النهج السلوكية لدراسة الإجهاد الفطري في Zebrafish
Summary
تصف هذه المخطوطة طريقه بسيطه لقياس الإجهاد السلوكيا في البالغين المتعصبين. النهج يستفيد من النزعة الفطرية ان الزرد يفضل النصف السفلي من خزان عندما تكون في حاله المجهدة. ونحن أيضا وصف أساليب لاقتران الفحص مع علم الصيدلة.
Abstract
الاستجابة المناسبة للمؤثرات المجهدة ضرورية لبقاء الكائن الحي. وقد أجريت بحوث واسعه النطاق علي مجموعه واسعه من الامراض المرتبطة بالإجهاد والاضطرابات العقلية ، ولكن لا تزال هناك حاجه إلى مزيد من الدراسات في التنظيم الجيني والعصبي للإجهاد لتطوير العلاجات أفضل. يوفر الزيبرافيش نموذجا جينيا قويا للتحقيق في الأسس العصبية للإجهاد ، حيث توجد مجموعه كبيره من الخطوط المتحولة والمحورة وراثيا. وعلاوة علي ذلك ، يمكن بسهوله تطبيق الصيدلة علي zebrafish ، كما يمكن أضافه معظم الادويه مباشره إلى الماء. ونحن هنا وصف استخدام “اختبار دبابات الرواية” كوسيلة لدراسة الاستجابات الإجهاد الفطري في zebrafish ، وتبين كيف يمكن التحقق من صحة الادويه المحتملة مزيل القلق باستخدام الفحص. ويمكن بسهوله ان يقترن هذا الأسلوب مع خطوط الزرد إيواء الطفرات الجينية ، أو تلك التي تستخدم فيها النهج المحورة وراثيا للتلاعب الدوائر العصبية دقيقه. ويمكن أيضا ان تستخدم المقايسة في نماذج الأسماك الأخرى. وينبغي ان ييسر البروتوكول الموصوف معا اعتماد هذا الفحص البسيط علي المختبرات الأخرى.
Introduction
يتم تغيير الاستجابات الإجهاد السلوكية والفسيولوجية الدول الناتجة عن المحفزات الضارة أو المحتملة. يتم الحفاظ علي الاستجابات الإجهاد في جميع انحاء المملكة الحيوانية ، وهي حاسمه لبقاء الكائن الحي1. وقد توسعت عقود من البحوث إلى حد كبير معرفتنا لبعض أليات الوراثية والخلايا العصبية الكامنة وراء الدول الإجهاد. اليوم, مناطق الدماغ مثل اللوزة والمخطط2, والعوامل الوراثية مثل كورتيكوتروبين الإفراج عن هرمون (crh), والسكرية (gr) ومستقبلات القشرانيات ( السيد) وقد درست علي نطاق واسع3،4،5،6. علي الرغم من هذه النتائج الحاسمة ، لا يزال الكثير غير معروف عن التنظيم الوراثي والعصبي للإجهاد. وعلي هذا النحو ، يعاني العديد من الاضطرابات المرتبطة بالإجهاد من نقص التداوي.
الكائنات الحية النموذجية القابلة للتعديل وراثيا توفر أداه مفيده في دراسة التحكم الوراثي والعصبي للسلوك. نماذج الأسماك ، علي وجه الخصوص ، هي قويه للغاية: فهي كائنات صغيره مع مرات الجيل القصير ، واستخدامها في اعداد المختبر هو facile ، يتم تعديل الجينات بسهوله ، وباعتبارها فقاري ، فانها تشترك ليس فقط الوراثية ، ولكن أيضا التشريحية العصبية التماثل مع نظرائهم في الثدييات7,8. يمكن ان يقترن الاختبارات القياسية لقياس الإجهاد مع خطوط الزرد إيواء الطفرات الجينية ، أو تلك التي التلاعب في مجموعات فرعيه دقيقه الخلايا العصبية هو ممكن ، وأثار جينات واحده أو الخلايا العصبية المحددة يمكن تقييمها بسرعة وكفاءه.
سلوكيا, ويمكن وصف الاستجابات الإجهاد في الأسماك كفترات من فرط النشاط أو فترات طويلة من الخمول (أقرب إلى ‘ تجميد ‘)9, انخفاض الاستكشاف10, التنفس السريع, انخفاض المدخول الغذائي11, و مكان-تفضيل للأسفل من دبابة12. علي سبيل المثال ، عندما وضعت في خزان غير مالوف ، والكبار الزرد وغيرها من نماذج الأسماك الصغيرة تظهر تفضيل الاولي للنصف السفلي من الخزان ، ومع ذلك ، مع مرور الوقت ، تبدا الأسماك استكشاف نصفي العلوي والسفلي مع تردد شبه متساوية12. علاج البالغين المصابين بالمخدرات المعروفة للحد من القلق يسبب الأسماك لاستكشاف علي الفور النصف العلوي10,13. وعلي العكس من ذلك ، المخدرات التي تزيد من القلق تسبب الأسماك لإظهار تفضيل قوي للنصف السفلي من الخزان12،14،15. التالي ، انخفاض الاستكشاف وتفضيل النصف السفلي من الخزان هي مؤشرات بسيطه وموثوق بها من الإجهاد.
مثل معظم الفقاريات ، ويحرك الاستجابات الإجهاد في الأسماك عن طريق تفعيل محور طائي-الغدة النخامية بين الكلي (hpi ؛ مماثله لطائي-الغدة النخامية-الكظرية [HPA] محور في الثدييات)14,16. طائي الخلايا العصبية التعبير عن هرمون corticotropin الإفراج عن هرمون (CRH) اشاره إلى الغدة النخامية, الذي بدوره النشرات كظر الإفراج عن هرمون (ACTH). Acth ثم إشارات إلى الغدة الكلوية لإنتاج وإفراز الكورتيزول ، والتي لديها عدد من الأهداف المصب16، واحد منهم يجري ردود فعل سلبيه من الخلايا العصبية طائي المنتجة crh3،17، 18,19.
هنا ، ونحن وصف طريقه لتقييم الإجراءات السلوكية من الإجهاد الفطري. للسلوك ، ونحن التفاصيل البروتوكولات باستخدام رواية دبابات اختبار الغوص12،14. ثم نثبت ، علي سبيل المثال ، ان دواء مزيل القلق المعروف ، buspirone ، يقلل من التدابير السلوكية للإجهاد.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zebrafish يحمل استجابه قويه الإجهاد في دبابة جديده
هنا ، ونحن وصف نهج سلوكي بسيط لفحص الاستجابات الإجهاد في zebrafish الكبار ، والتحقق من صحة النهج كمقياس بسيط من الإجهاد باستخدام علم الصيدلة.
اختبار دبابات الرواية هو اختبار يستخدم علي نطاق واسع لفحص الإجهاد الفطري في الزرد و…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل بتمويل من مبادرة كوكب المشتري للعلوم الحياتية في جامعه فلوريدا اتلانتيك إلى ERD و ACK. وكان هذا العمل مدعوما أيضا بمنح R21NS105071 (منحت إلى ACK و ERD) و R15MH118625 (منحت إلى ERD) من المعاهد الوطنية للصحة.
Materials
| Camera | We use Point Grey Grasshopper3 USB camera with lens from Edmund Optics. | ||
| Infrared filter | Edmund Optics | ||
| Video Acquisition Program | Use programs such as Virtualdub or FlyCapture because the acquisition framerate can be set. | ||
| Infrared LED lights | |||
| Assay tank | Aquaneering | Part number ZT180 | Size: M3 1.8 liter |
| Stand and clamp, or standard tripod for camera | |||
| 250mL beaker | |||
| Tracking software | We use Ethovision XT 13 from Noldus Information Technology | ||
| Buspirone chloride | Sigma-Aldrich | B7148 | |
| Randomized trial generator | We use the RANDBETWEEN function in Microsoft Excel |
References
- McEwen, B. S. Stress, adaptation, and disease. Allostasis and allostatic load. Annals of the New York Academy of Sciences. 840, 33-44 (1998).
- Tovote, P., Fadok, J. P., Lüthi, A. Neuronal circuits for fear and anxiety. Nature Reviews Neuroscience. 16 (6), 317-331 (2015).
- Facchinello, N., et al. Nr3c1 null mutant zebrafish are viable and reveal DNA-binding-independent activities of the glucocorticoid receptor. Scientific Reports. 7 (4371), (2017).
- Ziv, L., et al. An affective disorder in zebrafish with mutation of the glucocorticoid receptor. Molecular Psychiatry. , (2013).
- Grone, B. P., Maruska, K. P. Divergent evolution of two corticotropin-releasing hormone (CRH) genes in teleost fishes. Frontiers in Neuroscience. , (2015).
- Fuller, P. J., Lim-Tio, S. S., Brennan, F. E. Specificity in mineralocorticoid versus glucocorticoid action. Kidney International. , (2000).
- Zhdanova, I. V. Sleep and its regulation in zebrafish. Reviews in the Neurosciences. 22 (1), 27-36 (2011).
- Patton, E. E., Zon, L. I. The art and design of genetic screens: zebrafish. Nature Reviews Genetics. , (2001).
- Duboué, E. R. E. R., Hong, E., Eldred, K. C. K. C., Halpern, M. E. M. E. Left Habenular Activity Attenuates Fear Responses in Larval Zebrafish. Current Biology. 27 (14), 2154-2162 (2017).
- Facchin, L., Duboue, E. R., Halpern, M. E. Disruption of Epithalamic Left-Right Asymmetry Increases Anxiety in Zebrafish. Journal of Neuroscience. 35 (48), 15847-15859 (2015).
- Øverli, &. #. 2. 1. 6. ;., Sørensen, C., Nilsson, G. E. Behavioral indicators of stress-coping style in rainbow trout: Do males and females react differently to novelty. Physiology and Behavior. , (2006).
- Levin, E. D., Bencan, Z., Cerutti, D. T. Anxiolytic effects of nicotine in zebrafish. Physiology & behavior. 90 (1), 54-58 (2007).
- Bencan, Z., Sledge, D., Levin, E. D. Buspirone, chlordiazepoxide and diazepam effects in a zebrafish model of anxiety. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 94 (1), 75-80 (2009).
- Cachat, J., et al. Measuring behavioral and endocrine responses to novelty stress in adult zebrafish. Nature Protocols. 5 (11), 1786-1799 (2010).
- Mathuru, A. S., et al. Chondroitin fragments are odorants that trigger fear behavior in fish. Current Biology. , (2012).
- Alsop, D., Vijayan, M. The zebrafish stress axis: Molecular fallout from the teleost-specific genome duplication event. General and Comparative Endocrinology. , (2009).
- Evans, A. N., Liu, Y., MacGregor, R., Huang, V., Aguilera, G. Regulation of Hypothalamic Corticotropin-Releasing Hormone Transcription by Elevated Glucocorticoids. Molecular Endocrinology. , (2013).
- Fenoglio, K. A., Brunson, K. L., Avishai-Eliner, S., Chen, Y., Baram, T. Z. Region-specific onset of handling-induced changes in corticotropin- releasing factor and glucocorticoid receptor expression. Endocrinology. , (2004).
- Liposits, Z., et al. Ultrastructural localization of glucocorticoid receptor (GR) in hypothalamic paraventricular neurons synthesizing corticotropin releasing factor (CRF). Histochemistry. , (1987).
- Facchin, L., Duboué, E. R., Halpern, M. E. Disruption of epithalamic left-right asymmetry increases anxiety in Zebrafish. Journal of Neuroscience. 35 (48), (2015).
- Chin, J. S., et al. Convergence on reduced stress behavior in the Mexican blind cavefish. Biologie du développement. , (2018).
- Wong, K., et al. Analyzing habituation responses to novelty in zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 208 (2), 450-457 (2010).
- Matsunaga, W., Watanabe, E. Habituation of medaka (Oryzias latipes) demonstrated by open-field testing. Behavioural Processes. 85 (2), 142-150 (2010).
- Walker, C. Chapter 3 Haploid Screens and Gamma-Ray Mutagenesis. Methods in Cell Biology. , (1998).
- Rihel, J., et al. Zebrafish behavioral profiling links drugs to biological targets and rest/wake regulation. Science. 327, 348-351 (2010).
- Peal, D. S., Peterson, R. T., Milan, D. Small molecule screening in zebrafish. Journal of Cardiovascular Translational Research. , (2010).
- Murphey, R., Zon, L. Small molecule screening in the zebrafish. Methods. 39 (3), 255-261 (2006).
- Gammans, R. E., et al. Use of buspirone in patients with generalized anxiety disorder and coexisting depressive symptoms. A meta-analysis of eight randomized, controlled studies. Neuropsychobiology. 25 (4), 193-201 (1992).
- Maaswinkel, H., Zhu, L., Weng, W. The immediate and the delayed effects of buspirone on zebrafish (Danio rerio) in an open field test: A 3-D approach. Behavioural Brain Research. , (2012).
- Gebauer, D. L., et al. Effects of anxiolytics in zebrafish: Similarities and differences between benzodiazepines, buspirone and ethanol. Pharmacology Biochemistry and Behavior. , (2011).
- Maximino, C., et al. Fingerprinting of psychoactive drugs in zebrafish anxiety-like behaviors. PLoS ONE. , (2014).
- Horváth, J., Barkóczi, B., Müller, G., Szegedi, V. Anxious and nonanxious mice show similar hippocampal sensory evoked oscillations under urethane anesthesia: Difference in the effect of buspirone. Neural Plasticity. , (2015).
- Costall, B., Kelly, M. E., Naylor, R. J., Onaivi, E. S. Actions of buspirone in a putative model of anxiety in the mouse. Pharm Pharmacol. 40 (7), 494-500 (1988).
- Barros, M., Mello, E. L., Huston, J. P., Tomaz, C. Behavioral effects of buspirone in the marmoset employing a predator confrontation test of fear and anxiety. Pharmacology Biochemistry and Behavior. , (2001).
- Heinen-Kay, J. L., et al. Predicting multifarious behavioural divergence in the wild. Animal Behaviour. 121, 3-10 (2016).
- Thompson, R. R. J., Paul, E. S., Radford, A. N., Purser, J., Mendl, M. Routine handling methods affect behaviour of three-spined sticklebacks in a novel test of anxiety. Behavioural Brain Research. 306, 26-35 (2016).
- Hamilton, T. J., et al. Establishing zebrafish as a model to study the anxiolytic effects of scopolamine. Scientific Reports. , (2017).
- York, R. A., Fernald, R. D. The Repeated Evolution of Behavior. Frontiers in Ecology and Evolution. 4, 143 (2017).
- Jakka, N. M., Rao, T. G., Rao, J. V. Locomotor behavioral response of mosquitofish (Gambusia affinis) to subacute mercury stress monitored by video tracking system. Drug and Chemical Toxicology. , (2007).
- Hu, C. K., Brunet, A. The African turquoise killifish: A research organism to study vertebrate aging and diapause. Aging Cell. , (2018).
- Maximino, C., et al. Measuring anxiety in zebrafish: A critical review. Behavioural Brain Research. 214 (2), 157-171 (2010).
- Maximino, C., Marques de Brito, T., Dias, C. A. G., Gouveia, A., Morato, S. Scototaxis as anxiety-like behavior in fish. Nature protocols. 5 (2), 209-216 (2010).
- Godwin, J., Sawyer, S., Perrin, F., Oxendine, S., Kezios, Z. Adapting the Open Field Test to assess anxiety related behavior in zebrafish. Zebrafish Protocols for Neurobehavioral Research. , 181-189 (2012).
- Agetsuma, M., et al. The habenula is crucial for experience-dependent modification of fear responses in zebrafish. Nature Neuroscience. 13 (11), 1354-1356 (2010).
- Valente, A., Huang, K. H., Portugues, R., Engert, F. Ontogeny of classical and operant learning behaviors in zebrafish. Learning and Memory. , (2012).
- Baker, M. R., Goodman, A. C., Santo, J. B., Wong, R. Y. Repeatability and reliability of exploratory behavior in proactive and reactive zebrafish, Danio rerio. Scientific Reports. , (2018).
- Friedrich, R. W., Genoud, C., Wanner, A. A. Analyzing the structure and function of neuronal circuits in zebrafish. Frontiers in Neural Circuits. , 7 (2013).
- Friedrich, R. W., Jacobson, G. A., Zhu, P. Circuit Neuroscience in Zebrafish. Current Biology. 20 (8), (2010).
- Marquart, G. D., et al. A 3D Searchable Database of Transgenic Zebrafish Gal4 and Cre Lines for Functional Neuroanatomy Studies. Frontiers in Neural Circuits. , (2015).
- Randlett, O., et al. Whole-brain activity mapping onto a zebrafish brain atlas. Nature Methods. 12 (11), 1039-1046 (2015).
- Gupta, T., et al. Morphometric analysis and neuroanatomical mapping of the zebrafish brain. Methods. 1046 (18), 30011-30012 (2018).
- Marquart, G. D., et al. High-precision registration between zebrafish brain atlases using symmetric diffeomorphic normalization. GigaScience. , (2017).
- Ronneberger, O., et al. ViBE-Z: A framework for 3D virtual colocalization analysis in zebrafish larval brains. Nature Methods. , (2012).
- Subedi, A., et al. Adoption of the Q transcriptional regulatory system for zebrafish transgenesis. Methods. 66 (3), 433-440 (2014).
- Scheer, N., Campos-Ortega, J. A. Use of the Gal4-UAS technique for targeted gene expression in the zebrafish. Mechanisms of Development. 80 (2), 153-158 (1999).
- Chatterjee, D., Tran, S., Shams, S., Gerlai, R. A Simple Method for Immunohistochemical Staining of Zebrafish Brain Sections for c-fos Protein Expression. Zebrafish. , (2015).
