المهمة السلوكية لاختيار ثلاث غرف باستخدام Zebrafish كنظام نموذجي
Summary
نحن نقدم غرفة سلوكية مصممة لتقييم الأداء المعرفي. نحن نقدم بيانات تبين أنه بمجرد الحصول عليها ، تذكر حمار وحشي المهمة بعد 8 أسابيع. كما نظهر أن سمك الحمار الوحشي المفرط السكر في الدم قد غير الأداء المعرفي، مما يشير إلى أن هذا النموذج ينطبق على الدراسات التي تقيم الإدراك والذاكرة.
Abstract
الأمراض العصبية تعتمد على العمر، المنهكة، وغير قابلة للشفاء. وقد ربطت التقارير الأخيرة أيضا ارتفاع السكر في الدم مع التغيرات في الذاكرة و / أو ضعف الإدراك. لقد قمنا بتعديل وتطوير مهمة معرفية من ثلاث غرف مماثلة لتلك المستخدمة مع القوارض لاستخدامها مع سمك الحمار الوحشي المفرط السكر في الدم. تتكون غرفة الاختبار من غرفة انطلاق ذات موقع مركزي ومقصورتين للاختيار على كلا الجانبين ، مع مجموعة من التخصصات المستخدمة كمكافأة. نحن نقدم بيانات تبين أنه بمجرد الحصول عليها ، تذكر حمار وحشي المهمة بعد 8 أسابيع على الأقل. تشير بياناتنا إلى أن سمك الحمار الوحشي يستجيب بقوة لهذه المكافأة ، وقد حددنا العجز المعرفي في الأسماك المفرطة السكر في الدم بعد 4 أسابيع من العلاج. قد ينطبق هذا الفحص السلوكي أيضا على الدراسات الأخرى المتعلقة بالإدراك والذاكرة.
Introduction
الأمراض العصبية تعتمد على العمر، المنهكة، وغير قابلة للشفاء. وتتزايد هذه الأمراض انتشارا، مما يؤدي إلى الحاجة الملحة إلى تحسين وتطوير استراتيجيات علاجية جديدة. بداية وعرض كل مرض فريد من نوعه، حيث يؤثر بعضها على مناطق الدماغ اللغوية والحركية والاستقلالية، في حين أن البعض الآخر يسبب عجزا في التعلم وفقدان الذاكرة1. أبرزها, العجز المعرفي و / أو ضعف هي المضاعفات الأكثر انتشارا في جميع الأمراض العصبية2. أملا في تسليط الضوء على الآليات الكامنة الكامنة وراء هذه الأمراض العصبية التنكسية، تم استخدام العديد من النظم النموذجية المختلفة (بما في ذلك الكائنات وحيدة الخلية إلى دروسوفيلا إلى الفقاريات ذات الترتيب الأعلى مثل القوارض والبشر)؛ ومع ذلك ، فإن غالبية الأمراض العصبية لا تزال غير قابلة للشفاء.
التعلم والذاكرة هي عمليات حفظها للغاية بين الكائنات الحية والتغيرات المستمرة في البيئة تتطلب التكيف3. وقد ثبت ضعف في كل من الإدراك واللدونة متشابك في العديد من نماذج القوارض. على وجه التحديد، تستخدم المقايسات السلوكية الراسخة التعلم النقابي لتقييم التغيرات المعرفية بعد مختلف الأمراض والاضطرابات الناجمة عن ضعف4. بالإضافة إلى ذلك، فإن انعكاس التمييز على النقيض من ذلك يقيم العجز المعرفي لأنه ينطوي على وظائف التعلم والذاكرة ذات الترتيب الأعلى، ويعتمد الانعكاس على تثبيط ارتباط تم تعلمه من قبل. مهمة اختيار ثلاث غرف المستخدمة على نطاق واسع يوضح العجز المحتمل في مسارات التعلم والذاكرة في الجهاز العصبي المركزي5،6. في الآونة الأخيرة ، توسع هذا المجال ليشمل نماذج غير ثديية ، مثل سمك الحمار الوحشي(Danio rerio)، حيث تم تطوير العديد من النماذج لمجموعة من الأعمار من اليرقات إلى البالغين7،8.
Zebrafish توفير توازن بين التعقيد والبساطة التي هي مفيدة لتقييم الإعاقات المعرفية مع التقنيات السلوكية. أولا، سمك الحمار الوحشي قابل للفحص السلوكي عالي الإنتاجية نظرا لصغر حجمه وطبيعته الإنجابية الغزيرة. ثانيا، تمتلك حمار وحشي هيكل، والباليوم الجانبي، وهو مماثل للقرن آمون الثدييات كما أن لديها علامات الخلايا العصبية مماثلة وأنواع الخلايا7. حمار وحشي هي أيضا قادرة على الحصول على وتذكر المعلومات المكانية9 و, مثل البشر, هياليومية 10. لذلك ، ليس من المستغرب أن يتم استخدام سمك الحمار الوحشي كنموذج للأمراض العصبية مع زيادة وتيرة. ومع ذلك، فإن غياب المقايسات السلوكية المناسبة جعل من الصعب تطبيق نموذج سمك الحمار الوحشي للتقييمات المعرفية. العمل المنشور باستخدام المقايسات السلوكية الخاصة لحمار الوحشي تشمل مهام التعلم النقابي11، سلوك القلق12، الذاكرة13، التعرف على الكائن14، وتفضيل المكان المكيف15،16،17،18،19. على الرغم من أن هناك العديد من التطورات فيما يتعلق المقايسات السلوكية حمار وحشي, النظراء لبعض الاختبارات من الوظائف المعرفية في القوارض لم يتم تطويرها لاستخدامها مع حمار وحشي18.
بناء على الدراسات السابقة من مختبرنا ، قمنا بنمذجة / تطوير مهمة معرفية في سمك الحمار الوحشي استنادا إلى مهمة الاختيار من ثلاث غرف المستخدمة مع القوارض باستخدام التفاعل الاجتماعي كمكافأة. بالإضافة إلى ذلك ، توسعنا في جانب التعلم النقابي للمهمة السلوكية ودمجنا انعكاس التمييز على النقيض على أمل مواصلة تطوير هذه المهمة السلوكية لتقييم الضعف الإدراكي. وقد مكننا ذلك من دراسة كل من اكتساب التعلم من التمييز في البداية وما تلاه من تثبيط لذلك التعلم في مرحلة الانعكاس. في الدراسة الحالية، ونحن نثبت أن هذا الإجراء قدم طريقة موثوقة لتقييم الأداء المعرفي في حمار وحشي بعد الغمر الجلوكوز لمدة 4 أو 8 أسابيع.
Protocol
Representative Results
Discussion
على الرغم من أن هناك نموا هائلا في كمية ومتنوعة من البحوث في علم الأعصاب التي أجريت باستخدام حمار وحشي في السنوات ال 15 الماضية24، لا توجد المقايسات السلوكية في هذا النوع مقارنة مع أنظمة نموذج الثدييات11،25،26. هنا، نظهر أن مهمة ا…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر سابرينا جونز على مساعدتها في تكييف نموذج اختيار القوارض من ثلاث غرف مع نموذج حمار وحشي وجيريمي بوبويتز وأليسون مورك لمساعدتهما في أيام جمع السلوك ، والمساعدة في تشغيل التجارب ، ورعاية الحيوانات ، وإعداد الدبابات. شكر خاص أيضا لجيمس م. فوربس (مهندس ميكانيكي) لمساعدته في تصميم خزان 3 غرف الاختيار والبناء.
التمويل: تلقت VPC و TLD منحة دعم أبحاث كلية مشتركة (FRSG) من كلية الآداب والعلوم في الجامعة الأمريكية. تلقى CJR الدعم من الجامعة الأمريكية كلية الآداب والعلوم دعم طلاب الدراسات العليا.
Materials
| Champion Sports Stopwatch Timer Set: Waterproof, Handheld Digital Clock Sport Stopwatches with Large Display for Kids or Coach – Bright Colored 6 Pack | Amazon | N/A | https://www.amazon.com/Champion-Sports-910SET-Stopwatch-Timer/dp/B001CD9LJK/ref=sr_1_17?dchild=1&keywords=stopwatch+for+sports&qid=1597081570&sr=8-17 Recommend two of different colors; one for choice latency and one for time to completion |
| Coofficer Extra Large Binder Clips 2-Inch (24 Pack), Big Paper Clamps for Office Supplies, Black | Amazon | N/A | https://www.amazon.com/Coofficer-Binder-2-Inch-Clamps-Supplies/dp/B07C94YCR5/ref=sr_1_3_sspa?dchild=1&keywords=large+binder+clips&qid=1597081521&sr=8-3-spons&psc=1&spLa=ZW5jcnlwdGVkUXVhbGlmaWVyPUExUENWUTRZVjlIWEVPJmVuY3J5cHRlZElkPUEwNDQ5NDU0MlpSREkwTFlLSThVQiZlbmNyeXB0ZWRBZElkPUEwMTg5NDI3MllRV1EzOUdWTVpSOCZ3aWRnZXROYW1lPXNwX2F0ZiZhY3Rpb249Y2xpY2tSZWRpcmVjdCZkb05vdExvZ0NsaWNrPXRydWU= |
| Marineland® Silicone Aquarium Sealant | Petsmart | Item #2431002 | |
| PVC (Polyvinyl Chloride) Sheet, Opaque Gray, Standard Tolerance, UL 94/ASTM D1784, 0.125" Thickness, 12" Width, 24" Length | Amazon | N/A | https://www.amazon.com/Polyvinyl-Chloride-Standard-Tolerance-Thickness/dp/B000MAMGEQ/ref=sr_1_2?dchild=1&keywords=grey+PVC+sheet&qid=1597081440&sr=8-2 |
| Steelworks 1/4-in W x 8-ft L Mill Finished Aluminum Weldable Trim U-shaped Channel | Lowes | Item #55979Model #11377 | https://www.lowes.com/pd/Steelworks-1-4-in-W-x-8-ft-L-Mill-Finished-Aluminum-Weldable-Trim-Channel/3058181 |
| Tetra 10 Gallon Fish tank | Petsmart | Item #5271256 | |
| Top Fin Fine Mesh Fish Net (3 in) | Petsmart | Item #5175115 |
Riferimenti
- Gitler, A. D., Dhillon, P., Shorter, J. Neurodegenerative disease: models, mechanisms, and a new hope. Disease Models & Mechanisms. 10, 499-502 (2017).
- Perry, R. J., Watson, P., Hodges, J. R. The nature and staging of attention dysfunction in early (minimal and mild) Alzheimer’s disease: relationship to episodic and semantic memory impairment. Neuropsychologia. 38, 252-271 (2000).
- Gerlai, R. Learning and memory in zebrafish (Danio rerio). Methods in Cell Biology. 134, (2016).
- Davidson, T. L., et al. The effects of a high-energy diet on hippocampal-dependent discrimination performance and blood-brain barrier integrity differ for diet-induced obese and diet-resistant rats. Physiology and Behavior. 107, 26-33 (2012).
- Yang, M., Silverman, J. L., Crawley, J. N. Automated three-chambered social approach task for mice. Current Protocols in Neuroscience. 56 (1), (2011).
- Remmelink, E., Smit, A. B., Verhage, M., Loos, M. Measuring discrimination- and reversal learning in mouse models within 4 days and without prior food deprivation. Learning and Memory. 23, 660-667 (2016).
- Salas, C., et al. Neuropsychology of learning and memory in teleost fish. Zebrafish. 3, 157-171 (2006).
- Kalueff, A. V., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10, 70-86 (2013).
- Luchiaria, A. C., Salajanb, D. C., Gerlai, R. Acute and chronic alcohol administration: Effects on performance of zebrafish in a latent learning task. Behavior Brain Research. 282, 76-83 (2015).
- Fadool, J., Dowling, J. Zebrafish: A model system for the study of eye genetics. Progress in Retinal and Eye Research. 27, 89-110 (2008).
- Fernandes, Y. M., Rampersad, M., Luchiari, A. C., Gerlai, R. Associative learning in the multichamber tank: A new learning paradigm for zebrafish. Behavioural Brain Research. 312, 279-284 (2016).
- Reider, M., Connaughton, V. P. Developmental exposure to methimazole increases anxiety behavior in zebrafish. Behavioral Neuroscience. , (2015).
- Capiotti, K. M., et al. Hyperglycemia induces memory impairment linked to increased acetylcholinesterase activity in zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 274, 319-325 (2014).
- May, Z., et al. Object recognition memory in zebrafish. Behavioural Brain Research. 296, 199-210 (2016).
- Mathur, P., Lau, B., Guo, S. Conditioned place preference behavior in zebrafish. Nature Protocols. 6, 338-345 (2011).
- Guo, S. Linking genes to brain, behavior and neurological diseases: What can we learn from zebrafish. Genes, Brain and Behavior. 3, 63-74 (2004).
- Kily, L. J. M., et al. Gene expression changes in a zebrafish model of drug dependency suggest conservation of neuro-adaptation pathways. Journal of Experimental Biology. 211, 1623-1634 (2008).
- Webb, K. J., et al. Zebrafish reward mutants reveal novel transcripts mediating the behavioral effects of amphetamine. Genome Biology. 10, (2009).
- Clayman, C. L., Malloy, E. J., Kearns, D. N., Connaughton, V. P. Differential behavioral effects of ethanol pre-exposure in male and female zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 335, 174-184 (2017).
- Ruhl, T., et al. Acute administration of THC impairs spatial but not associative memory function in zebrafish. Psychopharmacology. 231, 3829-3842 (2014).
- Gellermann, L. W. Chance orders of alternating stimuli in visual discrimination experiments. The Pedagogical Seminary and Journal of Genetic Psychology. 42, 206-208 (1933).
- Gleeson, M., Connaughton, V., Arneson, L. S. Induction of hyperglycaemia in zebrafish (Danio rerio) leads to morphological changes in the retina. Acta Diabetologica. 44, 157-163 (2007).
- Connaughton, V. P., Baker, C., Fonde, L., Gerardi, E., Slack, C. Alternate immersion in an external glucose solution differentially affects blood sugar values in older versus younger zebrafish adults. Zebrafish. 13, 87-94 (2016).
- Goldsmith, J. R., Jobin, C. Think small: Zebrafish as a model system of human pathology. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2012, 817341 (2012).
- Kalueff, A. V., Stewart, A. M., Gerlai, R., Court, P. Zebrafish as an emerging model for studying complex brain disorders. Trends in Pharmacological Sciences. 35, 63-75 (2014).
- Gerlai, R. Associative learning in zebrafish (Danio rerio). Methods in cell biology. 101, 249-270 (2011).
