Trekammervalgsadferdsoppgaven ved hjelp av sebrafisk som modellsystem
Summary
Vi presenterer et atferdskammer designet for å vurdere kognitiv ytelse. Vi gir data som viser at når de er anskaffet, husker sebrafisk oppgaven 8 uker senere. Vi viser også at hyperglykemisk sebrafisk har endret kognitiv ytelse, noe som indikerer at dette paradigmet gjelder for studier som vurderer kognisjon og hukommelse.
Abstract
Nevrodegenerative sykdommer er aldersavhengige, svekkende og uhelbredelige. Nyere rapporter har også korrelert hyperglykemi med endringer i hukommelse og/eller kognitiv svikt. Vi har modifisert og utviklet en tre-kammer valg kognitiv oppgave som ligner den som brukes med gnagere for bruk med hyperglykemisk sebrafisk. Testkammeret består av et sentralt plassert startkammer og to valgrom på hver side, med en stimer av konsifikter som brukes som belønning. Vi gir data som viser at når de er anskaffet, husker sebrafisk oppgaven minst 8 uker senere. Våre data tyder på at sebrafisk reagerer robust på denne belønningen, og vi har identifisert kognitive underskudd i hyperglykemisk fisk etter 4 ukers behandling. Denne atferdsanalysen kan også gjelde for andre studier relatert til kognisjon og hukommelse.
Introduction
Nevrodegenerative sykdommer er aldersavhengige, svekkende og uhelbredelige. Disse sykdommene øker i utbredelse, noe som resulterer i et presserende behov for å forbedre og utvikle nye terapeutiske strategier. Utbruddet og presentasjonen av hver sykdom er unik, da noen påvirker språk, motoriske og autonome hjerneregioner, mens andre forårsaker læringsunderskudd og hukommelsestap1. Spesielt er kognitive underskudd og / eller svekkelse de mest utbredte komplikasjonene på tvers av alle nevrodegenerative sykdommer2. I håp om å kaste lys over de underliggende mekanismene som er involvert i disse nevrodegenerative sykdommene, har bruken av mange forskjellige modellsystemer (inkludert encellede organismer til Drosophila til høyere ordens vertebrater som gnagere og mennesker) blitt brukt; Imidlertid forblir flertallet av nevrodegenerative sykdommer uhelbredelige.
Læring og hukommelse er svært bevarte prosesser blant organismer, da konstante endringer i miljøet krever tilpasning3. Svekkelse i både kognisjon og synaptisk plastisitet er vist i flere gnagermodeller. Spesielt bruker veletablerte atferdsanalyser assosiativ læring for å vurdere kognitive endringer etter ulike svekkelsesinduserte sykdommer og lidelser4. I tillegg vurderer kontrastdiskriminerings reversering kognitive underskudd fordi det innebærer høyere ordens lærings- og minnefunksjoner, og reversering avhenger av hemming av en tidligere lært forening. Den mye brukte trekammervalgsoppgaven belyser mulige underskudd i læring og minneveier i sentralnervesystemet5,6. Nylig har dette feltet utvidet seg til å omfatte ikke-pattedyrmodeller, for eksempel sebrafisk (Danio rerio), da flere paradigmer er utviklet i en rekke aldre fra larver til voksne7,8.
Sebrafisk gir en balanse mellom kompleksitet og enkelhet som er fordelaktig for vurdering av kognitive svekkelser med atferdsteknikker. For det første er sebrafisk egnet til atferdsscreening med høy gjennomstrømning gitt deres lille størrelse og produktive reproduktive natur. For det andre har sebrafisk en struktur, lateral pallium, som er analog med pattedyret hippocampus som det har lignende nevronmarkører og celletyper7. Sebrafisk er også i stand til å skaffe og huske romlig informasjon9 og, som mennesker, er daglige10. Derfor er det ikke overraskende at sebrafisk brukes som modell for nevrodegenerative sykdommer med økende frekvens. Fraværet av passende atferdsanalyser har imidlertid gjort det vanskelig å bruke sebrafiskmodellen til kognitive vurderinger. Publisert arbeid ved hjelp av sebrafiskspesifikke atferdsanalyser inkluderer assosiative læringsoppgaver11, angstatferd12, minne13, objektgjenkjenning14og betinget stedspreferanse15,16,17,18,19. Selv om det har vært mange utviklinger med hensyn til sebrafisk atferdsanalyser, har kolleger for noen tester av kognitive funksjoner hos gnagere ennå ikke blitt utviklet for bruk med sebrafisk18.
Basert på tidligere studier fra laboratoriet vårt modellerte/utviklet vi en kognitiv oppgave i sebrafisk basert på trekammervalgsoppgaven som brukes med gnagere som bruker sosial interaksjon som belønning. I tillegg utvidet vi det assosiative læringsaspektet ved atferdsoppgaven og innlemmet kontrastdiskriminerings reversering i håp om å videreutvikle denne atferdsoppgaven for å vurdere kognitiv svikt. Dette gjorde det mulig for oss å undersøke både det første oppkjøpet av diskrimineringslæring og den påfølgende hemmingen av denne læringen i reverseringsfasen. I den nåværende studien viser vi at denne prosedyren ga en pålitelig metode for å vurdere kognitiv funksjon i sebrafisk etter glukose nedsenking i 4 eller 8 uker.
Protocol
Representative Results
Discussion
Selv om det har vært enorm vekst i mengden og mangfoldet av nevrovitenskapsforskning utført ved hjelp av sebrafisk de siste 15 årene24, mangler atferdsanalyser i denne arten sammenlignet med pattedyrmodellsystemer11,25,26. Her viser vi at en trekammers valgoppgave utviklet for bruk med gnagere kan tilpasses for å vurdere oppkjøp og reversering av en visuell diskrimineringslæring i sebrafisk. Ved å …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Sabrina Jones for hennes hjelp til å tilpasse en gnager tre-kammer valg paradigme til sebrafisk modellen og Jeremy Popowitz og Allison Murk for deres hjelp på atferd samling dager, hjelp med å kjøre forsøk, dyrepleie, og tank oppsett. Spesiell takk også til James M. Forbes (Maskiningeniør) for hans hjelp med 3-kammer valg tank design og konstruksjon.
Finansiering: VPC og TLD mottok et felles fakultetsstipend (FRSG) fra American University College of Arts and Sciences. CJR fikk støtte fra 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 |
References
- 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).
