Shuttle Box Assay als een associatief leermiddel voor cognitieve beoordeling bij leer- en geheugenstudies met behulp van volwassen zebravissen

Summary

Leren en geheugen zijn krachtige maatstaven bij het bestuderen van ontwikkelings-, ziekteafhankelijke of door het milieu veroorzaakte cognitieve stoornissen. De meeste cognitieve beoordelingen vereisen gespecialiseerde apparatuur en uitgebreide tijdsbestedingen. De shuttle box assay is echter een associatief leermiddel dat een conventionele gelbox gebruikt voor een snelle en betrouwbare beoordeling van de cognitie van volwassen zebravissen.

Abstract

Cognitieve tekorten, waaronder verminderd leren en geheugen, zijn een primair symptoom van verschillende ontwikkelings- en leeftijdsgebonden neurodegeneratieve ziekten en traumatisch hersenletsel (TBI). Zebravissen zijn een belangrijk neurowetenschappelijk model vanwege hun transparantie tijdens de ontwikkeling en robuuste regeneratieve mogelijkheden na neurotrauma. Hoewel er verschillende cognitieve tests bestaan bij zebravissen, onderzoeken de meeste cognitieve beoordelingen die snel zijn niet-associatief leren. Tegelijkertijd vereisen associatieve leertests vaak meerdere dagen of weken. Hier beschrijven we een snelle associatieve leertest die gebruik maakt van een ongunstige stimulus (elektrische schok) en minimale voorbereidingstijd vereist. De shuttle box-test, hier gepresenteerd, is eenvoudig, ideaal voor beginnende onderzoekers en vereist minimale apparatuur. We tonen aan dat, na TBI, deze shuttle box test reproduceerbaar cognitieve tekorten en herstel van jonge tot oude zebravissen beoordeelt. Bovendien is de test aanpasbaar om onmiddellijk of vertraagd geheugen te onderzoeken. We tonen aan dat zowel een enkele TBI als herhaalde TBI-gebeurtenissen een negatieve invloed hebben op het leren en het onmiddellijke geheugen, maar niet op vertraagd geheugen. We concluderen daarom dat de shuttle box assay reproduceerbaar de progressie en het herstel van cognitieve stoornissen volgt.

Introduction

Leren en geheugen worden routinematig gebruikt als metrieken van cognitieve stoornissen, die optreedt als gevolg van veroudering, neurodegeneratieve ziekte of letsel. Traumatisch hersenletsel (TBI’s) is het meest voorkomende letsel dat resulteert in cognitieve tekorten. TBI’s zijn van groeiende zorg vanwege hun associatie met verschillende neurodegeneratieve aandoeningen, zoals frontotemporale dementie en de ziekte van Parkinson^1,2. Bovendien suggereren de verhoogde bèta-amyloïde aggregaties waargenomen bij sommige TBI-patiënten dat het ook geassocieerd kan zijn met de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer^3,4. TBI’s zijn vaak het resultaat van stomp krachttrauma en omvatten een reeks ernst⁵, waarbij mild hersenletsel (miTBI) de meest voorkomende is. MiTBIs worden echter vaak niet gerapporteerd en verkeerd gediagnosticeerd omdat ze slechts voor een korte periode resulteren in kleine cognitieve stoornissen en de gewonde personen meestal volledig herstellen⁶. Daarentegen zijn herhaalde miTBI-gebeurtenissen een groeiende zorg omdat het veel voorkomt bij jonge en middelbare volwassenen, zich in de loop van de tijd kan ophopen⁷, de cognitieve ontwikkeling kan schaden en neurodegeneratieve ziekten kanverergeren^1,2,3,4,5,vergelijkbaar met personen die een matige of ernstige TBI ervaren⁸.

Zebravis (Danio rerio) is een nuttig model voor het verkennen van een verscheidenheid aan onderwerpen in de neurowetenschappen, waaronder het vermogen om verloren of beschadigde neuronen in het centrale zenuwstelsel te regenereren^{9,10,11,12,13}. Neurale regeneratie werd ook aangetoond in het telencephalon, dat het archipallium in het dorsaal-binnenste gebied bevat. Dit neuroanatomische gebied is analoog aan de hippocampus en is waarschijnlijk nodig voor cognitie bij vissen en voor het korte-tijd geheugen bij mensen^14,15,16. Verder is het gedrag van zebravissen uitgebreid gekarakteriseerd en gecatalogiseerd¹⁷. Leren is bestudeerd door middel van verschillende technieken, waaronder gewenning aan de schrikreactie¹⁸, die een snelle vorm van niet-associatief leren kan vertegenwoordigen wanneer het wordt uitgevoerd in korte blokken en met aandacht voor de snelle vervaltijd¹⁹. Meer complexe tests van associatief leren, zoals T-boxen, plus-doolhoven en visuele discriminatie^20,21 worden gebruikt, maar zijn vaak tijdrovend, vereisen dagen of weken voorbereiding en vertrouwen op scholen of positieve bekrachtiging. Hier beschrijven we een snel paradigma om zowel associatief leren als onmiddellijk of vertraagd geheugen te beoordelen. Deze shuttle box assay maakt gebruik van een aversieve stimulus en negatieve versterking conditionering om cognitieve tekorten en herstel na stompe kracht TBI te beoordelen. We tonen aan dat onbeschadigde controle volwassen zebravissen (8-24 maanden) reproduceerbaar leren om het rode licht te vermijden binnen 20 proeven (<20 minuten beoordeling) in de shuttlebox, met een hoge mate van consistentie tussen waarnemers. Bovendien tonen we met behulp van de shuttlebox aan dat leer- en geheugenvaardigheden bij volwassenen (8-24 maanden oud) consistent zijn en nuttig zijn voor het testen van cognitie met significante stoornissen tussen verschillende TBI-ernst of herhaalde TBI. Bovendien kan deze methode snel worden gebruikt als een metriek om een breed scala aan ziekteprogressies of werkzaamheid van medicamenteuze interventies te volgen die van invloed zijn op het behoud of herstel van cognitie bij volwassen zebravissen.

Hier geven we een instructief overzicht van een snelle cognitieve beoordeling die zowel complex associatief leren (sectie 1) als geheugen kan onderzoeken in termen van zowel onmiddellijk als vertraagd geheugen. Dit paradigma biedt een beoordeling van het korte- en langetermijngeheugen van een aangeleerde associatieve cognitieve taak (sectie 2).

Protocol

Zebravissen werden grootgebracht en onderhouden in de Notre Dame Zebrafish-faciliteit in het Freimann Life Sciences Center. De methoden beschreven in dit manuscript zijn goedgekeurd door de University of Notre Dame Animal Care and Use Committee (Animal Welfare Assurance Number A3093-01). 1. Shuttle box leerparadigma (Figuur 1A) OPMERKING: Het leerparadigma biedt een snelle beoordeling van cognitie met betrekking tot associatief leren….

Representative Results

Het leerparadigma, geschetst in het protocol en schema (Figuur 1), biedt een snelle beoordeling van cognitie met betrekking tot associatief leren. Bovendien heeft dit paradigma een hoge mate van strengheid, door leren te definiëren als een herhaalde en consistente weergave van 5 opeenvolgende positieve onderzoeken. Dit paradigma is ook van toepassing op een reeks leeftijden en verwondingen. Onbeschadigde vissen na 8 maanden (jongvolwassene), 18 maanden (volwassene van middelbare leeftijd) e…

Discussion

Cognitieve stoornissen kunnen de kwaliteit van leven aanzienlijk en negatief beïnvloeden. Vanwege de verhoogde zichtbaarheid en het optreden van hersenschuddingen en traumatisch hersenletsel in de hele bevolking, is het belangrijk om te begrijpen hoe ze cognitieve stoornissen veroorzaken en hoe de schade kan worden geminimaliseerd of omgekeerd. Om deze redenen spelen modelorganismen die kunnen worden getest op cognitieve achteruitgang een cruciale rol in deze studies. Knaagdieren zijn al lang het primaire model om neuro…

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