Beteendeuppgiften med tre kammares val med zebrafisk som modellsystem
Summary
Vi presenterar en beteendekammare utformad för att bedöma kognitiv prestanda. Vi tillhandahåller data som visar att när zebrafisken har förvärvats kommer vi ihåg uppgiften 8 veckor senare. Vi visar också att hyperglykemisk zebrafisk har förändrat kognitiv prestanda, vilket indikerar att detta paradigm är tillämpligt på studier som bedömer kognition och minne.
Abstract
Neurodegenerativa sjukdomar är åldersberoende, försvagande och obotliga. Nya rapporter har också korrelerat hyperglykemi med förändringar i minne och/eller kognitiv svikt. Vi har modifierat och utvecklat en kognitiv uppgift med tre kammare som liknar den som används med gnagare för användning med hyperglykemisk zebrafisk. Testkammaren består av en centralt placerad startkammare och två valutrymmen på vardera sidan, med ett stim av conspecifics som belöning. Vi tillhandahåller data som visar att när zebrafisken har förvärvats kommer vi ihåg uppgiften minst 8 veckor senare. Våra data indikerar att zebrafisk svarar kraftfullt på denna belöning, och vi har identifierat kognitiva underskott i hyperglykemisk fisk efter 4 veckors behandling. Denna beteendemässiga analys kan också vara tillämplig på andra studier relaterade till kognition och minne.
Introduction
Neurodegenerativa sjukdomar är åldersberoende, försvagande och obotliga. Dessa sjukdomar ökar i prevalens, vilket resulterar i ett brådskande behov av att förbättra och utveckla nya terapeutiska strategier. Uppkomsten och presentationen av varje sjukdom är unik, eftersom vissa påverkar språk-, motor- och autonoma hjärnregioner, medan andra orsakar inlärningsunderskott och minnesförlust1. Framför allt är kognitiva underskott och/eller svikt de vanligaste komplikationerna i alla neurodegenerativa sjukdomar2. I hopp om att belysa de underliggande mekanismerna i dessa neurodegenerativa sjukdomar har användningen av många olika modellsystem (inklusive encelliga organismer till Drosophila till högre beställdjur som gnagare och människor) använts. majoriteten av neurodegenerativa sjukdomar är dock fortfarande obotliga.
Lärande och minne är mycket bevarade processer bland organismer eftersom ständiga förändringar i miljön kräver anpassning3. Försämring av både kognition och synaptisk plasticitet har visats i flera gnagare modeller. Specifikt använder väletablerade beteendeanalyser associativt lärande för att bedöma kognitiva förändringar efter olika sviktinducerade sjukdomar och störningar4. Dessutom bedömer kontrastdiskriminering omvänd kognitiva underskott eftersom det innebär högre ordning lärande och minnesfunktioner, och återföring beror på hämning av en tidigare lärd associering. Den allmänt använda trekammarvalet uppgift belyser möjliga underskott i lärande och minnesvägar i centrala nervsystemet5,6. Nyligen har detta område utvidgats till att omfatta icke-däggdjursmodeller, såsom zebrafisk (Danio rerio), eftersom flera paradigm har utvecklats för en rad åldrar från larver till vuxna7,8.
Zebrafisk ger en balans mellan komplexitet och enkelhet som är fördelaktig för bedömning av kognitiva funktionsnedsättningar med beteendetekniker. För det första är zebrafisk mottagliga för beteendescreening med hög genomströmning med tanke på deras lilla storlek och produktiva reproduktiva natur. För det andra har zebrafisk en struktur, det laterala pallietet, som är analogt med däggdjurs hippocampus eftersom det har liknande neuronala markörer och celltyper7. Zebrafisk kan också förvärva och komma ihåg rumslig information9 och, liksom människor, är dagliga10. Därför är det inte förvånande att zebrafisk används som modell för neurodegenerativa sjukdomar med ökande frekvens. Frånvaron av lämpliga beteendemässiga analyser har dock gjort det svårt att tillämpa zebrafiskmodellen för kognitiva bedömningar. Publicerat arbete med zebrafiskspecifika beteendeanalyser inkluderar associativainlärningsuppgifter 11, ångestbeteende12, minne13,objektigenkänning 14, och konditionerad plats-preferens15,16,17,18,19. Även om det har skett många utvecklingar när det gäller zebrafisk beteendemässiga analyser, har motsvarigheter för vissa tester av kognitiva funktioner hos gnagare ännu inte utvecklats för användning med zebrafisk18.
Baserat på tidigare studier från vårt labb modellerade/utvecklade vi en kognitiv uppgift inom zebrafisk baserat på den trekammaruppgift som används med gnagare med social interaktion som belöning. Dessutom utvidgade vi den associativa inlärningsaspekten av beteendeuppgiften och införlivade kontrastdiskrimineringsåterföring i hopp om att vidareutveckla denna beteendeuppgift för att bedöma kognitiv försämring. Detta gjorde det möjligt för oss att undersöka både det första förvärvet av diskrimineringsinlärning och den efterföljande hämningen av detta lärande i reverseringsfasen. I den aktuella studien visar vi att denna procedur gav en tillförlitlig metod för att bedöma kognitiv funktion hos zebrafisk efter glukossänkning i 4 eller 8 veckor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Även om det har skett en enorm tillväxt i mängden och variationen av neurovetenskaplig forskning som utförts med zebrafisk under de senaste 15åren 24,saknas beteendemässiga analyser i denna art jämfört med däggdjursmodellsystem11,25,26. Här visar vi att en trekammarvalsuppgift utvecklad för användning med gnagare kan anpassas för att bedöma förvärv och omsvängning av ett visuellt diskrimi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Sabrina Jones för hennes hjälp med att anpassa ett gnagarparadigm med tre kammare till zebrafiskmodellen och Jeremy Popowitz och Allison Murk för deras hjälp med beteendeinsamlingsdagar, hjälp med att köra försök, djurvård och tankuppsättning. Särskilt tack också till James M. Forbes (Mekanisk ingenjör) för hans hjälp med 3-kammarval tank design och konstruktion.
Finansiering: VPC och TLD fick ett gemensamt fakultetsforskningsstöd (FRSG) från American University College of Arts and Sciences. CJR fick stöd från 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).
