodes van Hyper-activiteit of langdurige periodes van inactiviteit (verwant aan ‘ bevriezen ‘)9, verminderde exploratie10, snelle ademhaling, verminderde voedselinname11, en een plaats-voorkeur voor de bodem van een tank12. Bijvoorbeeld, wanneer geplaatst in een onbekende tank, volwassen zebravis en andere kleine vissen modellen tonen een eerste voorkeur voor de onderste helft van de tank, maar toch, na verloop van tijd, de vis beginnen met het verkennen boven-en onderkant helften met bijna-gelijke frequentie12. Behandeling van volwassenen met geneesmiddelen bekend om angst te verminderen veroorzaken vissen om onmiddellijk te verkennen de bovenste helft van10,13. Omgekeerd, drugs die angst te verhogen veroorzaken vis om sterke voorkeur voor de onderste helft van de tank12,14,15te tonen. Zo, verminderde exploratie en voorkeur voor de onderste helft van de tank zijn eenvoudige en betrouwbare indicatoren van stress.
Net als de meeste gewervelde dieren, stressreacties in vissen worden gedreven door activering van hypothalamic-hypofyse-Inter-renale as (HPI; analoog aan de hypothalamic-hypofyse-bijnier [hpa] as bij zoogdieren)14,16. Hypothalamic neuronen het uitdrukken van het hormoon Corticotropin-releasing hormoon (CRH) signaal aan de hypofyse, die op zijn beurt releases adrenocorticotroop releasing hormoon (ACTH). Acth vervolgens signalen naar de Inter-renale klier te produceren en afscheiden cortisol, die een aantal van de downstream-doelstellingen heeft16, een van hen negatief feedback van de CRH-producerende hypothalamic neuronen3,17, 18,19.
Hier beschrijven we een methode om gedrags maatregelen van aangeboren stress te beoordelen. Voor het gedrag, we detail protocollen met behulp van de nieuwe tank duiken test12,14. We tonen dan, als voorbeeld, dat een bekende anxiolytische drug, buspirone, vermindert gedragsmatige maatregelen van stress.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zebravis vertonen een robuuste stress respons in een nieuwe tank
Hier, beschrijven wij een eenvoudige gedrags benadering voor het onderzoeken van spanningsreacties in volwassen zebravis, en valideren de benadering als eenvoudige maatregel van spanning gebruikend farmacologie.
De roman tank test is een wijd gebruikte test voor het onderzoeken van ingeboren spanning in zebravis en andere soorten vissen12,14,<sup cl…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de financiering van de Jupiter Life Science Initiative aan de Florida Atlantic University naar ERD en ACK. Dit werk werd ook ondersteund door subsidies R21NS105071 (toegekend aan ACK en ERD) en R15MH118625 (toegekend aan ERD) van de nationale instituten van de gezondheid.
Materials
| Camera | We use Point Grey Grasshopper3 USB camera with lens from Edmund Optics. | ||
| Infrared filter | Edmund Optics | ||
| Video Acquisition Program | Use programs such as Virtualdub or FlyCapture because the acquisition framerate can be set. | ||
| Infrared LED lights | |||
| Assay tank | Aquaneering | Part number ZT180 | Size: M3 1.8 liter |
| Stand and clamp, or standard tripod for camera | |||
| 250mL beaker | |||
| Tracking software | We use Ethovision XT 13 from Noldus Information Technology | ||
| Buspirone chloride | Sigma-Aldrich | B7148 | |
| Randomized trial generator | We use the RANDBETWEEN function in Microsoft Excel |
References
- McEwen, B. S. Stress, adaptation, and disease. Allostasis and allostatic load. Annals of the New York Academy of Sciences. 840, 33-44 (1998).
- Tovote, P., Fadok, J. P., Lüthi, A. Neuronal circuits for fear and anxiety. Nature Reviews Neuroscience. 16 (6), 317-331 (2015).
- Facchinello, N., et al. Nr3c1 null mutant zebrafish are viable and reveal DNA-binding-independent activities of the glucocorticoid receptor. Scientific Reports. 7 (4371), (2017).
- Ziv, L., et al. An affective disorder in zebrafish with mutation of the glucocorticoid receptor. Molecular Psychiatry. , (2013).
- Grone, B. P., Maruska, K. P. Divergent evolution of two corticotropin-releasing hormone (CRH) genes in teleost fishes. Frontiers in Neuroscience. , (2015).
- Fuller, P. J., Lim-Tio, S. S., Brennan, F. E. Specificity in mineralocorticoid versus glucocorticoid action. Kidney International. , (2000).
- Zhdanova, I. V. Sleep and its regulation in zebrafish. Reviews in the Neurosciences. 22 (1), 27-36 (2011).
- Patton, E. E., Zon, L. I. The art and design of genetic screens: zebrafish. Nature Reviews Genetics. , (2001).
- Duboué, E. R. E. R., Hong, E., Eldred, K. C. K. C., Halpern, M. E. M. E. Left Habenular Activity Attenuates Fear Responses in Larval Zebrafish. Current Biology. 27 (14), 2154-2162 (2017).
- Facchin, L., Duboue, E. R., Halpern, M. E. Disruption of Epithalamic Left-Right Asymmetry Increases Anxiety in Zebrafish. Journal of Neuroscience. 35 (48), 15847-15859 (2015).
- Øverli, &. #. 2. 1. 6. ;., Sørensen, C., Nilsson, G. E. Behavioral indicators of stress-coping style in rainbow trout: Do males and females react differently to novelty. Physiology and Behavior. , (2006).
- Levin, E. D., Bencan, Z., Cerutti, D. T. Anxiolytic effects of nicotine in zebrafish. Physiology & behavior. 90 (1), 54-58 (2007).
- Bencan, Z., Sledge, D., Levin, E. D. Buspirone, chlordiazepoxide and diazepam effects in a zebrafish model of anxiety. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 94 (1), 75-80 (2009).
- Cachat, J., et al. Measuring behavioral and endocrine responses to novelty stress in adult zebrafish. Nature Protocols. 5 (11), 1786-1799 (2010).
- Mathuru, A. S., et al. Chondroitin fragments are odorants that trigger fear behavior in fish. Current Biology. , (2012).
- Alsop, D., Vijayan, M. The zebrafish stress axis: Molecular fallout from the teleost-specific genome duplication event. General and Comparative Endocrinology. , (2009).
- Evans, A. N., Liu, Y., MacGregor, R., Huang, V., Aguilera, G. Regulation of Hypothalamic Corticotropin-Releasing Hormone Transcription by Elevated Glucocorticoids. Molecular Endocrinology. , (2013).
- Fenoglio, K. A., Brunson, K. L., Avishai-Eliner, S., Chen, Y., Baram, T. Z. Region-specific onset of handling-induced changes in corticotropin- releasing factor and glucocorticoid receptor expression. Endocrinology. , (2004).
- Liposits, Z., et al. Ultrastructural localization of glucocorticoid receptor (GR) in hypothalamic paraventricular neurons synthesizing corticotropin releasing factor (CRF). Histochemistry. , (1987).
- Facchin, L., Duboué, E. R., Halpern, M. E. Disruption of epithalamic left-right asymmetry increases anxiety in Zebrafish. Journal of Neuroscience. 35 (48), (2015).
- Chin, J. S., et al. Convergence on reduced stress behavior in the Mexican blind cavefish. Biologie du développement. , (2018).
- Wong, K., et al. Analyzing habituation responses to novelty in zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 208 (2), 450-457 (2010).
- Matsunaga, W., Watanabe, E. Habituation of medaka (Oryzias latipes) demonstrated by open-field testing. Behavioural Processes. 85 (2), 142-150 (2010).
- Walker, C. Chapter 3 Haploid Screens and Gamma-Ray Mutagenesis. Methods in Cell Biology. , (1998).
- Rihel, J., et al. Zebrafish behavioral profiling links drugs to biological targets and rest/wake regulation. Science. 327, 348-351 (2010).
- Peal, D. S., Peterson, R. T., Milan, D. Small molecule screening in zebrafish. Journal of Cardiovascular Translational Research. , (2010).
- Murphey, R., Zon, L. Small molecule screening in the zebrafish. Methods. 39 (3), 255-261 (2006).
- Gammans, R. E., et al. Use of buspirone in patients with generalized anxiety disorder and coexisting depressive symptoms. A meta-analysis of eight randomized, controlled studies. Neuropsychobiology. 25 (4), 193-201 (1992).
- Maaswinkel, H., Zhu, L., Weng, W. The immediate and the delayed effects of buspirone on zebrafish (Danio rerio) in an open field test: A 3-D approach. Behavioural Brain Research. , (2012).
- Gebauer, D. L., et al. Effects of anxiolytics in zebrafish: Similarities and differences between benzodiazepines, buspirone and ethanol. Pharmacology Biochemistry and Behavior. , (2011).
- Maximino, C., et al. Fingerprinting of psychoactive drugs in zebrafish anxiety-like behaviors. PLoS ONE. , (2014).
- Horváth, J., Barkóczi, B., Müller, G., Szegedi, V. Anxious and nonanxious mice show similar hippocampal sensory evoked oscillations under urethane anesthesia: Difference in the effect of buspirone. Neural Plasticity. , (2015).
- Costall, B., Kelly, M. E., Naylor, R. J., Onaivi, E. S. Actions of buspirone in a putative model of anxiety in the mouse. Pharm Pharmacol. 40 (7), 494-500 (1988).
- Barros, M., Mello, E. L., Huston, J. P., Tomaz, C. Behavioral effects of buspirone in the marmoset employing a predator confrontation test of fear and anxiety. Pharmacology Biochemistry and Behavior. , (2001).
- Heinen-Kay, J. L., et al. Predicting multifarious behavioural divergence in the wild. Animal Behaviour. 121, 3-10 (2016).
- Thompson, R. R. J., Paul, E. S., Radford, A. N., Purser, J., Mendl, M. Routine handling methods affect behaviour of three-spined sticklebacks in a novel test of anxiety. Behavioural Brain Research. 306, 26-35 (2016).
- Hamilton, T. J., et al. Establishing zebrafish as a model to study the anxiolytic effects of scopolamine. Scientific Reports. , (2017).
- York, R. A., Fernald, R. D. The Repeated Evolution of Behavior. Frontiers in Ecology and Evolution. 4, 143 (2017).
- Jakka, N. M., Rao, T. G., Rao, J. V. Locomotor behavioral response of mosquitofish (Gambusia affinis) to subacute mercury stress monitored by video tracking system. Drug and Chemical Toxicology. , (2007).
- Hu, C. K., Brunet, A. The African turquoise killifish: A research organism to study vertebrate aging and diapause. Aging Cell. , (2018).
- Maximino, C., et al. Measuring anxiety in zebrafish: A critical review. Behavioural Brain Research. 214 (2), 157-171 (2010).
- Maximino, C., Marques de Brito, T., Dias, C. A. G., Gouveia, A., Morato, S. Scototaxis as anxiety-like behavior in fish. Nature protocols. 5 (2), 209-216 (2010).
- Godwin, J., Sawyer, S., Perrin, F., Oxendine, S., Kezios, Z. Adapting the Open Field Test to assess anxiety related behavior in zebrafish. Zebrafish Protocols for Neurobehavioral Research. , 181-189 (2012).
- Agetsuma, M., et al. The habenula is crucial for experience-dependent modification of fear responses in zebrafish. Nature Neuroscience. 13 (11), 1354-1356 (2010).
- Valente, A., Huang, K. H., Portugues, R., Engert, F. Ontogeny of classical and operant learning behaviors in zebrafish. Learning and Memory. , (2012).
- Baker, M. R., Goodman, A. C., Santo, J. B., Wong, R. Y. Repeatability and reliability of exploratory behavior in proactive and reactive zebrafish, Danio rerio. Scientific Reports. , (2018).
- Friedrich, R. W., Genoud, C., Wanner, A. A. Analyzing the structure and function of neuronal circuits in zebrafish. Frontiers in Neural Circuits. , 7 (2013).
- Friedrich, R. W., Jacobson, G. A., Zhu, P. Circuit Neuroscience in Zebrafish. Current Biology. 20 (8), (2010).
- Marquart, G. D., et al. A 3D Searchable Database of Transgenic Zebrafish Gal4 and Cre Lines for Functional Neuroanatomy Studies. Frontiers in Neural Circuits. , (2015).
- Randlett, O., et al. Whole-brain activity mapping onto a zebrafish brain atlas. Nature Methods. 12 (11), 1039-1046 (2015).
- Gupta, T., et al. Morphometric analysis and neuroanatomical mapping of the zebrafish brain. Methods. 1046 (18), 30011-30012 (2018).
- Marquart, G. D., et al. High-precision registration between zebrafish brain atlases using symmetric diffeomorphic normalization. GigaScience. , (2017).
- Ronneberger, O., et al. ViBE-Z: A framework for 3D virtual colocalization analysis in zebrafish larval brains. Nature Methods. , (2012).
- Subedi, A., et al. Adoption of the Q transcriptional regulatory system for zebrafish transgenesis. Methods. 66 (3), 433-440 (2014).
- Scheer, N., Campos-Ortega, J. A. Use of the Gal4-UAS technique for targeted gene expression in the zebrafish. Mechanisms of Development. 80 (2), 153-158 (1999).
- Chatterjee, D., Tran, S., Shams, S., Gerlai, R. A Simple Method for Immunohistochemical Staining of Zebrafish Brain Sections for c-fos Protein Expression. Zebrafish. , (2015).
