Yetişkin Zebra Balığı Kullanarak Öğrenme ve Bellek Çalışmalarında Bilişsel Değerlendirme için İlişkisel Bir Öğrenme Aracı Olarak Mekik Kutusu Tahlil
Summary
Öğrenme ve hafıza, gelişimsel, hastalığa bağımlı veya çevresel olarak indüklenen bilişsel bozuklukların incelenmesinde güçlü metriklerdir. Bilişsel değerlendirmelerin çoğu özel ekipman ve kapsamlı zaman taahhütleri gerektirir. Bununla birlikte, mekik kutusu tahlili, yetişkin zebra balığı bilişinin hızlı ve güvenilir bir şekilde değerlendirilmesi için geleneksel bir jel kutusu kullanan ilişkilendirilebilir bir öğrenme aracıdır.
Abstract
Öğrenme ve hafıza bozukluğu da dahil olmak üzere bilişsel eksiklikler, çeşitli gelişimsel ve yaşa bağlı nörodejeneratif hastalıkların ve travmatik beyin hasarının (TBI) birincil belirtisidir. Zebra balığı, gelişim sırasındaki şeffaflığı ve nörotrauma sonrasındaki sağlam rejeneratif yetenekleri nedeniyle önemli bir sinirbilim modelidir. Zebra balıklarında çeşitli bilişsel testler mevcut olsa da, hızlı olan bilişsel değerlendirmelerin çoğu ilişkisel olmayan öğrenmeyi inceler. Aynı zamanda, ilişkilendirilebilir öğrenme tahlilleri genellikle birden fazla gün veya hafta gerektirir. Burada, olumsuz bir uyaran (elektrik çarpması) kullanan ve minimum hazırlık süresi gerektiren hızlı bir ilişkilendirilebilir öğrenme testini açıklıyoruz. Burada sunulan mekik kutusu tahlilleri basittir, acemi araştırmacılar için idealdir ve minimum ekipman gerektirir. TBI’dan sonra, bu mekik kutusu testinin bilişsel eksikliği ve genç zebra balıklarından yaşlı zebra balıklarına iyileşmeyi tekrar tekrar değerlendirdiğini gösteriyoruz. Ayrıca, test anında veya gecikmiş belleği incelemek için uyarlanabilir. Hem tek bir TBI hem de tekrarlanan TBI olaylarının öğrenmeyi ve anında hafızayı olumsuz etkilediğini, ancak gecikmeli belleği etkilemediğini gösteriyoruz. Bu nedenle, mekik kutusunun tahlilinin bilişsel bozukluğun ilerlemesini ve iyileşmesini tekrar tekrar izlediği sonucuna varıyoruz.
Introduction
Öğrenme ve hafıza rutin olarak yaşlanma, nörodejeneratif hastalık veya yaralanma nedeniyle meydana gelen bilişsel bozukluk ölçümleri olarak kullanılır. Travmatik beyin yaralanmaları (DTİ’ler) bilişsel eksikliklerle sonuçlanan en yaygın yaralanmadır. TBİ’ler, frontotemporal demans ve Parkinson hastalığı1,2gibi çeşitli nörodejeneratif bozukluklarla ilişkileri nedeniyle artan bir endişe kaynağıdır. Ek olarak, bazı TBI hastalarında gözlenen artan beta-amiloid toplamaları, Alzheimer hastalığının gelişimi ile de ilişkili olabileceğini göstermektedir3,4. TBI’ler genellikle künt cisim travmasının sonucudur ve bir dizi şiddete yayılır5Hafif beyin yaralanmaları (miTBI) en yaygın olanıdır. Bununla birlikte, miTBI’ler genellikle rapor edilmemiş ve yanlış teşhis edilir, çünkü sadece kısa bir süre için küçük bilişsel bozukluklara neden olurlar ve yaralı bireyler genellikle tamamen iyileşir6. Buna karşılık, tekrarlanan miTBI olayları, genç ve orta yaşlı yetişkinlerde oldukça yaygın olduğu, zamanla birikebileceği için artan bir endişe olmuştur7, bilişsel gelişimi bozabilir ve nörodejeneratif hastalıkları şiddetlendirebilir1,2,3,4,5, orta veya şiddetli bir TBI yaşayan bireylere benzer8.
Zebra balığı (Danio rerio) nörobilimde, merkezi sinir sistemi boyunca kayıp veya hasarlı nöronları yenileme yeteneği de dahil olmak üzere çeşitli konuları keşfetmek için yararlı bir modeldir9, 10,11,12,13. Sırt-iç bölgedeki arkipalumu içeren teleensefalonda da nöral rejenerasyon gösterilmiştir. Bu nöroanatomik bölge hipokampusa benzer ve muhtemelen balıklarda biliş ve insanlarda kısa süreli hafıza için gereklidir14,15,16. Ayrıca, zebra balığı davranışı kapsamlı bir şekilde karakterize edilmiş ve kataloglanmıştır17. Öğrenme, kısa bloklar halinde ve hızlı çürüme süresine dikkat ederek hızlı bir ilişkisel olmayan öğrenme biçimini temsil edebilecek18ürkünç yanıta alışkanlık da dahil olmak üzere çeşitli tekniklerle çalışılmıştır19. T kutuları, artı labirentler ve görsel ayrımcılık20 , 21 gibi ilişkilendirilebilir öğrenmenin daha karmaşık testleri kullanılır, ancak genellikle zaman alıcıdır, günler veya haftalar süren hazırlık gerektirir ve sürü veya pozitif takviyeye dayanır. Burada, hem ilişkilendirilebilir öğrenmeyi hem de anında veya gecikmiş belleği değerlendirmek için hızlı bir paradigmayı açıklıyoruz. Bu mekik kutusu tahlilleri, künt kuvvet TBI’dan sonra bilişsel açıkları ve iyileşmeyi değerlendirmek için averatif bir uyaran ve negatif takviye şartlandırması kullanır. Hasarsız kontrol yetişkin zebra balıklarının (8-24 ay) mekik kutusundaki 20 denemede (<20 dakikalık değerlendirme) kırmızı ışıktan kaçınmayı tekrar tekrar öğrendiğini ve gözlemciler arasında yüksek derecede tutarlılık gösterdiğini gösteriyoruz. Ek olarak, mekik kutusunu kullanarak, yetişkin (8-24 aylık) genelinde öğrenme ve hafıza yeteneklerinin tutarlı olduğunu ve farklı TBI önemleri veya tekrarlanan TBI arasında önemli bozukluklarla bilişi test etmek için yararlı olduğunu gösteriyoruz. Ayrıca, bu yöntem, yetişkin zebra balıklarında bilişin sürdürülmesini veya kurtarılmasını etkileyen çok çeşitli hastalık ilerlemelerini veya ilaç müdahalelerinin etkinliğini izlemek için bir metrik olarak hızla kullanılabilir.
Burada, hem karmaşık ilişkilendirilebilir öğrenmeyi (bölüm 1) hem de belleği hem anında hem de gecikmiş bellek açısından inceleyebilen hızlı bir bilişsel değerlendirmeye öğretimsel bir genel bakış sunuyoruz. Bu paradigma, öğrenilen bir ilişkilendirilebilir bilişsel görevin kısa ve uzun vadeli hafızasının değerlendirilmesini sağlar (bölüm 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Bilişsel bozukluk yaşam kalitesini önemli ölçüde ve olumsuz yönde etkileyebilir. Nüfus genelinde beyin sarsıntıları ve travmatik beyin yaralanmalarının görünürlüğünün ve oluşumunun artması nedeniyle, bilişsel bozulmaya nasıl neden olduklarını ve hasarın nasıl en aza indirilebileceğini veya tersine çevrilebileceğini anlamak önemlidir. Bu nedenlerle bilişsel düşüş için test edilebilen model organizmalar bu çalışmalarda kritik bir rol oynamaktadır. Kemirgenler uzun zamandır nörobe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, hyde laboratuvar üyelerine düşünceli tartışmaları için ve zebra balığı bakımı ve bakımı için Freimann Yaşam Bilimleri Merkezi teknisyenlerine teşekkür etmek istiyor. Bu çalışma Notre Dame Üniversitesi Zebra Balığı Araştırmaları Merkezi, Notre Dame Üniversitesi Kök Hücre ve Rejeneratif Tıp Merkezi tarafından desteklendi ve NIH R01-EY018417 Ulusal Göz Enstitüsü (DRH), Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Burs Programı (JTH), LTC Neil Hyland Notre Dame Bursu (JTH), Özgürlük Bursu Nöbetçileri (JTH) ve Pat Tillman Bursu (JTH). Şekil 1 BioRender.com ile yapılmıştır.
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).
