ゼブラフィッシュをモデルシステムとして用いた3部屋選択行動課題
April 14th, 2021
認知能力を評価するために設計された行動室を提示します。ゼブラフィッシュは、一度取得すると、8週間後にタスクを覚えていることを示すデータを提供します。我々はまた、高血糖ゼブラフィッシュが認知能力を変化させたことを示し、このパラダイムが認知と記憶を評価する研究に適用されることを示す。
我々は、げっ歯類のために開発された3室の選択タスクを、ゼブラフィッシュにおける視覚差別学習の取得および逆転を評価するために適応できることを示す。私たちの行動室は、認知能力を評価するように設計されています。取得したら、ゼブラフィッシュは8週間後にこのタスクを覚えておき、ゼブラフィッシュ変異体および/または薬物暴露後の研究に適しています。
この手順のデモンストレーションは、コノートン研究所の正式な博士課程の学生であるキャシー・ロウ博士です。3室選択試験室を準備するには、40リットル50 x 30 x 30立方センチメートルの水槽の内ガラス壁にアルミニウムU字型チャネルを固定し、中央室が10 x 30 x 30立方中央センチメートルの3つのチャンバーに分離します。その後、アルミニウムチャネルの両側に灰色のPVCシートから構築された10センチメートルの高い不透明な仕切りを合わせます。
各識別タスクに対して、フックとループテープを使用して、個々のベージュ、黒、または白のフェルト片を選択室の外側の背面、側面、底部に配置します。報酬として、そうでなければ、各選択肢室の遠い隅にある小さな透明なタンクに研究で使用されない4つの成体ゼブラフィッシュを置き、特定のグループを作成します。3日間のグループ順応のために、両方の選択肢コンパートメントの外側にベージュの背景を取り付け、各コンパートメントにライブスパールタンクを水没させ、両方のスライドドアを開けた中央のスタートチャンバーに5〜6匹のゼブラフィッシュを加え、魚が30分間自由に歩き回るようにします。
実験的なゼブラフィッシュは、非難中にどちらかの選択肢コンパートメントに入った後、報酬としてタンクを通して浅瀬魚と相互作用し、交流することができるはずです。魚は、その体全体がチャンバーに入るとき、側の部屋の1つに入ったと考えられています。個々の順応のために、同じ方法でチャンバーを設置した後、スライドドアを閉じた状態で中央の開始室に個々のゼブラフィッシュを置きます。
2分後、両方のドアを同時に開き、最初のドアが30分で合計10回、いずれかのドアを通って泳ぐことを確認してください。それは側の部屋の一つに入るたびに魚に報酬を与えます。順応を完了した後、白いフェルトピースを1つの選択肢コンパートメントの外側に置き、黒いフェルトピースを他の選択肢コンパートメントの外側に置き、選択コンパートメントの1つだけに浅瀬報酬を置きます。
これは報われる側になります。取得を開始するには、選択コンパートメントを閉じた状態で、開始チャンバーに単一の実験魚を配置します。2分間の順応の後、同時に両方のドアを開け、ストップウォッチを開始して選択遅延を評価します。
選択応答を示すために、魚がサイドコンパートメントの1つを入力して選択を行うとき、タイマーを停止します。魚が正しく好ましい側を選択した場合は、すぐにその側の中央室の間のドアを閉じて、魚を1分間好ましい側に制限して、最初の魚が浅瀬タンクと相互作用して報われるようにします。正しいのは、このトライアルをCとしてスコア付けします。
魚が間違ったドアを泳ぐ場合は、ネットを使用して魚を中央室にそっと移し、両方のドアを閉め、私が間違っているように裁判を採点します。開いたドアから2分以内に魚が決定を下さない場合は、魚を正しい側に1分間移動し、マークのMとしてトライアルを獲得します。魚が中央室に戻ったら、1分待ってからもう一度作業を行います。
各魚が8回の獲得試験を完了した後、高いパフォーマンスの8倍のうち少なくとも6回、低パフォーマンスとしてこの基準を満たしていない魚をタンクの正しい側を選択した魚を分類します。識別されたら、高い魚と低パフォーマンスの魚を別々に収容します。魚が単純な差別作業を解決する能力を実証したら、取得作業と同様に選択室の同じ側面に黒と白のフェルトを取り付け、以前に報われた選択室のそれとは反対の側の遠い隅に浅瀬タンクを水没させる。
実証されているように、魚を個別にテストします。報酬対象の側が取得タスクと比較して逆になっているため、反転タスクは、背景の色に関係なく、報酬がどこにあるかを魚が学習できるかどうかを評価します。3回連続の治療日に合計8回の試験が完了した場合、3つの逆転日のそれぞれで2回の試験ブロックごとにグループ平均として実験結果を報告し、高い魚と低パフォーマンスの魚のデータを別々に保持し、2つのグループが取得中と同じレベルのパフォーマンスを示すかどうかを判断します。
3日間の訓練の後、浅瀬ベースの報酬を使用して調整された実験動物は、最初の決定に達するまでに平均125秒、個々の順応タスク全体を完了するのに平均725秒かかります。順応中に有意な側の好みは観察されず、除外された魚の数は、他の以前にテストされた報酬タイプと比較して最小限です。取得段階では、高性能動物の数は、1日目に比べて3日目に観察されるより高性能な魚と毎日増加します。
すべての魚の最初の選択の待ち時間は、取得日ごとにパフォーマンスが向上したことを示す 3 つの取得日にわたって減少します。同じ傾向は、高パフォーマンスの魚群のみを考慮すると観察されます。この判別比分析に示すように、全ての魚は取得終了までに上記の偶然を行い、魚が識別タスクを学習したことを示す。
差別学習の獲得後、魚は3日間の学習期間にわたって強い逆転行動と差別の増加を示します。3室選択パラダイムは、疾患合併症の検査にも適用することができる。例えば、この分析では、高血糖ゼブラフィッシュの順見および取得が評価された。
このタスクは、糖尿病、アルツハイマー病および認知症の高血糖合併症などの行動に関連する疾患を調べる様々な研究に適用することができる堅牢なアッセイを提供する。
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概要
この研究は、ゼブラフィッシュの認知能力を評価するために設計された行動観察室を紹介します。結果は、ゼブラフィッシュが最大8週間タスクを記憶でき、高血糖が彼らの認知能力に影響を与えることを示しています。
主要な研究要素
科学の分野
- 神経科学
- 行動心理学
- 比較認知科学
背景
- 視覚的識別学習は認知プロセスを理解するために重要です。
- ゼブラフィッシュは認知研究においてモデル生物としてますます使用されています。
- 以前の研究では、ゼブラフィッシュがタスクを学び、記憶できることが示されています。
- 高血糖は様々な種の認知機能障害に関連しています。
研究の目的
- ゼブラフィッシュ用の3室選択タスクを適応させる。
- ゼブラフィッシュの長期記憶保持を評価する。
- 高血糖が認知能力に与える影響を調査する。
使用された方法
- 3室選択テストチャンバの開発。
- 視覚的識別学習の習得と逆転の評価。
- 8週間にわたる長期記憶保持テスト。
- 正常および高血糖のゼブラフィッシュの認知能力の比較。
主な結果
- ゼブラフィッシュは8週間にわたってタスクを学び、記憶できました。
- 高血糖のゼブラフィッシュは認知能力の変化を示しました。
- 行動観察室は認知能力を効果的に測定できます。
- このパラダイムは認知と記憶のさらなる研究に適しています。
結論
- 3室選択タスクはゼブラフィッシュの認知を研究するための実行可能な方法です。
- 長期記憶保持はゼブラフィッシュモデルで評価できます。
- 高血糖は認知能力に悪影響を与え、さらなる調査が必要です。
よくある質問
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
