Shuttle Box Assay som ett associativt inlärningsverktyg för kognitiv bedömning i inlärnings- och minnesstudier med vuxen zebrafisk
Summary
Lärande och minne är potenta mätvärden för att studera antingen utvecklingsmässiga, sjukdomsberoende eller miljömässigt inducerade kognitiva funktionsnedsättningar. De flesta kognitiva bedömningar kräver specialiserad utrustning och omfattande tidsåtaganden. Pendelboxens analys är dock ett associativt inlärningsverktyg som använder en konventionell gellåda för snabb och tillförlitlig bedömning av vuxen zebrafiskkognition.
Abstract
Kognitiva underskott, inklusive nedsatt lärande och minne, är ett primärt symptom på olika utvecklings- och åldersrelaterade neurodegenerativa sjukdomar och traumatisk hjärnskada (TBI). Zebrafisk är en viktig neurovetenskaplig modell på grund av deras transparens under utveckling och robusta regenerativa förmågor efter neurotrauma. Medan olika kognitiva tester finns i zebrafisk, undersöker de flesta kognitiva bedömningar som är snabba icke-associativt lärande. Samtidigt kräver associativt lärande analyser ofta flera dagar eller veckor. Här beskriver vi ett snabbt associativt inlärningstest som använder en negativ stimulans (elektrisk stöt) och kräver minimal förberedelsetid. Shuttle box-analysen, som presenteras här, är enkel, idealisk för nybörjare utredare, och kräver minimal utrustning. Vi visar att detta skyttelboxtest, efter TBI, reproducerbart bedömer kognitivt underskott och återhämtning från ung till gammal zebrafisk. Dessutom är analysen anpassningsbar för att undersöka antingen omedelbart eller fördröjd minne. Vi visar att både en enda TBI och upprepade TBI-händelser negativt påverkar lärande och omedelbart minne men inte fördröjd minne. Vi drar därför slutsatsen att skyttelboxanalysen reproducerande spårar progressionen och återhämtningen av kognitiv svikt.
Introduction
Lärande och minne används rutinmässigt som mätvärden för kognitiv försämring, vilket händer på grund av åldrande, neurodegenerativ sjukdom eller skada. Traumatiska hjärnskador (TBC) är den vanligaste skadan som resulterar i kognitiva underskott. TBC är av växande oro på grund av deras associering med flera neurodegenerativa störningar, såsom frontotemporal demens och Parkinsons sjukdom1,2. Dessutom tyder de ökade beta-amyloidaggregeringarna som observerats hos vissa TBI-patienter på att det också kan vara förknippat med utvecklingen av Alzheimers sjukdom3,4. TBC är ofta resultatet av trubbigt våld trauma och spänner över en radsvårighetsgrader 5, med milda hjärnskador (miTBI) är den vanligaste. MiTBIs är dock ofta orapporterade och feldiagnostiserade eftersom de resulterar i mindre kognitiva försämringar under endast en kort period, och de skadade individerna återhämtar sig vanligtvishelt 6. Däremot har upprepade miTBI-händelser varit ett växande problem eftersom det är mycket vanligt hos unga och medelålders vuxna, kan ackumuleras övertid 7, kan försämra kognitiv utveckling och förvärra neurodegenerativa sjukdomar1,2,3,4,5, liknande individer som upplever antingen en måttlig eller svår TBI8.
Zebrafish (Danio rerio) är en användbar modell för att utforska en mängd olika ämnen inom neurovetenskap, inklusive förmågan att regenerera förlorade eller skadade nervceller i hela centrala nervsystemet9,10,11,12,13. Neurala regenerering visades också i telencephalon, som innehåller archipallium i regionen dorsala-inre. Denna neuroanatomiska region är analog med hippocampus och krävs sannolikt för kognition i fisk och för korttidsminnet hos människor14,15,16. Dessutom har zebrafiskbeteendet karakteriserats ochkatalogiserats 17. Lärande har studerats genom olika tekniker, inklusive tillvänjning till det häpnadsväckandesvaret 18, som kan representera en snabb form av icke-associativt lärande när det utförs i korta block och med uppmärksamhet på den snabba förfallstiden19. Mer komplexa tester av associativt lärande, såsom T-lådor, plus-labyrinter och visuelldiskriminering 20,21 används men är ofta tidskrävande, kräver dagar eller veckor av förberedelse och förlitar sig på shoaling eller positiv förstärkning. Här beskriver vi ett snabbt paradigm för att bedöma både associativt lärande och antingen omedelbart eller försenat minne. Denna shuttle box analys använder en aversive stimulans och negativ förstärkning konditionering för att bedöma kognitiva underskott och återhämtning efter trubbigt våld TBI. Vi visar att oskadad kontroll av vuxna zebrafiskar (8-24 månader) reproducerbart lär sig att undvika rött ljus inom 20 försök (<20 minuters bedömning) i skyttelboxen, med en hög grad av konsekvens mellan observatörer. Dessutom visar vi med hjälp av skyttelboxen att inlärnings- och minnesförmågor hos vuxna (8-24 månader gamla) är konsekventa och användbara för att analysera kognition med betydande försämringar mellan antingen olika TBI-svårighetsgrader eller upprepad TBI. Dessutom kan denna metod snabbt användas som ett mått för att spåra ett brett spektrum av sjukdomsprogressioner eller effekt av läkemedelsinterventioner som påverkar underhåll eller återhämtning av kognition hos vuxna zebrafiskar.
Här ger vi en instruktionsöversikt över en snabb kognitiv bedömning som kan undersöka både komplext associativt lärande (avsnitt 1) och minne när det gäller både omedelbart och fördröjd minne. Detta paradigm ger en bedömning av korttids- och långtidsminnet för en lärd associativ kognitiv uppgift (avsnitt 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Kognitiv svikt kan avsevärt och negativt påverka livskvaliteten. På grund av ökad synlighet och förekomst av hjärnskakningar och traumatiska hjärnskador i hela befolkningen är det viktigt att förstå hur de orsakar kognitiv svikt och hur skadan kan minimeras eller vändas. Av dessa skäl spelar modellorganismer som kan testas för kognitiv nedgång en kritisk roll i dessa studier. Gnagare har länge varit den primära modellen för att undersöka neurobehavior och kognition, men zebrafisk har dykt upp som en anv…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Hyde lab-medlemmarna för deras tankeväckande diskussioner och Freimann Life Sciences Center tekniker för zebrafiskvård och djurhållning. Detta arbete stöddes av Center for Zebrafish Research vid University of Notre Dame, Center for Stem Cells and Regenerative Medicine vid University of Notre Dame, och stipendier från National Eye Institute of NIH R01-EY018417 (DRH), National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (JTH), LTC Neil Hyland Fellowship of Notre Dame (JTH), Sentinels of Freedom Fellowship (JTH) och Pat Tillman-stipendiet (JTH). Figur 1 gjord med BioRender.com.
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 |
References
- Deutsch, M., Mendez, M., Teng, E. Interactions between traumatic brain injury and frontotemporal degeneration. Dementia and Geriatric Cognitive Disorders. 39, 143-153 (2015).
- Gardner, R., et al. Traumatic brain injury in later life increases risk for Parkinson disease. Annals in Neurology. 77, 987 (2015).
- Fleminger, S., Oliver, D., Lovestone, S., Rabe-Hesketh, S., Giora, A. Head injury as a risk factor for Alzheimer’s disease: the evidence 10 years on; a partial replication. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 74, 857-886 (2003).
- Johnson, V., Stewart, W., Smith, D. Traumatic brain injury and amyloid-β pathology: a link to Alzheimer’s disease. Nature Reviews Neurosciences. 11, 361-370 (2010).
- Korley, F. K., Kelen, G. D., Jones, C. M., Diaz-Arrastia, R. Emergency department evaluation of traumatic brain injury in the United States, 2009-2010. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 31, 379-387 (2016).
- Corrigan, J. D., Selassie, A. W., Orman, J. A. L. The epidemiology of traumatic brain injury. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 25, 72-80 (2010).
- Levin, H., Arrastia, R. Diagnosis, prognosis, and clinical management of mild traumatic brain injury. The Lancet Neurology. 14, 506-517 (2015).
- GBD 2016 Traumatic Brain Injury and Spinal Cord Injury Collaborators. Global, regional, and national burden of traumatic brain injury and spinal cord injury, 1990-2016: A systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016. The Lancet, Neurology. 18 (1), 56-87 (2019).
- Campbell, L. J., et al. Notch3 and DeltaB maintain Müller glia quiescence and act as negative regulators of regeneration in the light-damaged zebrafish retina. Glia. 69 (3), 546-566 (2021).
- Green, L. A., Nebiolo, J. C., Smith, C. J. Microglia exit the CNS in spinal root avulsion. PLoS Biology. 17 (2), 3000159 (2019).
- Hentig, J., Byrd-Jacobs, C. Exposure to zinc sulfate results in differential effects on olfactory sensory neuron subtypes in the adult zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 17 (9), 1445 (2016).
- Ito, Y., Tanaka, H., Okamoto, H., Oshima, T. Characterization of neural stem cells and their progeny in the adult zebrafish optic tectum. Developmental Biology. 342, 26-38 (2010).
- Lahne, M., Nagashima, M., Hyde, D. R., Hitchcock, P. F. Reprogramming Muller glia to regenerate retinal neurons. Annual Reviews of Vision Sciences. 6, 171-193 (2020).
- Kroehne, V., Freudenreich, D., Hans, S., Kaslin, J., Brand, M. Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors. Development. 138 (22), 4831-4841 (2011).
- Kishimoto, N., Shimizu, K., Sawamoto, K. Neuronal regeneration in a zebrafish model of adult brain injury. Disease Models & Mechanisms. 5 (2), 200-209 (2012).
- Bhattarai, P., et al. Neuron-glia interaction through Serotonin-BDNF-NGFR axis enables regenerative neurogenesis in Alzheimer’s model of adult zebrafish brain. PLoS Biology. 18 (1), 3000585 (2020).
- Kalueff, A., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- Chanin, S., et al. Assessing startle responses and their habituation in adult zebrafish. Zebrafish Protocols for Neurobehavioral Research. 66, (2012).
- López-Schier, H. Neuroplasticity in the acoustic startle reflex in larval zebrafish. Current Opinion in Neurobiology. 54, 134-139 (2019).
- Maheras, A. L., et al. Genetic pathways of neuroregeneration in a novel mild traumatic brain injury model in adult zebrafish. eNeuro. 5 (1), (2018).
- Gaspary, K. V., Reolon, G. K., Gusso, D., Bonan, C. D. Novel object recognition and object location tasks in zebrafish: Influence of habituation and NMDA receptor antagonism. Neurobiology of Learning and Memory. 155, 249-260 (2018).
- Hentig, J., Cloghessy, K., Dunseath, C., Hyde, D. R. A scalable model to study the effects of blunt-force injury in adult zebrafish. Journal of Visualized Experiments. , (2021).
- Wu, Y. J., et al. Fragile X mental retardation-1 knockout zebrafish shows precocious development in social behavior. Zebrafish. 14 (5), 438-443 (2017).
- Rea, V., Van Raay, T. J. Using zebrafish to model autism spectrum disorder: A Comparison of ASD risk genes between zebrafish and their mammalian counterparts. Frontiers in Molecular Neuroscience. 13, 575575 (2020).
- Zhdanova, I. V., et al. Aging of the circadian system in zebrafish and the effects of melatonin on sleep and cognitive performance. Brain Research Bulletin. 75 (2-4), 433-441 (2008).
- Yu, L., Tucci, V., Kishi, S., Zhdanova, I. V. Cognitive aging in zebrafish. PloS One. 1 (1), 14 (2006).
- Bahl, A., Engert, F. Neural circuits for evidence accumulation and decision making in larval zebrafish. Nature Neuroscience. 23 (1), 94-102 (2020).
- Ngoc Hieu, B. T., et al. Development of a modified three-day t-maze protocol for evaluating learning and memory capacity of adult zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 21 (4), 1464 (2020).
- Williams, F. E., White, D., Messer, W. S. A simple spatial alternation task for assessing memory function in zebrafish. Behavioural Processes. 58 (3), 125-132 (2002).
- Zohar, O., et al. Closed-head minimal traumatic brain injury produces long-term cognitive deficits in mice. Neuroscience. 118 (4), 949-955 (2003).
- Becker, C., Becker, T. Adult zebrafish as a model for successful central nervous system regeneration. Restorative Neurology and Neuroscience. 26 (2-3), 71-80 (2008).
- Grandel, H., Kaslin, J., Ganz, J., Wenzel, I., Brand, M. Neural stem cells and neurogenesis in the adult zebrafish brain: origin, proliferation dynamics, migration, and cell fate. Developmental Biology. 295 (1), 263-277 (2006).
