Shuttle Box Assay som et assosiativt læringsverktøy for kognitiv vurdering i lærings- og minnestudier ved hjelp av voksen sebrafisk

Summary

Læring og hukommelse er potente beregninger ved studier av enten utviklingsmessige, sykdomsavhengige eller miljøinduserte kognitive svekkelser. De fleste kognitive vurderinger krever spesialisert utstyr og omfattende tidsforpliktelser. Shuttle box-analysen er imidlertid et assosiativt læringsverktøy som bruker en konvensjonell gelboks for rask og pålitelig vurdering av voksen sebrafiskkognisjon.

Abstract

Kognitive underskudd, inkludert nedsatt læring og hukommelse, er et primært symptom på ulike utviklings- og aldersrelaterte nevrodegenerative sykdommer og traumatisk hjerneskade (TBI). Sebrafisk er en viktig nevrovitenskapsmodell på grunn av deres åpenhet under utvikling og robuste regenerative evner etter neurotrauma. Mens ulike kognitive tester eksisterer i sebrafisk, undersøker de fleste kognitive vurderinger som er raske ikke-assosiativ læring. Samtidig krever assosiative læringsanalyser ofte flere dager eller uker. Her beskriver vi en rask assosiativ læringstest som benytter en negativ stimulans (elektrisk støt) og krever minimal forberedelsestid. Shuttle box-analysen, presentert her, er enkel, ideell for nybegynnere etterforskere, og krever minimalt utstyr. Vi viser at denne shuttle box-testen, etter TBI, reproduserer kognitivt underskudd og utvinning fra ung til gammel sebrafisk. I tillegg kan analysen tilpasses for å undersøke enten umiddelbar eller forsinket minne. Vi viser at både en enkelt TBI og gjentatte TBI-hendelser påvirker læring og umiddelbar hukommelse negativt, men ikke forsinket minne. Vi konkluderer derfor med at shuttle box-analysen reproduserer progresjonen og utvinningen av kognitiv svikt.

Introduction

Læring og hukommelse brukes rutinemessig som beregninger av kognitiv svikt, noe som skjer på grunn av aldring, nevrodegenerativ sykdom eller skade. Traumatiske hjerneskader (TBIer) er den vanligste skaden som resulterer i kognitive underskudd. TBIer er av økende bekymring på grunn av deres tilknytning til flere nevrodegenerative lidelser, som frontotemporal demens og Parkinsons sykdom^1,2. I tillegg tyder de økte beta-amyloid aggregasjonene som observeres hos noen TBI-pasienter, at det også kan være forbundet med utviklingen av Alzheimers sykdom^3,4. TBIer er ofte et resultat av stump kraft traumer og spenner over en rekke^{alvorlighetsgrader 5}, med milde hjerneskader (miTBI) som den vanligste. Imidlertid blir miTBIer ofte urapportert og feildiagnostisert fordi de resulterer i mindre kognitive svekkelser i bare en kort periode, og de skadede individer gjenoppretter vanligvis fullt⁶. I motsetning til dette har gjentatte miTBI-hendelser vært en økende bekymring fordi det er svært utbredt hos unge og middelaldrende voksne, kan akkumuleres over tid⁷, kan svekke kognitiv utvikling og forverre nevrodegenerative sykdommer^1,2,3,4,5, som ligner på personer som opplever enten en moderat eller alvorlig TBI⁸.

Sebrafish (Danio rerio) er en nyttig modell for å utforske en rekke emner innen nevrovitenskap, inkludert evnen til å regenerere tapte eller skadede nevroner i sentralnervesystemet^{9,10,11,12,13}. Nevral regenerering ble også demonstrert i telencephalon, som inneholder arkipallium i dorsal-indre regionen. Denne nevroanatomiske regionen er analog med hippocampus og er sannsynligvis nødvendig for kognisjon i fisk og for korttidsminnet hos mennesker^14,15,16. Videre har sebrafiskadferd blitt omfattende karakterisert og katalogisert¹⁷. Læring har blitt studert gjennom ulike teknikker, inkludert habituation til startle response¹⁸, som kan representere en rask form for ikke-assosiativ læring når den utføres i korte blokker og med oppmerksomhet på den raske forfallstiden¹⁹. Mer komplekse tester av assosiativ læring, for eksempel T-bokser, pluss-labyrinter og visuell diskriminering²⁰,^{21 brukes,}men er ofte tidkrevende, krever dager eller uker med forberedelse, og er avhengige av shoaling eller positiv forsterkning. Her beskriver vi et raskt paradigme for å vurdere både assosiativ læring og enten umiddelbar eller forsinket hukommelse. Denne shuttle box-analysen bruker en aversiv stimulans og negativ forsterkningskondisjonering for å vurdere kognitive underskudd og utvinning etter stump kraft TBI. Vi viser at uskadet kontroll voksen sebrafisk (8-24 måneder) reprodusere lære å unngå rødt lys innen 20 studier (<20 min vurdering) i shuttle boksen, med en høy grad av konsistens på tvers av observatører. I tillegg viser vi at læring og hukommelsesevner på tvers av voksne (8-24 måneder) er konsistente og er nyttige for å analyse av kognisjon med betydelige funksjonshemninger mellom enten forskjellige TBI-alvorlighetsgrader eller gjentatt TBI. Videre kan denne metoden raskt brukes som en beregning for å spore et bredt spekter av sykdomsprogresjoner eller effekt av legemiddelintervensjoner som påvirker vedlikehold eller gjenoppretting av kognisjon hos voksne sebrafisk.

Her gir vi en instruksjonsoversikt over en rask kognitiv vurdering som kan undersøke både kompleks assosiativ læring (avsnitt 1) og hukommelse når det gjelder både umiddelbar og forsinket hukommelse. Dette paradigmet gir en vurdering av kort og langsiktig hukommelse av en lært assosiativ kognitiv oppgave (avsnitt 2).

Protocol

Sebrafisk ble oppdratt og vedlikeholdt i Notre Dame Zebrafish-anlegget i Freimann Life Sciences Center. Metodene beskrevet i dette manuskriptet ble godkjent av University of Notre Dame Animal Care and Use Committee (Animal Welfare Assurance Number A3093-01). 1. Shuttle box læringsparadigme (Figur 1A) MERK: Læringsparadigmet gir en rask vurdering av kognisjon angående assosiativ læring. Forbered shuttle-boksen ved å endre …

Representative Results

Læringsparadigmet, skissert i protokollen og skjematisk (figur 1), gir en rask vurdering av kognisjon med hensyn til assosiativ læring. I tillegg har dette paradigmet et høyt nivå av strenghet, ved å definere læring som en gjentatt og konsekvent visning av 5 påfølgende positive studier. Dette paradigmet gjelder også for en rekke aldre og skader. Uskadet fisk ved 8 måneder (ung voksen), 18 måneder (middelaldrende voksen) og 24 måneder (eldre voksen) krevde et lignende antall fors?…

Discussion

Kognitiv svikt kan betydelig og negativt påvirke livskvaliteten. På grunn av økt synlighet og forekomst av hjernerystelser og traumatiske hjerneskader i hele befolkningen, er det viktig å forstå hvordan de forårsaker kognitiv svikt og hvordan skaden kan minimeres eller reverseres. Av disse grunnene spiller modellorganismer som kan testes for kognitiv nedgang en kritisk rolle i disse studiene. Gnagere har lenge vært den primære modellen for å undersøke nevrobehavior og kognisjon, men sebrafisk har dukket opp som…

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