De driekamerkeuzegedragstaak met Zebrafish als modelsysteem
Summary
We presenteren een gedragskamer die is ontworpen om cognitieve prestaties te beoordelen. We verstrekken gegevens waaruit blijkt dat zebravissen, eenmaal verworven, de taak 8 weken later onthouden. We tonen ook aan dat hyperglycemische zebravissen de cognitieve prestaties hebben veranderd, wat aangeeft dat dit paradigma van toepassing is op studies die cognitie en geheugen beoordelen.
Abstract
Neurodegeneratieve ziekten zijn leeftijdsafhankelijk, slopend en ongeneeslijk. Recente rapporten hebben ook hyperglykemie gecorreleerd met veranderingen in geheugen en/ of cognitieve stoornissen. We hebben een cognitieve taak met drie kamers aangepast en ontwikkeld die vergelijkbaar is met die met knaagdieren voor gebruik met hyperglycemische zebravissen. De testkamer bestaat uit een centraal gelegen startkamer en twee keuzecompartimenten aan weerszijden, met een school van specifieke kenmerken als beloning. We verstrekken gegevens waaruit blijkt dat zebravissen, eenmaal verworven, de taak minstens 8 weken later onthouden. Onze gegevens geven aan dat zebravissen robuust reageren op deze beloning en we hebben cognitieve tekorten in hyperglycemische vissen geïdentificeerd na 4 weken behandeling. Deze gedragstest kan ook van toepassing zijn op andere studies met betrekking tot cognitie en geheugen.
Introduction
Neurodegeneratieve ziekten zijn leeftijdsafhankelijk, slopend en ongeneeslijk. Deze ziekten nemen toe in prevalentie, wat resulteert in een dringende noodzaak om nieuwe therapeutische strategieën te verbeteren en te ontwikkelen. Het begin en de presentatie van elke ziekte is uniek, omdat sommige taal-, motorische en autonome hersengebieden beïnvloeden, terwijl andere leerachterstanden en geheugenverlies veroorzaken1. Met name cognitieve tekortkomingen en/of stoornissen zijn de meest voorkomende complicaties bij alle neurodegeneratieve ziekten2. In de hoop licht te werpen op de onderliggende mechanismen die betrokken zijn bij deze neurodegeneratieve ziekten, is het gebruik van veel verschillende modelsystemen (waaronder eencellige organismen tot Drosophila tot gewervelde dieren van hogere orde zoals knaagdieren en mensen) gebruikt; de meeste neurodegeneratieve ziekten blijven echter ongeneeslijk.
Leren en geheugen zijn zeer geconserveerde processen onder organismen, omdat constante veranderingen in de omgeving aanpassing vereisen3. Stoornissen in zowel cognitie als synaptische plasticiteit zijn aangetoond in verschillende knaagdiermodellen. In het bijzonder gebruiken gevestigde gedragstesten associatief leren om cognitieve veranderingen te beoordelen na verschillende door stoornissen veroorzaakte ziekten enaandoeningen 4. Bovendien beoordeelt contrastdiscriminatieomkering cognitieve tekorten omdat het gaat om leer- en geheugenfuncties van hogere orde, en omkering hangt af van remming van een eerder aangeleerde associatie. De veel gebruikte driekamerkeuzetaak verduidelijkt mogelijke tekorten in leer – en geheugenpaden van het centrale zenuwstelsel5,6. Onlangs is dit veld uitgebreid met niet-zoogdiermodellen, zoals zebravissen(Danio rerio),omdat verschillende paradigma’s zijn ontwikkeld voor een reeks leeftijden, van larven tot volwassenen7,8.
Zebravissen bieden een balans van complexiteit en eenvoud die voordelig is voor de beoordeling van cognitieve stoornissen met gedragstechnieken. Ten eerste zijn zebravissen vatbaar voor gedragsscreening met hoge doorvoer, gezien hun kleine omvang en productieve reproductieve aard. Ten tweede bezitten zebravissen een structuur, het laterale pallium, dat analoog is aan de hippocampus van zoogdieren, omdat het vergelijkbare neuronale markers en celtypen7heeft. Zebravissen zijn ook in staat om ruimtelijke informatie te verkrijgen en te onthouden9 en zijn, net als mensen, dagelijk10. Daarom is het niet verwonderlijk dat zebravissen steeds vaker als model voor neurodegeneratieve ziekten worden gebruikt. Het ontbreken van geschikte gedragstesten heeft het echter moeilijk gemaakt om het zebravismodel toe te passen voor cognitieve beoordelingen. Gepubliceerd werk met zebravisspecifieke gedragstesten omvat associatieve leertaken11, angstgedrag12, geheugen13, objectherkenning14en geconditioneerde plaatsvoorkeur15,16,17,18,19. Hoewel er veel ontwikkelingen zijn geweest met betrekking tot gedragstests van zebravissen, moeten tegenhangers voor sommige tests van cognitieve functies bij knaagdieren nog worden ontwikkeld voor gebruik met zebravissen18.
Voortbouwend op eerdere studies uit ons lab, hebben we een cognitieve taak gemodelleerd / ontwikkeld bij zebravissen op basis van de driekamerkeuzetaak die wordt gebruikt met knaagdieren die sociale interactie als beloning gebruiken. Daarnaast hebben we het associatieve leeraspect van de gedragstaak uitgebreid en contrastdiscriminatieomkering opgenomen in de hoop deze gedragstaak verder te ontwikkelen om cognitieve stoornissen te beoordelen. Dit stelde ons in staat om zowel de initiële verwerving van discriminatieonderwijs als de daaropvolgende remming van dat leren in de omkeringsfase te onderzoeken. In de huidige studie tonen we aan dat deze procedure een betrouwbare methode bood voor het beoordelen van cognitief functioneren bij zebravissen na glucose-onderdompeling gedurende 4 of 8 weken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hoewel er in de afgelopen 15 jaar24een enorme groei is geweest in de hoeveelheid en verscheidenheid aan neurowetenschappelijk onderzoek dat is uitgevoerd met zebravissen , ontbreken gedragstesten bij deze soort in vergelijking met zoogdiermodelsystemen11,25,26. Hier laten we zien dat een driekamerkeuzetaak die is ontwikkeld voor gebruik met knaagdieren kan worden aangepast om de verwerving en omkering van…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken Sabrina Jones voor haar hulp bij het aanpassen van een knaagdier driekamerkeuzeparadigma aan het zebravismodel en Jeremy Popowitz en Allison Murk voor hun hulp bij gedragsinzamelingsdagen, hulp bij het uitvoeren van proeven, dierenverzorging en tankopstelling. Speciale dank ook aan James M. Forbes (Mechanical Engineer) voor zijn hulp bij het ontwerp en de constructie van de 3-kamer keuzetank.
Financiering: VPC en TLD ontvingen een gezamenlijke Faculty Research Support grant (FRSG) van American University College of Arts and Sciences. CJR kreeg ondersteuning van American University College of Arts and Sciences Graduate Student Support.
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).
