我们介绍了一种用于评估认知功能的行为实验装置。我们提供的数据显示,斑马鱼在完成任务后8周仍能记住该任务。我们还发现,高血糖斑马鱼的认知表现发生改变,表明该实验范式适用于认知与记忆相关研究。
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我们介绍了一种用于评估认知功能的行为实验装置。我们提供的数据显示,斑马鱼在完成任务后8周仍能记住该任务。我们还发现,高血糖斑马鱼的认知表现发生改变,表明该实验范式适用于认知与记忆相关研究。
神经退行性疾病具有年龄依赖性,致残且无法治愈。近期研究还发现高血糖与记忆改变和(或)认知功能障碍相关。我们改进并开发了一种三室选择性认知任务,类似于在啮齿类动物中使用的方法,适用于高血糖斑马鱼。测试装置由一个位于中央的起始室和两侧两个选择区组成,以同种鱼群作为奖励刺激。我们提供的数据显示,斑马鱼一旦学会该任务,至少在8周后仍能记住。我们的结果表明,斑马鱼对该奖励刺激表现出显著反应,并且在持续4周的高血糖处理后,我们观察到斑马鱼出现认知功能缺陷。该行为学检测方法也可适用于其他与认知和记忆相关的研究。
神经退行性疾病具有年龄依赖性,致残且无法治愈。这些疾病的发病率日益上升,迫切需要改进并开发新的治疗策略。每种疾病的发病机制和临床表现各不相同:某些疾病影响语言、运动和自主神经功能相关的脑区,而另一些则导致学习障碍和记忆丧失1。尤为显著的是,认知功能障碍和(或)认知损害是所有神经退行性疾病中最常见的并发症2。为了揭示这些神经退行性疾病的潜在机制,研究人员已采用多种不同的模型系统(包括单细胞生物、果蝇(Drosophila)以及啮齿类动物和人类等高等脊椎动物)进行研究;然而,大多数神经退行性疾病至今仍无法治愈。
学习与记忆是生物体中高度保守的过程,因为环境的持续变化需要生物体不断适应3。在多种啮齿类动物模型中,已证实认知功能和突触可塑性均存在损伤。具体而言,成熟的动物行为学实验利用关联学习来评估在多种诱发损伤性疾病或障碍后认知功能的变化4。此外,对比辨别反转任务可用于评估认知缺陷,因其涉及更高级的学习与记忆功能,且该反转过程依赖于对先前已建立关联的抑制。广泛应用的三室选择任务可揭示中枢神经系统中学习与记忆通路的潜在缺陷5,6。近年来,该研究领域已扩展至非哺乳动物模型,例如斑马鱼(Danio rerio),因为已开发出适用于从幼体到成体多个年龄段的行为范式7,8。
斑马鱼在复杂性与简洁性之间达到了一种平衡,这使其在利用行为学技术评估认知功能障碍方面具有优势。首先,由于斑马鱼体型小且繁殖能力强,适合进行高通量的行为学筛选。其次,斑马鱼具有一种称为外侧脑室膜(lateral pallium)的结构,该结构类似于哺乳动物的海马体,具有相似的神经元标记物和细胞类型7。斑马鱼还能够获取并记忆空间信息9,并且与人类一样,具有昼行性10。因此,斑马鱼被越来越频繁地用作神经退行性疾病的模型并不令人意外。然而,由于缺乏适当的行为学检测方法,将斑马鱼模型应用于认知评估仍存在困难。已有发表的研究采用了针对斑马鱼的行为学检测方法,包括联合学习任务11、焦虑行为12、记忆13、物体识别14以及条件位置偏好15,16,17,18,19。尽管在斑马鱼行为学检测方面已取得诸多进展,但某些在啮齿类动物中用于认知功能测试的方法尚未在斑马鱼中建立对应版本18。
在本实验室先前研究的基础上,我们借鉴啮齿类动物中使用的三室选择任务,建立了一种以社会互动作为奖励的斑马鱼认知任务。此外,我们进一步拓展了该行为任务中的联想学习部分,引入了对比度辨别反转实验,旨在进一步完善该行为范式,以评估认知功能障碍。该方法使我们能够同时考察辨别学习的初始习得过程,以及反转阶段中对该学习行为的后续抑制能力。在本研究中,我们证明了该实验程序为评估斑马鱼经4周或8周葡萄糖浸泡后的认知功能提供了一种可靠的方法。
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所有实验程序均经美国大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准(方案编号 # 1606,19-02)。
1. 动物
2. 三室选择测试装置
注意:该行为学技术经 Ruhl 等人20 修改而来。
3. 行为学任务
4. 实验处理
5. 逆转
注意:在实验处理后(如第4.2节所述),鱼类将接受三室选择范式最后阶段的测试——反转阶段。在此阶段,奖励侧与习得阶段相反,即此前在白色侧获得鱼群奖励的鱼类,现在将在黑色侧获得鱼群奖励,反之亦然。通过这种方式,反转测试可评估鱼类是否学会了奖励(鱼群)所在的位置,而不论背景颜色如何。
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适应行为实验箱需要为期三天的训练:前两天为群体适应,随后一天为个体适应。然而,由于我们无法区分不同的斑马鱼个体,因此仅能在个体适应阶段收集到数据。在此阶段,使用群体奖励方式进行训练的实验动物(n = 30)到达首次决策的平均时间为 125.11 秒(图 2A),完成整个个体适应任务的平均时间为 725.34 秒(12 分钟)(图 2B)。在适应过程中未观察到显著的侧向偏好(图 2C)。与本实验室此前评估的其他奖励类型(如食物)相比,被排除的鱼类数量极少(图 2C)。
经过适应期后,斑马鱼进入习得阶段。由于每条鱼均单独测试,我们在连续三天的习得阶段中分别记录了每条鱼的数据。根据其表现,将斑马鱼分为“高表现者”或“低表现者”两类,其中“高表现者”反应更快且更准确,尽管所有鱼此前对测试环境的暴露经历相同。只有在8次试验中至少6次选择奖励性目标区域的鱼才...
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尽管在过去15年中,利用斑马鱼开展的神经科学研究在数量和种类上均取得了巨大进展24,但与哺乳动物模型系统相比,针对该物种的行为检测方法仍显不足11,25,26。本文表明,一种最初为啮齿类动物设计的三室选择任务可被改进用于评估斑马鱼视觉辨别学习的习得及其反转能力。通过使用活体鱼群作为奖励,该任务提供了一种稳健的行为检测方法,可广泛应用于研究与行为相关疾病的各种研究中,例如糖尿病的高血糖并发症、阿尔茨海默病和痴呆症。
先前的研究已证实,斑马鱼具备学习和存储信息的能力,这种能力对于在自然环境中做出生态相关决策以及在野外生存至关重要3。我们在为期8周的纵向研究中获得的习得与反转学习数据支持了以往的证据,表明斑马鱼尽管体型较小,仍能够学习并记住简单的辨别任务,并且能够抑制先前已习得的反应。在为期8周的纵向研究中,...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢Sabrina Jones协助将啮齿类动物三室选择范式适配于斑马鱼模型,感谢Jeremy Popowitz和Allison Murk在行为数据采集日提供的帮助,包括试验运行、动物护理和鱼缸装置的搭建。特别感谢James M. Forbes(机械工程师)在三室选择实验鱼缸的设计与建造过程中提供的协助。
资金来源:VPC 和 TLD 获得了美国大学文理学院联合教员研究支持基金(FRSG)。CJR 获得了美国大学文理学院研究生支持基金的支持。
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