Shuttle Box Assay как ассоциативный инструмент обучения для когнитивной оценки в обучении и исследованиях памяти с использованием взрослых рыбок данио

Summary

Обучение и память являются мощными показателями в изучении когнитивных нарушений, вызванных развитием, болезнью или окружающей средой. Большинство когнитивных тестов требуют специализированного оборудования и длительных временных обязательств. Тем не менее, анализ челнока является ассоциативным инструментом обучения, который использует обычную геловую коробку для быстрой и надежной оценки познания взрослых рыбок данио.

Abstract

Когнитивный дефицит, включая нарушение обучения и памяти, является основным симптомом различных нейродегенеративных заболеваний развития и возрастных заболеваний и черепно-мозговой травмы (ЧМТ). Рыбки данио являются важной моделью нейробиологии из-за их прозрачности во время развития и надежных регенеративных способностей после нейротравм. В то время как различные когнитивные тесты существуют у рыбок данио, большинство когнитивных тестов, которые являются быстрыми, исследуют неассоциативное обучение. В то же время ассоциативно-обучающие анализы часто требуют нескольких дней или недель. Здесь мы описываем тест быстрого ассоциативного обучения, который использует неблагоприятный стимул (удар током) и требует минимального времени на подготовку. Представленный здесь анализ челночного ящика прост, идеально подходит для начинающих исследователей и требует минимального оборудования. Мы демонстрируем, что после ЧМТ этот тест челнока воспроизводимо оценивает когнитивный дефицит и восстановление от молодых до старых рыбок данио. Кроме того, анализ адаптируется для изучения либо немедленной, либо замедленной памяти. Мы демонстрируем, что как одиночная ЧМТ, так и повторяющиеся события ЧМТ негативно влияют на обучение и немедленную память, но не задерживают память. Таким образом, мы пришли к выводу, что анализ челнока воспроизводимо отслеживает прогрессирование и восстановление когнитивных нарушений.

Introduction

Обучение и память обычно используются в качестве показателей когнитивных нарушений, которые происходят из-за старения, нейродегенеративных заболеваний или травм. Черепно-мозговые травмы (ЧМТ) являются наиболее распространенными травмами, которые приводят к когнитивному дефициту. ЧМТ вызывают растущую озабоченность из-за их связи с несколькими нейродегенеративными расстройствами, такими как лобно-височная деменция и болезнь Паркинсона^1,2. Кроме того, повышенные скопления бета-амилоида, наблюдаемые у некоторых пациентов с ЧМТ, позволяют предположить, что это также может быть связано с развитием болезни Альцгеймера^3,4. ЧМТ часто являются результатом травмы тупой силой и охватывают диапазон тяжестей^5,причем легкие травмы головного мозга (миТМТ) являются наиболее распространенными. Тем не менее, миТБИ часто не сообщаются и неправильно диагностируются, потому что они приводят к незначительным когнитивным нарушениям только в течение короткого периода, и пострадавшие люди обычно полностью выздоравливают^6. Напротив, повторные события миТМТ вызывают растущую озабоченность, потому что она широко распространена у молодых и людей среднего возраста, может накапливаться с течением^{времени 7,}может ухудшать когнитивное развитие и усугублять нейродегенеративные заболевания^1,2,3,4,5,подобно лицам, которые испытывают либо умеренную, либо тяжелую ЧМТ^8.

Рыбка данио (Danio rerio) является полезной моделью для изучения различных тем в нейробиологии, включая способность регенерировать потерянные или поврежденные нейроны по всей центральной нервной системе^{9,10,11,12,13.} Нейронная регенерация также была продемонстрирована в теленцефалоне, который содержит архипаллий в дорсально-внутренней области. Эта нейроанатомическая область аналогична гиппокампу и, вероятно, необходима для познания у рыб и для кратковременной памяти у людей^14,15,16. Кроме того, поведение рыбок данио было широко охарактеризовано и каталогизировано¹⁷. Обучение изучалось с помощью различных методов, включая привыкание к реакции испуги^18,которая может представлять собой быструю форму неассоциативного обучения при выполнении в коротких блоках и с вниманием к быстрому времени распада^19. Используются более сложные тесты ассоциативного обучения, такие как Т-боксы, плюс-лабиринты и зрительная дискриминация^20,21, но часто они отнимают много времени, требуют дней или недель подготовки и полагаются на мелководье или положительное подкрепление. Здесь мы описываем быструю парадигму для оценки как ассоциативного обучения, так и немедленной или замедленной памяти. Этот анализ челночной коробки использует аверсивный стимул и отрицательное подкрепление для оценки когнитивного дефицита и восстановления после тупой ЧМТ. Мы демонстрируем, что неповрежденные контрольные взрослые рыбки данио (8-24 месяца) воспроизводимо учатся избегать красного света в течение 20 испытаний (<20 минут оценки) в челночной коробке с высокой степенью согласованности среди наблюдателей. Кроме того, используя челнок, мы демонстрируем, что способности к обучению и памяти у взрослых (8-24 месяца) последовательны и полезны для анализа познания со значительными нарушениями между различными тяжестями ЧМТ или повторной ЧМТ. Кроме того, этот метод может быть быстро использован в качестве метрики для отслеживания широкого спектра прогрессирования заболевания или эффективности лекарственных вмешательств, влияющих на поддержание или восстановление познания у взрослых рыбок данио.

Здесь мы предоставляем учебный обзор быстрой когнитивной оценки, которая может исследовать как сложное ассоциативное обучение (раздел 1), так и память с точки зрения как немедленной, так и замедленной памяти. Эта парадигма обеспечивает оценку кратковременной и долговременной памяти выученной ассоциативной когнитивной задачи (раздел 2).

Protocol

Рыбки данио выращивались и содержались на объекте Нотр-Дам Даниофиш в Центре наук о жизни Фраймана. Методы, описанные в этой рукописи, были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Университета Нотр-Дам (номер страхования благополучия животных A3093-01). 1. Парадиг…

Representative Results

Парадигма обучения, изложенная в протоколе и схеме(рисунок 1),обеспечивает быструю оценку познания по отношению к ассоциативному обучению. Кроме того, эта парадигма имеет высокий уровень жесткости, определяя обучение как повторяющееся и последовательное проявление 5 п?…

Discussion

Когнитивные нарушения могут существенно и негативно повлиять на качество жизни. Из-за повышенной видимости и возникновения сотрясений и черепно-мозговых травм среди населения важно понимать, как они вызывают когнитивные нарушения и как ущерб может быть сведен к минимуму или обращен в…

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