以斑马鱼为模型系统的三室选择行为任务
2021年4月14日
我们提出了一个行为室，旨在评估认知性能。我们提供的数据表明，一旦获得，斑马鱼记得任务8周后。我们还表明，高血糖斑马鱼改变了认知能力，表明这种模式适用于评估认知和记忆的研究。
我们表明，为啮齿动物开发的三室选择任务可以适应，以评估斑马鱼视觉歧视学习的获取和逆转。我们的行为室旨在评估认知性能。一旦获得，斑马鱼记得八个星期后的任务，使其适合研究斑马鱼突变体和/或药物暴露后。
康诺顿实验室的正式博士生卡西·罗博士将展示这一程序。要准备一个三室选择测试室，将一个铝U形通道固定在40升50乘30至30立方厘米水族馆的内部玻璃壁上，将水族馆分成三个腔室，中央室为10乘30乘30立方厘米。然后将用灰色PVC板构建的10厘米高的不透明分隔器安装到铝通道的两侧。
对于每个歧视任务，使用挂钩和循环胶带将单个米色、黑色或白色毛毡片放置在选择室的外背部、侧面和底部。作为奖励，将四只成人斑马鱼放在每个选择室后角的一个小透明水箱中，以创建一组特异性。对于三天中的每一天的集体适应，将米色背景连接到两个选择舱的外部，并在每个舱室中浸入一个活浅滩水箱，然后在中央起始室中加入五到六只斑马鱼，打开两个推拉门，让鱼自由漫游30分钟。
实验斑马鱼应该能够通过鱼缸与浅滩鱼互动和社交，作为奖励后，在鼓掌过程中进入任一选择舱。当鱼的整个身体进入房间时，它被认为是进入一个侧室的。对于个体适应，在以同样的方式设置腔室后，将单个斑马鱼放在中心启动室，并关闭滑动门。
两分钟后，同时打开两扇门，确保第一次从中央房间游过两个门，在30分钟内总共游10次。奖励鱼每次进入一个侧室。完成适应后，将白色毛毡片放在一个选择舱的外部，将黑色毡片放在另一个选择舱的外部，并且只在一个选择舱中放置浅滩奖励。
这成为奖励的一面。要开始采集，请将单个实验鱼放在起始室中，并关闭选择隔间。经过两分钟的适应后，同时打开两扇门，并启动秒表来评估选择延迟。
要表示选择响应，当鱼通过进入侧舱之一做出选择时，停止定时器。如果鱼正确选择首选侧，请立即关闭该侧中央室之间的门，将鱼限制在首选侧一分钟，以便通过与浅滩鱼缸互动来奖励第一方。将此试用评分为 C 以正确。
如果鱼游过不正确的门，用网轻轻地将鱼移回中央室，关闭两扇门，并得分审判，因为我不正确。如果鱼在开门后两分钟内没有做出决定，则将鱼移到正确的一侧一分钟，并将试验评分为 M 标记。鱼一旦返回中央室，等待一分钟，然后再执行任务。
每条鱼完成八次采集试验后，将成功选择鱼缸正确侧的鱼分类，至少是高性能的八倍，将不符合此标准的鱼分类为低性能鱼。一旦确定，将高性能和低性能鱼类分开存放。当鱼已经证明能够解决一个简单的歧视任务，附加黑色和白色的感觉在选择室的同一侧，为收购任务，并淹没浅滩水箱在远后角的一侧对面，对应于以前奖励的选择室。
根据所示单独测试鱼。由于奖励方与收购任务相比是反向的，因此反向任务评估鱼是否可以了解奖励的位置，而不论背景的颜色如何。当连续三个治疗日总共完成八次试验时，将实验结果报告为三个逆转日中每个两个试验块的组平均值，将高性能和低性能鱼类的数据分开，以确定两组在逆转过程中是否显示与采集期间相同的性能水平。
经过三天的训练，使用浅滩奖励进行训练的实验动物平均需要125秒才能做出第一个决定，平均需要725秒才能完成整个个体适应任务。在适应过程中没有观察到明显的侧偏好，与其他以前测试的奖励类型相比，被排除在外的鱼的数量很少。在收购阶段，高性能动物的数量每天都在增加，与第一天相比，在收购第三天观察到的高性能鱼类数量更多。
所有鱼的初始选择延迟在三个收购日中都会减少，表明每一天的收购性能都有改善。当只考虑高性能鱼类群时，也会观察到同样的趋势。如本次歧视比率分析所示，所有鱼类在收购结束时都表现出高于机会，表明鱼已经学会了歧视任务。
在获得歧视学习后，鱼表现出强烈的逆转行为，并在三天的学习期间表现出更多的歧视。三室选择模式也可用于疾病并发症的检查。例如，在本分析中，评估了高血糖斑马鱼的适应和习得。
这项任务提供了一个强大的检测，可以应用于各种研究检查行为相关的疾病，如糖尿病，阿尔茨海默氏症和痴呆症的高血糖并发症。
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概述
本研究提出了一个用于评估斑马鱼认知表现的行为室。结果表明，斑马鱼可以记住任务长达八周，而高血糖会影响它们的认知能力。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为心理学
- 比较认知
背景
- 视觉辨别学习对理解认知过程至关重要。
- 斑马鱼在认知研究中越来越多地被用作模式生物。
- 先前的研究表明，斑马鱼可以学习和记住任务。
- 高血糖与各种物种的认知障碍有关。
研究目的
- 适应三室选择任务以用于斑马鱼。
- 评估斑马鱼的长期记忆保留。
- 调查高血糖对认知表现的影响。
使用的方法
- 开发三室选择测试室。
- 评估视觉辨别学习的获取和逆转。
- 在八周内进行纵向记忆保留测试。
- 比较正常和高血糖斑马鱼的认知表现。
主要结果
- 斑马鱼成功学习并记住任务长达八周。
- 高血糖斑马鱼表现出改变的认知表现。
- 行为室有效测量认知能力。
- 该范式适用于进一步研究认知和记忆。
结论
- 三室选择任务是研究斑马鱼认知的可行方法。
- 可以在斑马鱼模型中评估长期记忆保留。
- 高血糖对认知表现有负面影响，需要进一步研究。
常见问题
Executive Industry Relevance
This behavioral assay enables longitudinal assessment of cognitive function in zebrafish, supporting target validation for neurodegenerative and metabolic disease models. The eight-week memory retention capability allows for chronic dosing studies and genetic screening in discovery pipelines. Quantitative choice latency and discrimination ratio outputs provide translatable endpoints for preclinical de-risking of CNS-active compounds.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses linking hyperglycemia to cognitive decline through measurable behavioral endpoints.
- Operational Value: Enables functional target validation by quantifying reversal learning deficits in disease models.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by identifying compounds that rescue discrimination ratio performance in hyperglycemic zebrafish.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for high-throughput screening of CNS-active compounds using shoal-based reward motivation.
- Quantitative Outputs: Generates choice latency and discrimination ratio measurements enabling dose-response analysis and hit confirmation.
- Scalability: Facilitates platform reuse across discovery stages due to standardized chamber design and consistent shoal reward parameters.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models hyperglycemia-associated cognitive impairment, aligning with diabetic complication studies in drug discovery.
- Translational Continuity: Bridges discovery to preclinical validation by assessing cognitive flexibility across acquisition and reversal phases.
- Risk-Adjusted Decisions: Informs advancement criteria by measuring performance stability in high- vs low-performing fish groups during reversal learning.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology workflows by enabling hypothesis testing of metabolic-CNS crosstalk, with direct applicability to lead identification campaigns targeting cognitive endpoints.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by linking glycemic state to visual discrimination learning through controlled reward-based assays.
- Screening: Delivers reproducible quantitative outputs (choice latency, correct/incorrect/marked trials) for compound library screening.
- Analytics: Provides discrimination ratio analysis and group averaging across two-trial blocks to enable statistical comparison of treatment effects.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by modeling chronic hyperglycemia effects over eight-week retention windows.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable capability for assessing cognitive flexibility across multiple disease models and compound classes.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in metabolic-CNS pathway interrogation through quantifiable behavioral phenotyping.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility via fixed chamber geometry, shoal reward consistency, and blinded scoring criteria.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by detecting cognitive rescue effects that predict clinical translational potential.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds demonstrating reversal learning improvement in hyperglycemic models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in zebrafish behavioral phenotyping and video-based scoring of chamber entry events.
- Dependent on instrumentation for precise timing of door operations and stopwatch-based latency measurement.
- Necessitates cross-team standardization of shoal tank maintenance and conspecific reward protocols.
- Involves adaptation considerations when transferring protocols between different zebrafish strains or genetic backgrounds.
- Includes practical limitations such as individual acclimation variability and exclusion criteria based on decision thresholds.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:41
Three-Chamber Choice Testing Chamber Preparation and Discrimination Setup
1:39
Behavioral Tasks
2:49
Acquisition Task
3:25
Denoting the Choice Response
4:48
Experimental Treatment
5:47
Results: Representative Three-Chamber Choice Zebrafish Behavioral Task Analyses
7:21
Conclusion
