Shuttle Box Assay als assoziatives Lernwerkzeug zur kognitiven Beurteilung in Lern- und Gedächtnisstudien mit erwachsenen Zebrafischen
Summary
Lernen und Gedächtnis sind starke Metriken bei der Untersuchung von entwicklungsbedingten, krankheitsabhängigen oder umweltbedingten kognitiven Beeinträchtigungen. Die meisten kognitiven Bewertungen erfordern spezielle Ausrüstung und umfangreiche Zeitverpflichtungen. Der Shuttle-Box-Assay ist jedoch ein assoziatives Lernwerkzeug, das eine herkömmliche Gelbox zur schnellen und zuverlässigen Beurteilung der Kognition von erwachsenen Zebrafischen verwendet.
Abstract
Kognitive Defizite, einschließlich Lern- und Gedächtnisstörungen, sind ein Hauptsymptom für verschiedene entwicklungs- und altersbedingte neurodegenerative Erkrankungen und traumatische Hirnverletzungen (TBI). Zebrafische sind aufgrund ihrer Transparenz bei der Entwicklung und robusten Regenerationsfähigkeiten nach Neurotrauma ein wichtiges neurowissenschaftliches Modell. Während es bei Zebrafischen verschiedene kognitive Tests gibt, untersuchen die meisten kognitiven Bewertungen, die schnell durchgeführt werden, nicht-assoziatives Lernen. Gleichzeitig benötigen assoziative Lernassays oft mehrere Tage oder Wochen. Hier beschreiben wir einen schnellen assoziativen Lerntest, der einen negativen Reiz (elektrischer Schlag) nutzt und nur minimale Vorbereitungszeit erfordert. Der hier vorgestellte Shuttle-Box-Assay ist einfach, ideal für Unerfahrene und erfordert nur minimale Ausrüstung. Wir zeigen, dass dieser Shuttle-Box-Test nach TBI das kognitive Defizit und die Erholung von jungen zu alten Zebrafischen reproduzierbar bewertet. Darüber hinaus ist der Assay anpassbar, um entweder das sofortige oder das verzögerte Gedächtnis zu untersuchen. Wir zeigen, dass sowohl ein einzelnes TBI als auch wiederholte TBI-Ereignisse das Lernen und das unmittelbare Gedächtnis negativ beeinflussen, aber nicht das verzögerte Gedächtnis. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass der Shuttle-Box-Assay das Fortschreiten und die Erholung kognitiver Beeinträchtigungen reproduzierbar verfolgt.
Introduction
Lernen und Gedächtnis werden routinemäßig als Metriken für kognitive Beeinträchtigungen verwendet, die aufgrund von Alterung, neurodegenerativen Erkrankungen oder Verletzungen auftreten. Traumatische Hirnverletzungen (TBIs) sind die häufigsten Verletzungen, die zu kognitiven Defiziten führen. TBIs sind aufgrund ihrer Assoziation mit mehreren neurodegenerativen Erkrankungen wie frontotemporaler Demenz und Parkinson-Krankheit1,2vonwachsender Besorgnis. Darüber hinaus deuten die erhöhten Beta-Amyloid-Aggregationen, die bei einigen TBI-Patienten beobachtet wurden, darauf hin, dass es auch mit der Entwicklung der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden kann3,4. TBIs sind oft das Ergebnis eines stumpfen Gewalttraumas und umfassen eine Reihe von Schweregraden5, wobei leichte Hirnverletzungen (miTBI) am häufigsten sind. MiTBIs werden jedoch oft nicht gemeldet und falsch diagnostiziert, da sie nur für kurze Zeit zu geringfügigen kognitiven Beeinträchtigungen führen und die verletzten Personen sich in der Regel vollständig erholen6. Im Gegensatz dazu sind wiederholte miTBI-Ereignisse ein wachsendes Problem, da sie bei jungen und mittleren Erwachsenen weit verbreitet sind, sich im Laufe der Zeit ansammeln können7,die kognitive Entwicklung beeinträchtigen und neurodegenerative Erkrankungen verschlimmernkönnen 1,2,3,4,5, ähnlich wie Personen, die entweder einen moderaten oder schweren TBI8haben .
Zebrafisch (Danio rerio) ist ein nützliches Modell für die Erforschung einer Vielzahl von Themen in den Neurowissenschaften, einschließlich der Fähigkeit, verlorene oder beschädigte Neuronen im gesamten zentralen Nervensystem zu regenerieren9,10,11,12,13. Neuronale Regeneration wurde auch im Telencephalon nachgewiesen, das das Archipallium im dorsal-inneren Bereich enthält. Diese neuroanatomische Region ist analog zum Hippocampus und wird wahrscheinlich für die Kognition bei Fischen und für das Kurzzeitgedächtnis beim Menschen benötigt14,15,16. Darüber hinaus wurde das Verhalten von Zebrafischen umfassend charakterisiert und katalogisiert17. Das Lernen wurde durch verschiedene Techniken untersucht, einschließlich der Gewöhnung an die Schreckreaktion18, die eine schnelle Form des nicht-assoziativen Lernens darstellen kann, wenn sie in kurzen Blöcken und unter Berücksichtigung der schnellen Zerfallszeit durchgeführt wird19. Komplexere Tests des assoziativen Lernens, wie T-Boxen, Plus-Labyrinthe und visuelle Unterscheidung20,21 werden verwendet, sind aber oft zeitaufwendig, erfordern Tage oder Wochen der Vorbereitung und sind auf Untiefe oder positive Verstärkung angewiesen. Hier beschreiben wir ein schnelles Paradigma, um sowohl assoziatives Lernen als auch sofortiges oder verzögertes Gedächtnis zu bewerten. Dieser Shuttle-Box-Assay verwendet einen aversiven Reiz und eine negative Verstärkungskonditionierung, um kognitive Defizite und die Genesung nach stumpfem TBI zu beurteilen. Wir zeigen, dass unbeschädigte erwachsene Zebrafische (8-24 Monate) innerhalb von 20 Versuchen (<20 min Bewertung) in der Shuttle-Box reproduzierbar lernen, das rote Licht zu vermeiden, mit einem hohen Maß an Konsistenz über Beobachter hinweg. Darüber hinaus zeigen wir mit der Shuttle-Box, dass die Lern- und Gedächtnisfähigkeiten bei Erwachsenen (8-24 Monate alt) konsistent sind und nützlich sind, um Kognition mit signifikanten Beeinträchtigungen zwischen verschiedenen TBI-Schweregraden oder wiederholten TBI zu testen. Darüber hinaus könnte diese Methode schnell als Metrik eingesetzt werden, um eine breite Palette von Krankheitsverläufen oder die Wirksamkeit von Arzneimittelinterventionen zu verfolgen, die sich auf die Aufrechterhaltung oder Wiederherstellung der Kognition bei erwachsenen Zebrafischen auswirken.
Hier geben wir einen lehrmäßigen Überblick über eine schnelle kognitive Bewertung, die sowohl komplexes assoziatives Lernen (Abschnitt 1) als auch das Gedächtnis sowohl im Hinblick auf das unmittelbare als auch auf das verzögerte Gedächtnis untersuchen kann. Dieses Paradigma bietet eine Bewertung des Kurz- und Langzeitgedächtnisses einer erlernten assoziativen kognitiven Aufgabe (Abschnitt 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Kognitive Beeinträchtigungen können sich signifikant und negativ auf die Lebensqualität auswirken. Aufgrund der erhöhten Sichtbarkeit und des Auftretens von Gehirnerschütterungen und traumatischen Hirnverletzungen in der gesamten Bevölkerung ist es wichtig zu verstehen, wie sie kognitive Beeinträchtigungen verursachen und wie der Schaden minimiert oder rückgängig gemacht werden kann. Aus diesen Gründen spielen Modellorganismen, die auf kognitiven Verfall getestet werden können, in diesen Studien eine entscheid…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken den Hyde-Labormitgliedern für ihre durchdachten Diskussionen und den Technikern des Freimann Life Sciences Center für die Pflege und Haltung von Zebrafischen. Diese Arbeit wurde unterstützt vom Center for Zebrafish Research an der University of Notre Dame, dem Center for Stem Cells and Regenerative Medicine an der University of Notre Dame und Zuschüssen des National Eye Institute of NIH R01-EY018417 (DRH), dem National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (JTH), LTC Neil Hyland Fellowship of Notre Dame (JTH), Sentinels of Freedom Fellowship (JTH) und das Pat Tillman Stipendium (JTH). Abbildung 1 mit BioRender.com.
Materials
| Flashlight | Ultrafire | 9145 | |
| Instant Ocean | Instant Ocean | SS15-10 | |
| Large DNA Gel Box | Fisher Scientific | FB-SB-1316 | Shuttle Box |
| Power Supply | Fisher Scientific | FB-105 |
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