성인 얼룩말 물고기를 사용하여 학습 및 메모리 연구에서 인지 평가를위한 연관 학습 도구로 셔틀 박스 분석
Summary
학습과 기억은 발달, 질병 의존, 또는 환경 유발 인지 장애를 연구하는 데 강력한 지표입니다. 대부분의 인지 평가에는 특수 장비와 광범위한 시간 약속이 필요합니다. 그러나 셔틀박스 분석체는 기존의 젤박스를 활용하여 성인 제브라피시 인식의 신속하고 신뢰할 수 있는 평가를 제공하는 연관 학습 도구입니다.
Abstract
인지 적자, 장애인 된 학습 및 메모리를 포함 하 여, 다양 한 발달 및 나이 관련 된 신경 퇴행 성 질환및 외상성 뇌 손상의 주요 증상 (TBI). Zebrafish는 개발 중 투명성과 신경 외상에 따른 강력한 재생 기능으로 인해 중요한 신경 과학 모델입니다. 제브라피시에는 다양한 인지 검사가 존재하지만, 급속히 비 연관 학습을 검사하는 인지 평가의 대부분은. 동시에, 연관 학습 소법은 종종 며칠 또는 몇 주가 필요합니다. 여기서는 불리한 자극(감전)을 활용하고 최소한의 준비 시간이 필요한 신속한 연관 학습 테스트를 설명합니다. 여기에 제시 된 셔틀 박스 분석법은 간단하고 초보자 수사관에게 이상적이며 최소한의 장비가 필요합니다. TBI에 이어 이 셔틀 박스 테스트는 인지 적자와 젊은 자발물고기로의 회복을 재현적으로 평가합니다. 또한 분석법은 즉시 또는 지연된 메모리를 검사할 수 있습니다. 단일 TBI와 반복된 TBI 이벤트가 학습 및 즉각적인 메모리에 부정적인 영향을 미치지만 메모리가 지연되지 는 않음을 입증합니다. 따라서 셔틀박스 분석이 인지 장애의 진행과 회복을 재현적으로 추적한다는 결론을 내릴 수 있습니다.
Introduction
학습과 기억은 노화, 신경 퇴행성 질환 또는 부상으로 인해 발생하는 인지 장애의 지표로 일상적으로 사용됩니다. 외상성 뇌 손상 (TBIs) 인지 적자 결과 가장 일반적인 부상. 결핵은 전두엽 치매 및 파킨슨 병1,2와 같은 여러 신경 퇴행성 질환과의 연관성 때문에 우려가 커지고있습니다. 또한, 일부 TBI 환자에서 관찰된 베타 아밀로이드 집계증가는 알츠하이머병3,4의발병과도 연관될 수 있음을 시사한다. 결핵은 종종 무딘 힘 외상의 결과이며, 경미한 뇌 손상 (miTBI)이 가장 일반적인 것으로, 단절의 범위에 걸쳐5. 그러나, miTBIs는 수시로 보고되지 않고 단지 짧은 기간 동안 경미한 인식 손상 귀착되기 때문에잘못 진단되고, 부상당한 개별은 일반적으로 완전히 6복구합니다. 대조적으로, 반복되는 miTBI 사건은 젊은 과 중년 성인에서 매우 널리 퍼진 때문에, 시간7에걸쳐 축적될 수 있고, 인지 발달을 손상시킬 수 있고, 신경 퇴행성 질환1,2,3,4,5,중등도 또는 중증 TBI8을경험하는 개인과 유사하게 증가하는 관심사가 되고 있다.
Zebrafish(Danio rerio)는중추 신경계9,10,11,12,13에걸쳐 분실 되거나 손상된 뉴런을 재생하는 기능을 포함하여 신경 과학에서 다양한 주제를 탐구하는 데 유용한 모델입니다. 신경 재생은 또한 등내 부위에 있는 아르치팔륨을 포함하는 텔렌스팔론에서 입증되었다. 이 신경 해부학 영역은 해마와 유사하며 물고기의 인식과인간14,15,16의짧은 메모리에 필요할 가능성이 있습니다. 또한, 제브라피쉬 의 행동은 광범위하게 특징지어지고카탈로그화되어 있다 17. 학습은 짧은 블록에서 수행 될 때 비 연관 학습의 빠른 형태를 나타낼 수있는 깜짝 반응(18)에대한 습관화를 포함하여 다양한 기술을 통해 연구되었으며, 급속한 부패 시간19에주의를기울입니다. T 박스, 플러스 미로 및 시각적 차별(20)및20과 같은 연관 학습의 더 복잡한 테스트가 사용되지만 종종 시간이 많이 걸리며 며칠 또는 몇 주 동안 준비가 필요하며 shoaling 또는 긍정적 인 보강에 의존합니다. 여기서는 연관 학습과 즉각적이거나 지연된 메모리를 모두 평가하는 빠른 패러다임을 설명합니다. 이 셔틀 박스 분석은 역경 자극과 부정적인 보강 컨디셔닝을 사용하여 무딘 힘 TBI에 따라 인지 적자와 회복을 평가합니다. 우리는 손상되지 않은 제어 성인 제브라피쉬 (8-24 개월)가 관찰자에 걸쳐 높은 수준의 일관성으로 셔틀 박스에서 20 번의 시험 (평가 <20 분)내에서 적색불을 피하는 법을 다시 배우는 것을 보여줍니다. 또한 셔틀 박스를 사용하면 성인(8-24개월)의 학습 능력과 기억 능력이 일관되며 TBI 가사 나 반복된 TBI 간에 상당한 장애가 있는 인지를 말하는 데 유용합니다. 더욱이, 이 방법은 성인 제브라피시의 인지 유지 또는 회복에 영향을 미치는 약물 내정간섭의 광범위한 질병 진행 또는 효능을 추적하는 지표로 급속하게 사용될 수 있었다.
여기서는 즉각적인 기억과 지연된 메모리 측면에서 복잡한 연관 학습(섹션 1)과 메모리를 모두 검사할 수 있는 신속한 인지 평가에 대한 교육 개요를 제공합니다. 이 패러다임은 학습 된 연관 인지 작업의 단기 및 장기 기억의 평가를 제공합니다 (섹션 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
인지 장애는 삶의 질에 크게 영향을 미칠 수 있습니다. 인구 전반에 걸쳐 뇌진탕과 외상성 뇌 손상의 가시성과 발생이 증가하기 때문에 인지 장애를 일으키는 방법과 손상을 최소화하거나 되돌릴 수있는 방법을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 이유로, 인지 감소에 대 한 테스트 할 수 있는 모델 유기 체 이러한 연구에서 중요 한 역할을. 설치류는 오랫동안 신경 행동 및 인식을 조사하?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 하이드 랩 회원들에게 사려 깊은 토론과 제브라피시 치료 및 축산에 대한 프레이만 생명 과학 센터 기술자에게 감사를 표하고 싶습니다. 이 작품은 노틀담 대학의 제브라피시 연구 센터, 노틀담 대학의 줄기 세포 및 재생 의학 센터, NIH R01-EY018417 (DRH), 국립 과학 재단 대학원 연구 펠로우십 프로그램 (JTH), 노트르 담 (JTH)의 LTC 닐 하이랜드 펠로우십의 국립 안과 연구소에서 보조금을 지원받았습니다. 자유 펠로우십(JTH)과 팻 틸만 장학금(JTH)의 센티넬. 그림 1은 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 |
References
- Deutsch, M., Mendez, M., Teng, E. Interactions between traumatic brain injury and frontotemporal degeneration. Dementia and Geriatric Cognitive Disorders. 39, 143-153 (2015).
- Gardner, R., et al. Traumatic brain injury in later life increases risk for Parkinson disease. Annals in Neurology. 77, 987 (2015).
- Fleminger, S., Oliver, D., Lovestone, S., Rabe-Hesketh, S., Giora, A. Head injury as a risk factor for Alzheimer’s disease: the evidence 10 years on; a partial replication. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 74, 857-886 (2003).
- Johnson, V., Stewart, W., Smith, D. Traumatic brain injury and amyloid-β pathology: a link to Alzheimer’s disease. Nature Reviews Neurosciences. 11, 361-370 (2010).
- Korley, F. K., Kelen, G. D., Jones, C. M., Diaz-Arrastia, R. Emergency department evaluation of traumatic brain injury in the United States, 2009-2010. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 31, 379-387 (2016).
- Corrigan, J. D., Selassie, A. W., Orman, J. A. L. The epidemiology of traumatic brain injury. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 25, 72-80 (2010).
- Levin, H., Arrastia, R. Diagnosis, prognosis, and clinical management of mild traumatic brain injury. The Lancet Neurology. 14, 506-517 (2015).
- GBD 2016 Traumatic Brain Injury and Spinal Cord Injury Collaborators. Global, regional, and national burden of traumatic brain injury and spinal cord injury, 1990-2016: A systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016. The Lancet, Neurology. 18 (1), 56-87 (2019).
- Campbell, L. J., et al. Notch3 and DeltaB maintain Müller glia quiescence and act as negative regulators of regeneration in the light-damaged zebrafish retina. Glia. 69 (3), 546-566 (2021).
- Green, L. A., Nebiolo, J. C., Smith, C. J. Microglia exit the CNS in spinal root avulsion. PLoS Biology. 17 (2), 3000159 (2019).
- Hentig, J., Byrd-Jacobs, C. Exposure to zinc sulfate results in differential effects on olfactory sensory neuron subtypes in the adult zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 17 (9), 1445 (2016).
- Ito, Y., Tanaka, H., Okamoto, H., Oshima, T. Characterization of neural stem cells and their progeny in the adult zebrafish optic tectum. Developmental Biology. 342, 26-38 (2010).
- Lahne, M., Nagashima, M., Hyde, D. R., Hitchcock, P. F. Reprogramming Muller glia to regenerate retinal neurons. Annual Reviews of Vision Sciences. 6, 171-193 (2020).
- Kroehne, V., Freudenreich, D., Hans, S., Kaslin, J., Brand, M. Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors. Development. 138 (22), 4831-4841 (2011).
- Kishimoto, N., Shimizu, K., Sawamoto, K. Neuronal regeneration in a zebrafish model of adult brain injury. Disease Models & Mechanisms. 5 (2), 200-209 (2012).
- Bhattarai, P., et al. Neuron-glia interaction through Serotonin-BDNF-NGFR axis enables regenerative neurogenesis in Alzheimer’s model of adult zebrafish brain. PLoS Biology. 18 (1), 3000585 (2020).
- Kalueff, A., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- Chanin, S., et al. Assessing startle responses and their habituation in adult zebrafish. Zebrafish Protocols for Neurobehavioral Research. 66, (2012).
- López-Schier, H. Neuroplasticity in the acoustic startle reflex in larval zebrafish. Current Opinion in Neurobiology. 54, 134-139 (2019).
- Maheras, A. L., et al. Genetic pathways of neuroregeneration in a novel mild traumatic brain injury model in adult zebrafish. eNeuro. 5 (1), (2018).
- Gaspary, K. V., Reolon, G. K., Gusso, D., Bonan, C. D. Novel object recognition and object location tasks in zebrafish: Influence of habituation and NMDA receptor antagonism. Neurobiology of Learning and Memory. 155, 249-260 (2018).
- Hentig, J., Cloghessy, K., Dunseath, C., Hyde, D. R. A scalable model to study the effects of blunt-force injury in adult zebrafish. Journal of Visualized Experiments. , (2021).
- Wu, Y. J., et al. Fragile X mental retardation-1 knockout zebrafish shows precocious development in social behavior. Zebrafish. 14 (5), 438-443 (2017).
- Rea, V., Van Raay, T. J. Using zebrafish to model autism spectrum disorder: A Comparison of ASD risk genes between zebrafish and their mammalian counterparts. Frontiers in Molecular Neuroscience. 13, 575575 (2020).
- Zhdanova, I. V., et al. Aging of the circadian system in zebrafish and the effects of melatonin on sleep and cognitive performance. Brain Research Bulletin. 75 (2-4), 433-441 (2008).
- Yu, L., Tucci, V., Kishi, S., Zhdanova, I. V. Cognitive aging in zebrafish. PloS One. 1 (1), 14 (2006).
- Bahl, A., Engert, F. Neural circuits for evidence accumulation and decision making in larval zebrafish. Nature Neuroscience. 23 (1), 94-102 (2020).
- Ngoc Hieu, B. T., et al. Development of a modified three-day t-maze protocol for evaluating learning and memory capacity of adult zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 21 (4), 1464 (2020).
- Williams, F. E., White, D., Messer, W. S. A simple spatial alternation task for assessing memory function in zebrafish. Behavioural Processes. 58 (3), 125-132 (2002).
- Zohar, O., et al. Closed-head minimal traumatic brain injury produces long-term cognitive deficits in mice. Neuroscience. 118 (4), 949-955 (2003).
- Becker, C., Becker, T. Adult zebrafish as a model for successful central nervous system regeneration. Restorative Neurology and Neuroscience. 26 (2-3), 71-80 (2008).
- Grandel, H., Kaslin, J., Ganz, J., Wenzel, I., Brand, M. Neural stem cells and neurogenesis in the adult zebrafish brain: origin, proliferation dynamics, migration, and cell fate. Developmental Biology. 295 (1), 263-277 (2006).
