Die Dreikammer-Wahl-Verhaltensaufgabe mit Zebrafisch als Modellsystem
Summary
Wir präsentieren eine Verhaltenskammer zur Beurteilung der kognitiven Leistung. Wir liefern Daten, die zeigen, dass sich Zebrafische nach dem Erwerb 8 Wochen später an die Aufgabe erinnern. Wir zeigen auch, dass hyperglykämische Zebrafische die kognitive Leistung verändert haben, was darauf hindeutet, dass dieses Paradigma auf Studien zur Beurteilung von Kognition und Gedächtnis anwendbar ist.
Abstract
Neurodegenerative Erkrankungen sind altersabhängig, schwächend und unheilbar. Jüngste Berichte haben auch Hyperglykämie mit Veränderungen des Gedächtnisses und / oder kognitiven Beeinträchtigungen korreliert. Wir haben eine kognitive Dreikammer-Wahlaufgabe modifiziert und entwickelt, die der bei Nagetieren für den Einsatz bei hyperglykämischen Zebrafischen ähnelt. Die Prüfkammer besteht aus einer zentral angeordneten Startkammer und zwei Wahlfächern auf beiden Seiten, wobei eine Untiefe von Artgenossen als Belohnung verwendet wird. Wir liefern Daten, die zeigen, dass sich Zebrafische nach dem Erwerb mindestens 8 Wochen später an die Aufgabe erinnern. Unsere Daten deuten darauf hin, dass Zebrafische robust auf diese Belohnung reagieren, und wir haben kognitive Defizite bei hyperglykämischen Fischen nach 4-wöchiger Behandlung identifiziert. Dieser Verhaltenstest kann auch auf andere Studien im Zusammenhang mit Kognition und Gedächtnis anwendbar sein.
Introduction
Neurodegenerative Erkrankungen sind altersabhängig, schwächend und unheilbar. Diese Krankheiten nehmen an Prävalenz zu, was zu einem dringenden Bedarf an Verbesserungen und der Entwicklung neuer therapeutischer Strategien führt. Der Beginn und die Darstellung jeder Krankheit ist einzigartig, da einige sprachliche, motorische und autonome Gehirnregionen betreffen, während andere Lerndefizite und Gedächtnisverlust verursachen1. Vor allem kognitive Defizite und/oder Beeinträchtigungen sind die häufigsten Komplikationen bei allen neurodegenerativen Erkrankungen2. In der Hoffnung, Licht auf die zugrunde liegenden Mechanismen dieser neurodegenerativen Erkrankungen zu werfen, wurden viele verschiedene Modellsysteme (von einzelligen Organismen über Drosophila bis hin zu Wirbeltieren höherer Ordnung wie Nagetieren und Menschen) verwendet; die Mehrzahl der neurodegenerativen Erkrankungen bleibt jedoch unheilbar.
Lernen und Gedächtnis sind hochkonservierte Prozesse zwischen Organismen, da ständige Veränderungen der Umwelt eine Anpassung erfordern3. Eine Beeinträchtigung sowohl der Kognition als auch der synaptischen Plastizität wurde in mehreren Nagetiermodellen nachgewiesen. Insbesondere etablierte Verhaltenstests verwenden assoziatives Lernen, um kognitive Veränderungen nach verschiedenen Beeinträchtigungs-induzierten Krankheiten und Störungen zu beurteilen4. Darüber hinaus bewertet die Kontrastdiskriminierungsumkehr kognitive Defizite, da sie Lern- und Gedächtnisfunktionen höherer Ordnung beinhaltet und die Umkehrung von der Hemmung einer zuvor erlernten Assoziation abhängt. Die weit verbreitete Dreikammer-Wahlaufgabe klärt mögliche Defizite in Lern- und Gedächtnisbahnen des zentralen Nervensystems auf5,6. In jüngster Zeit hat sich dieses Feld um Nicht-Säugetiermodelle wie Zebrafische (Danio rerio) erweitert, da mehrere Paradigmen für eine Reihe von Altersgruppen von Larven bis zu Erwachsenen7,8entwickelt wurden .
Zebrafische bieten ein Gleichgewicht zwischen Komplexität und Einfachheit, das für die Beurteilung kognitiver Beeinträchtigungen mit Verhaltenstechniken von Vorteil ist. Erstens sind Zebrafische aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer fruchtbaren fortpflanzungsfähigen Natur für ein Verhaltensscreening mit hohem Durchsatz anfällig. Zweitens besitzen Zebrafische eine Struktur, das laterale Pallium, das analog zum Hippocampus von Säugetieren ist, da es ähnliche neuronale Marker und Zelltypenhat 7. Zebrafische sind auch in der Lage, räumliche Informationen zu erfassen und sich daran zu erinnern9 und sind wie Menschen tagaktiv10. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Zebrafische immer häufiger als Modell für neurodegenerative Erkrankungen genutzt werden. Das Fehlen geeigneter Verhaltenstests hat es jedoch schwierig gemacht, das Zebrafischmodell für kognitive Bewertungen anzuwenden. Veröffentlichte Arbeiten mit Zebrafisch-spezifischen Verhaltenstests umfassen assoziative Lernaufgaben11, Angstverhalten12, Gedächtnis13, Objekterkennung14und Konditionierte-Ort-Präferenz15,16,17,18,19. Obwohl es viele Entwicklungen in Bezug auf Zebrafisch-Verhaltenstests gegeben hat, müssen Gegenstücke für einige Tests kognitiver Funktionen bei Nagetieren noch für die Verwendung mit Zebrafischen entwickelt werden18.
Aufbauend auf früheren Studien aus unserem Labor haben wir eine kognitive Aufgabe bei Zebrafischen modelliert / entwickelt, basierend auf der Drei-Kammer-Wahlaufgabe, die mit Nagetieren verwendet wird, wobei soziale Interaktion als Belohnung verwendet wird. Darüber hinaus haben wir den assoziativen Lernaspekt der Verhaltensaufgabe erweitert und die Umkehrung der Kontrastdiskriminierung integriert, in der Hoffnung, diese Verhaltensaufgabe zur Beurteilung kognitiver Beeinträchtigungen weiterzuentwickeln. Dies ermöglichte es uns, sowohl den anfänglichen Erwerb von Diskriminierungslernen als auch die anschließende Hemmung dieses Lernens in der Umkehrphase zu untersuchen. In der aktuellen Studie zeigen wir, dass dieses Verfahren eine zuverlässige Methode zur Beurteilung der kognitiven Funktionen bei Zebrafischen nach 4 oder 8 Wochen Glukoseimmersion bietet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Obwohl die Menge und Vielfalt der neurowissenschaftlichen Forschung, die in den letzten 15 Jahren mit Zebrafischen durchgeführt wurde, enorm gewachsen ist24,fehlen Verhaltenstests bei dieser Art im Vergleich zu Säugetiermodellsystemen11,25,26. Hier zeigen wir, dass eine dreikammerige Auswahlaufgabe, die für den Einsatz mit Nagetieren entwickelt wurde, angepasst werden kann, um den Erwerb und die Umkehr…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Sabrina Jones für ihre Unterstützung bei der Anpassung eines Dreikammer-Paradigmas für Nagetiere an das Zebrafischmodell und Jeremy Popowitz und Allison Murk für ihre Hilfe bei Verhaltenserfassungstagen, Hilfe bei der Durchführung von Versuchen, Tierpflege und Tankeinrichtung. Besonderer Dank gilt auch James M. Forbes (Maschinenbauingenieur) für seine Unterstützung bei der Konstruktion und Konstruktion des 3-Kammer-Wahltanks.
Finanzierung: VPC und TLD erhielten einen gemeinsamen Faculty Research Support Grant (FRSG) vom American University College of Arts and Sciences. CJR erhielt Unterstützung vom American University College of Arts and Sciences Graduate Student Support.
Materials
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Referências
- 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).
