Shuttle Box Assay als assoziatives Lernwerkzeug zur kognitiven Beurteilung in Lern- und Gedächtnisstudien mit erwachsenen Zebrafischen

Lernen und Gedächtnis werden routinemäßig als Metriken für kognitive Beeinträchtigungen verwendet, die aufgrund von Alterung, neurodegenerativen Erkrankungen oder Verletzungen auftreten. Traumatische Hirnverletzungen (TBIs) sind die häufigsten Verletzungen, die zu kognitiven Defiziten führen. TBIs sind aufgrund ihrer Assoziation mit mehreren neurodegenerativen Erkrankungen wie frontotemporaler Demenz und Parkinson-Krankheit¹,^2vonwachsender Besorgnis. Darüber hinaus deuten die erhöhten Beta-Amyloid-Aggregationen, die bei einigen TBI-Patienten beobachtet wurden, darauf hin, dass es auch mit der Entwicklung der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden kann^3,4. TBIs sind oft das Ergebnis eines stumpfen Gewalttraumas und umfassen eine Reihe von Schweregraden⁵, wobei leichte Hirnverletzungen (miTBI) am häufigsten sind. MiTBIs werden jedoch oft nicht gemeldet und falsch diagnostiziert, da sie nur für kurze Zeit zu geringfügigen kognitiven Beeinträchtigungen führen und die verletzten Personen sich in der Regel vollständig erholen⁶. Im Gegensatz dazu sind wiederholte miTBI-Ereignisse ein wachsendes Problem, da sie bei jungen und mittleren Erwachsenen weit verbreitet sind, sich im Laufe der Zeit ansammeln können^7,die kognitive Entwicklung beeinträchtigen und neurodegenerative Erkrankungen verschlimmern^{können 1,2,3,4,5}, ähnlich wie Personen, die entweder einen moderaten oder schweren TBI⁸haben .

Zebrafisch (Danio rerio) ist ein nützliches Modell für die Erforschung einer Vielzahl von Themen in den Neurowissenschaften, einschließlich der Fähigkeit, verlorene oder beschädigte Neuronen im gesamten zentralen Nervensystem zu regenerieren^{9,10,11,12,13}. Neuronale Regeneration wurde auch im Telencephalon nachgewiesen, das das Archipallium im dorsal-inneren Bereich enthält. Diese neuroanatomische Region ist analog zum Hippocampus und wird wahrscheinlich für die Kognition bei Fischen und für das Kurzzeitgedächtnis beim Menschen benötigt^14,15,16. Darüber hinaus wurde das Verhalten von Zebrafischen umfassend charakterisiert und katalogisiert¹⁷. Das Lernen wurde durch verschiedene Techniken untersucht, einschließlich der Gewöhnung an die Schreckreaktion¹⁸, die eine schnelle Form des nicht-assoziativen Lernens darstellen kann, wenn sie in kurzen Blöcken und unter Berücksichtigung der schnellen Zerfallszeit durchgeführt wird¹⁹. Komplexere Tests des assoziativen Lernens, wie T-Boxen, Plus-Labyrinthe und visuelle Unterscheidung^20,21 werden verwendet, sind aber oft zeitaufwendig, erfordern Tage oder Wochen der Vorbereitung und sind auf Untiefe oder positive Verstärkung angewiesen. Hier beschreiben wir ein schnelles Paradigma, um sowohl assoziatives Lernen als auch sofortiges oder verzögertes Gedächtnis zu bewerten. Dieser Shuttle-Box-Assay verwendet einen aversiven Reiz und eine negative Verstärkungskonditionierung, um kognitive Defizite und die Genesung nach stumpfem TBI zu beurteilen. Wir zeigen, dass unbeschädigte erwachsene Zebrafische (8-24 Monate) innerhalb von 20 Versuchen (<20 min Bewertung) in der Shuttle-Box reproduzierbar lernen, das rote Licht zu vermeiden, mit einem hohen Maß an Konsistenz über Beobachter hinweg. Darüber hinaus zeigen wir mit der Shuttle-Box, dass die Lern- und Gedächtnisfähigkeiten bei Erwachsenen (8-24 Monate alt) konsistent sind und nützlich sind, um Kognition mit signifikanten Beeinträchtigungen zwischen verschiedenen TBI-Schweregraden oder wiederholten TBI zu testen. Darüber hinaus könnte diese Methode schnell als Metrik eingesetzt werden, um eine breite Palette von Krankheitsverläufen oder die Wirksamkeit von Arzneimittelinterventionen zu verfolgen, die sich auf die Aufrechterhaltung oder Wiederherstellung der Kognition bei erwachsenen Zebrafischen auswirken.

Hier geben wir einen lehrmäßigen Überblick über eine schnelle kognitive Bewertung, die sowohl komplexes assoziatives Lernen (Abschnitt 1) als auch das Gedächtnis sowohl im Hinblick auf das unmittelbare als auch auf das verzögerte Gedächtnis untersuchen kann. Dieses Paradigma bietet eine Bewertung des Kurz- und Langzeitgedächtnisses einer erlernten assoziativen kognitiven Aufgabe (Abschnitt 2).