Поведенческая задача «Выбор трех камер» с использованием рыбок данио в качестве модельной системы
Summary
Мы представляем поведенческую камеру, предназначенную для оценки когнитивных функций. Мы предоставляем данные, показывающие, что однажды приобретенные, рыбки данио запоминают задачу через 8 недель. Мы также показываем, что гипергликемические рыбки данио изменили когнитивные функции, что указывает на то, что эта парадигма применима к исследованиям, оценивающим познание и память.
Abstract
Нейродегенеративные заболевания зависят от возраста, изнурительны и неизлечимы. Недавние отчеты также коррелируют гипергликемию с изменениями в памяти и / или когнитивными нарушениями. Мы модифицировали и разработали трехкамерную когнитивную задачу выбора, аналогичную той, которая используется с грызунами для использования с гипергликемическими рыбками данио. Испытательная камера состоит из центрально расположенной пусковой камеры и двух отсеков выбора с обеих сторон, с косяком конспецифичностью, используемой в качестве награды. Мы предоставляем данные, показывающие, что однажды приобретенные рыбки данио запоминают задание по крайней мере через 8 недель. Наши данные показывают, что рыбки данио надежно реагируют на это вознаграждение, и мы выявили когнитивный дефицит у гипергликемических рыб после 4 недель лечения. Этот поведенческий анализ может быть также применим к другим исследованиям, связанным с познанием и памятью.
Introduction
Нейродегенеративные заболевания зависят от возраста, изнурительны и неизлечимы. Распространенность этих заболеваний растет, что приводит к настоятельной необходимости в совершенствовании и разработке новых терапевтических стратегий. Начало и представление каждого заболевания уникально, так как некоторые влияют на языковые, двигательные и вегетативные области мозга, в то время как другие вызывают дефицит обучения и потерю памяти1. В частности, когнитивный дефицит и / или нарушения являются наиболее распространенными осложнениями при всех нейродегенеративных заболеваниях2. В надежде пролить свет на основные механизмы, связанные с этими нейродегенеративными заболеваниями, было использовано множество различных модельных систем (включая одноклеточные организмы от дрозофилы до позвоночных более высокого порядка, таких как грызуны и люди); однако большинство нейродегенеративных заболеваний остаются неизлечимыми.
Обучение и память являются высокосохраняемными процессами среди организмов, поскольку постоянные изменения окружающей среды требуют адаптации3. Нарушение как познания, так и синаптической пластичности было продемонстрировано в нескольких моделях грызунов. В частности, хорошо заведомо заведомые поведенческие анализы используют ассоциативное обучение для оценки когнитивных изменений после различных заболеваний и расстройств, вызванныхнарушениями4. Кроме того, изменение контрастной дискриминации оценивает когнитивный дефицит, поскольку оно включает в себя функции обучения и памяти более высокого порядка, а изменение зависит от ингибирования ранее изученной ассоциации. Широко используемое трехкамерное задание на выбор разъясняет возможные дефициты путей обучения и памяти центральной нервной системы5,6. В последнее время эта область расширилась, включив в себя модели, не являющиеся млекопитающими, такие как рыбкиданио (Danio rerio),поскольку было разработано несколько парадигм для диапазона возрастов от личинок до взрослыхособей 7,8лет.
Рыбки данио обеспечивают баланс сложности и простоты, что выгодно для оценки когнитивных нарушений с помощью поведенческих методов. Во-первых, рыбки данио поддаются высокопроизводительной поведенческой проверке, учитывая их небольшой размер и плодовитую репродуктивную природу. Во-вторых, рыбки данио обладают структурой, боковым паллием, который аналогичен гиппокампу млекопитающих, поскольку он имеет аналогичные нейронные маркеры и типы клеток7. Рыбки данио также способны приобретать и запоминать пространственную информацию9 и, как и люди, являются суточными10. Поэтому неудивительно, что рыбки данио все чаще используются в качестве модели нейродегенеративных заболеваний. Однако отсутствие соответствующих поведенческих анализов затруднило применение модели рыбок данио для когнитивных оценок. Опубликованная работа с использованием поведенческих анализов, специфичных для рыбок данио, включает ассоциативные учебные задания11,тревожное поведение 12, память13, распознавание объектов14и обусловленное предпочтение места15,16,17,18,19. Хотя было много разработок в отношении поведенческих анализов рыбок данио, аналоги для некоторых тестов когнитивных функций у грызунов еще не разработаны для использования с рыбками данио18.
Основываясь на предыдущих исследованиях из нашей лаборатории, мы смоделировали / разработали когнитивную задачу у рыбок данио, основанную на трехкамерной задаче выбора, используемой с грызунами, использующими социальное взаимодействие в качестве вознаграждения. Кроме того, мы расширили аспект ассоциативного обучения поведенческой задачи и включили изменение контрастной дискриминации в надежде на дальнейшее развитие этой поведенческой задачи для оценки когнитивных нарушений. Это позволило нам изучить как первоначальное приобретение дискриминационного обучения, так и последующее торможение этого обучения на обратном этапе. В текущем исследовании мы демонстрируем, что эта процедура обеспечила надежный метод оценки когнитивного функционирования у рыбок данио после погружения в глюкозу в течение 4 или 8 недель.
Protocol
Representative Results
Discussion
Хотя за последние 15 лет24года наблюдался огромный рост количества и разнообразия нейробиологических исследований, выполненных с использованием рыбок данио, поведенческие анализы отсутствуют у этого вида по сравнению с модельными системами млекопитающих11,<sup…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Сабрину Джонс за ее помощь в адаптации парадигмы трехкамерного выбора грызунов к модели рыбок данио, а также Джереми Поповица и Эллисон Мёрк за их помощь в дни сбора поведения, помощь в проведении испытаний, уход за животными и настройку аквариума. Отдельное спасибо также Джеймсу М. Форбсу (инженеру-механику) за помощь в проектировании и строительстве 3-камерного резервуара.
Финансирование: VPC и TLD получили совместный грант поддержки исследований факультета (FRSG) от Американского университетского колледжа искусств и наук. CJR получил поддержку от Американского университетского колледжа искусств и наук.
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 |
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).
