המשימה ההתנהגותית של בחירה תלת-תאית באמצעות דג זברה כמערכת מודל
April 14th, 2021
אנו מציגים תא התנהגותי שנועד להעריך את הביצועים הקוגניטיביים. אנו מספקים נתונים המראים כי לאחר שנרכשו, דגי זברה זוכרים את המשימה 8 שבועות לאחר מכן. אנו גם מראים כי דגי זברה היפרגליקמיים שינו את הביצועים הקוגניטיביים, מה שמצביע על כך שפרדיגמה זו חלה על מחקרים המעריכים קוגניציה וזיכרון.
אנו מראים כי ניתן להתאים משימת בחירה תלת-תאית שפותחה עבור מכרסמים כדי להעריך את הרכישה וההיפוך של לימוד האפליה החזותית בדגי הזברה. התא ההתנהגותי שלנו נועד להעריך את הביצועים הקוגניטיביים. לאחר הרכישה, דגי זברה זוכרים את המשימה שמונה שבועות לאחר מכן, מה שהופך אותה למתאימה למחקרים עם מוטציות של דגי זברה ו/או בעקבות חשיפה לסמים.
תוכיח את ההליך תהיה ד"ר קאסי רואו, דוקטורנט רשמית ממעבדת קונטון. כדי להכין תא בדיקה של שלושה תאים, תקן ערוץ בצורת U מאלומיניום לקירות הזכוכית הפנימיים של אקווריום 40 ליטר 50 על 30 על 30 ס"מ מעוקב כדי להפריד את האקווריום לשלושה תאים עם התא המרכזי בגודל 10 על 30 על 30 סנטימטרים מרכזיים מעוקבים. לאחר מכן להתאים 10 ס"מ מחיצות אטומות גבוה שנבנו מתוך יריעות PVC אפורות לשני הצדדים של ערוצי האלומיניום.
עבור כל משימת אפליה, השתמש בקלטת וו ולולאה כדי למקם חתיכות לבד בז', שחור או לבן על הגב, הצד והתחתון החיצוניים של תאי הבחירה. כפרס, מקם ארבעה דגי זברה בוגרים שאחרת לא ישמשו במחקר במיכל קטן וברור בפינה האחורית הרחוקה של כל תא בחירה כדי ליצור קבוצה של קונספירים. עבור התאקלמות קבוצתית עבור כל אחד משלושת הימים, חברו את רקע ה בז' לחלק החיצוני של שני תאי הבחירה והטביעו מיכל להקה חי בכל אחד מהתאים, ולאחר מכן הוסיפו חמישה עד שישה דגי זברה לתא ההתחלה המרכזי כששתי דלתות ההזזה פתוחות ואפשרו לדגים לשוטט בחופשיות במשך 30 דקות.
דג הזברה הניסיוני צריך להיות מסוגל לקיים אינטראקציה ולרועע עם דגי הלהקה דרך המיכל כפרס לאחר שחצה לתא בחירה במהלך השבחים. דג נחשב כמי שנכנס לאחד התאים הצדדיים כאשר כל גופו נכנס לתא. להסתגלות אישית, לאחר הקמת התא באותו אופן, הניחו דג זברה בודד בתא ההתחלה המרכזי עם דלתות הזזה סגורות.
לאחר שתי דקות, פתחו את שתי הדלתות בו זמנית וודאו שהראשון שוחה מהתא המרכזי דרך כל דלת בסך הכל 10 פעמים ב -30 דקות. לתגמל את הדג בכל פעם שהוא נכנס לאחד החדרים הצדדיים. לאחר השלמת ההסתגלות, הניחו חתיכת לבד לבן מחוץ לתא בחירה אחד וחתיכת לבד שחורה לחלק החיצוני של תא הבחירה האחר והניחו תגמול להקה רק באחד מתאי הבחירה.
זה הופך להיות הצד המתוגמל. כדי להתחיל ברכישה, הניחו דג ניסיוני אחד בתא ההתחלה עם תאי הבחירה סגורים. לאחר התאקלות של שתי דקות, פתחו בו זמנית את שתי הדלתות והתחלו שעון עצר כדי להעריך את השהיית הבחירה.
כדי לציין את תגובת הבחירה, כאשר הדג עושה בחירה על ידי הזנת אחד התאים הצדדיים, לעצור את הטיימר. אם הדג בוחר נכון את הצד המועדף, סגור מיד את הדלת בין התא המרכזי בצד זה כדי להגביל את הדג לצד המועדף למשך דקה אחת כדי לאפשר לראשון להיות מתוגמל על ידי אינטראקציה עם מיכל הלהקה. ציון משפט זה כ- C עבור נכון.
אם הדג שוחה דרך הדלת השגויה, השתמש ברשת כדי להעביר בעדינות את הדג בחזרה לתא המרכזי, לסגור את שתי הדלתות ולהבקיע את המשפט כפי שאני לא נכון. אם הדג לא מקבל החלטה תוך שתי דקות מפתיחת הדלתות, הזז את הדג לצד הנכון למשך דקה אחת והבקיע את המשפט כ- M עבור מסומן. לאחר שהדגים הוחזרו לתא המרכזי, המתינו דקה לפני ביצוע המשימה שוב.
לאחר שכל דג השלים שמונה ניסויי רכישה, סיווגו דגים שבחרו בהצלחה את הצד הנכון של המיכל לפחות פי שישה מתוך שמונה ביצועים גבוהים ואת הדגים שאינם עומדים בקריטריון זה כביצועים נמוכים. לאחר שזוהו, שוכנו הדגים בעלי הביצועים הגבוהים והנמוכה בנפרד. כאשר הדגים הוכיחו את היכולת לפתור משימת אפליה פשוטה, חברו את השחור-לבן לאותם צדדים של תאי הבחירה באשר למשימת הרכישה והטביעו את מיכל הלהקה בפינה האחורית הרחוקה של הצד שממול לזה של תא הבחירה שתוגמל בעבר.
בדוק את הדגים בנפרד כפי שהוכח. כאשר הצד המתוגמל מתהפך בהשוואה למשימת הרכישה, משימת ההיפוך מעריכה אם הדג יכול ללמוד היכן נמצא הפרס ללא קשר לצבע הרקע. כאשר הושלמו בסך הכל שמונה ניסויים במשך שלושת ימי הטיפול הרצופים, דווחו על תוצאות הניסויים כממוצעים קבוצתיים עבור כל בלוק של שני ניסויים בכל אחד משלושה ימי היפוך, תוך שמירה על הנתונים לדגים בעלי ביצועים גבוהים וביצועים נמוכים בנפרד כדי לקבוע אם שתי הקבוצות מציגות את אותה רמת ביצועים במהלך היפוך כפי שעשו במהלך הרכישה.
לאחר שלושה ימים של אימונים, בעלי חיים ניסיוניים המותנים באמצעות תגמול מבוסס להקה לוקחים בממוצע 125 שניות כדי להגיע להחלטה הראשונה שלהם וממוצע של 725 שניות כדי להשלים את משימת ההתאקלמות האישית כולה. לא נצפתה העדפת צד משמעותית במהלך ההתאקלמות ומספר הדגים המוחרגים הוא מינימלי בהשוואה לסוגי תגמול אחרים שנבדקו בעבר. במהלך שלב הרכישה, מספר בעלי החיים בעלי הביצועים הגבוהים גדל מדי יום עם דגים בעלי ביצועים גבוהים יותר שנצפו ביום השלישי לעומת היום הראשון.
השהיית הבחירה הראשונית עבור כל הדגים פוחתת בשלושת ימי הרכישה ומעידה על ביצועים משופרים עם כל יום רכישה. אותה מגמה נצפתה כאשר רק קבוצת הדגים בעלת הביצועים הגבוהים נחשבת. כפי שניתן לראות בניתוח יחס אפליה זה, כל הדגים מבצעים מעל במקרה עד סוף הרכישה, מה שמצביע על כך שהדגים למדו את משימת האפליה.
בעקבות רכישת למידה אפליה, הדגים מפגינים התנהגות הפוכה חזקה ואפליה מוגברת לאורך תקופת הלמידה בת שלושת הימים. פרדיגמת הבחירה בת שלושת התאים יכולה להיות מיושמת גם לבדיקת סיבוכים במחלה. לדוגמה, בניתוח זה, הסתגלות ורכישה של דגי זברה היפרגליקמיים הוערכו.
משימה זו מספקת בדיקה חזקה שניתן ליישם במחקרים שונים הבוחנים מחלות הקשורות התנהגותית כגון סיבוכים היפרגליקמיים של סוכרת, אלצהיימר ודמנציה.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה כללית
מחקר זה מציג תא התנהגותי שתוכנן להערכת ביצועים קוגניטיביים בדגי זברה. התוצאות מצביעות על כך שדגי זברה יכולים לזכור משימות למשך עד שמונה שבועות, וכי היפרגליקמיה משפיעה על יכולותיהם הקוגניטיביות.
מרכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- פסיכולוגיה התנהגותית
- קוגניציה השוואתית
רקע
- למידת אפליה ויזואלית חיונית להבנת תהליכים קוגניטיביים.
- דגי זברה משמשים יותר ויותר כאורגניזם מודל במחקרים קוגניטיביים.
- מחקרים קודמים הראו שדגי זברה יכולים ללמוד ולזכור משימות.
- היפרגליקמיה קושרה לליקויים קוגניטיביים במינים שונים.
מטרת המחקר
- להתאים משימת בחירה בת שלושה תאים לדגי זברה.
- להעריך את שמירת הזיכרון לטווח הארוך אצל דגי זברה.
- לחקור את ההשפעות של היפרגליקמיה על הביצועים הקוגניטיביים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- פיתוח תא בדיקה עם בחירה בת שלושה תאים.
- הערכת רכישת למידה והפוך לדיסקרימינציה ויזואלית.
- בדיקת שמירת זיכרון לטווח ארוך על פני שמונה שבועות.
- השוואה של ביצועים קוגניטיביים בדגי זברה רגילים והיפרגליקמיים.
תוצאות עיקריות
- דגי זברה למדו וזכרו את המשימה בהצלחה למשך שמונה שבועות.
- דגי זברה היפרגליקמיים הפגינו ביצועים קוגניטיביים שונים.
- תא ההתנהגות מודד ביעילות יכולות קוגניטיביות.
- הפרדיגמה זו מתאימה למחקרים נוספים בתחום הקוגניציה והזיכרון.
מסקנות
- משימת הבחירה בת שלושה תאים היא שיטה קבילה לחקר הקוגניציה בדגי זברה.
- ניתן להעריך שמירת זיכרון לטווח ארוך במודלים של דגי זברה.
- היפרגליקמיה משפיעה לרעה על הביצועים הקוגניטיביים, ומצדיקה חקירה נוספת.
שאלות נפוצות
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
