מעבורת Box Assay ככלי למידה אסוציאטיבי להערכה קוגניטיבית בלימודי למידה וזיכרון באמצעות דגי זברה למבוגרים
Summary
למידה וזיכרון הם מדדים חזקים בחקר ליקויים קוגניטיביים התפתחותיים, תלויי מחלות או הנגרמים על ידי הסביבה. רוב ההערכות הקוגניטיביות דורשות ציוד מיוחד והתחייבויות זמן נרחבות. עם זאת, תיבת המעבורת היא כלי למידה אסוציאטיבי המשתמש בתיבת ג’ל קונבנציונלית להערכה מהירה ואמינה של קוגניציה של דגי זברה בוגרים.
Abstract
ליקויים קוגניטיביים, כולל למידה לקויה וזיכרון, הם סימפטום עיקרי למחלות ניווניות התפתחותיות וגיליות שונות ופגיעה מוחית טראומטית (TBI). דגי זברה הם מודל חשוב למדעי המוח בשל השקיפות שלהם במהלך הפיתוח ויכולות התחדשות חזקות בעקבות נוירוטרומה. בעוד שמבחנים קוגניטיביים שונים קיימים בדגי זברה, רוב ההערכות הקוגניטיביות הבוחנות במהירות למידה לא אסוציאטיבית. יחד עם זאת, אסוציאטיבי-למידה אסוציאטיבית לעתים קרובות דורשים מספר ימים או שבועות. כאן, אנו מתארים מבחן אסוציאטיבי-למידה מהיר המשתמש בגירוי שלילי (הלם חשמלי) ודורש זמן הכנה מינימלי. בדיקת תיבת המעבורת, המוצגת כאן, היא פשוטה, אידיאלית לחוקרים מתחילים, ודורשת ציוד מינימלי. אנו מדגימים כי בעקבות TBI, מבחן תיבת מעבורת זה מעריך באופן פורה גירעון קוגניטיבי והתאוששות מדגי זברה צעירים לזקנים. בנוסף, הבחינה מותאמת לבדיקת זיכרון מיידי או מעוכב. אנו מדגימים כי הן TBI יחיד ואירועי TBI חוזרים על עצמם משפיעים לרעה על הלמידה ועל הזיכרון המיידי אך לא על זיכרון מושהה. אנו, אם כן, מסיקים כי תיבת המעבורת מבחן באופן פוריות עוקב אחר ההתקדמות וההתאוששות של פגיעה קוגניטיבית.
Introduction
למידה וזיכרון משמשים באופן שגרתי כמדדים של פגיעה קוגניטיבית, אשר קורה עקב הזדקנות, מחלה ניווניות, או פציעה. פגיעות מוחיות טראומטיות (TBIs) הן הפציעה הנפוצה ביותר שגורמת לגירעונות קוגניטיביים. שחפים הם של דאגה גוברת בגלל הקשר שלהם עם כמה הפרעות ניווניות, כגון דמנציה פרונטוטמפוראלית ומחלת פרקינסון1,2. בנוסף, צבירה מוגברת בטא עמילואיד שנצפו בחלק מחולי TBI מציע כי זה עשוי להיות קשור גם להתפתחות של מחלתאלצהיימר 3,4. שחפים הם לעתים קרובות תוצאה של טראומה קהה כוח משתרעים על פני מגוון של חומרות5, עם פגיעות מוח קלות (miTBI) להיות הנפוץ ביותר. עם זאת, miTBIs לעתים קרובות לא מדווחים ואובחנו לא נכון כי הם גורמים ליקויים קוגניטיביים קלים לתקופה קצרה בלבד, ואת הפצועים בדרך כלל להתאושש באופן מלא6. לעומת זאת, אירועי miTBI חוזרים ונשנים היו דאגה גוברת מכיוון שהיא נפוצה מאוד אצל מבוגרים צעירים ובינוניים, יכולה להצטבר לאורך זמן7, יכול לפגוע בהתפתחות הקוגניטיבית, ולהחמיר מחלות ניווניות1,2,3,4,5, בדומה לאנשים שחווים TBI8בינוני או חמור .
דג זברה(דניו rerio) הוא מודל שימושי לחקר מגוון נושאים במדעי המוח, כולל היכולת לחדש נוירונים אבודים או פגומים ברחבי מערכת העצבים המרכזית9,10,11,12,13. התחדשות עצבית הודגמה גם בטלנספלון, המכיל את הארכיפלג באזור הפנימי-עורי. אזור נוירואנטומי זה מקביל להיפוקמפוס וסביר להניח שהוא נדרש לקוגניציה בדגים ולזיכרון בזמן קצר בבני אדם14,15,16. יתר על כן, התנהגות דגי הזברה התאפיינה בהרחבה וקוטלגה17. למידה נחקרה באמצעות טכניקות שונות, כולל הרגלה לתגובה הבהלה18, אשר יכול לייצג צורה מהירה של למידה לא אסוציאטיבית כאשר מבוצעת בלוקים קצרים עם תשומת לב לזמן הריקבון המהיר19. מבחנים מורכבים יותר של למידה אסוציאטיבית, כגון T-boxes, פלוס מבוכים, ואפליה חזותית20,21 משמשים אך לעתים קרובות הם גוזלים זמן רב, דורשים ימים או שבועות של הכנה, ולהסתמך על shoaling או חיזוק חיובי. כאן, אנו מתארים פרדיגמה מהירה להערכת למידה אסוציאטיבית וזיכרון מיידי או מתעכב. בדיקת תיבת מעבורת זו משתמשת בגירוי מרתיעה והתניה חיזוק שלילית כדי להעריך ליקויים קוגניטיביים והתאוששות בעקבות TBI בוטה כוח. אנו מדגימים כי דגי זברה בוגרים שאינם ניזוקו (8-24 חודשים) לומדים באופן פורה להימנע מהאור האדום בתוך 20 ניסויים (<20 דקות של הערכה) בתיבת המעבורת, עם רמה גבוהה של עקביות על פני משקיפים. בנוסף, באמצעות תיבת המעבורת אנו מדגימים כי יכולות למידה וזיכרון על פני מבוגר (8-24 חודשים) הן עקביות ומועילות לבדיקת קוגניציה עם ליקויים משמעותיים בין חומרות TBI שונות או TBI חוזרות ונשנות. יתר על כן, שיטה זו יכולה להיות מועסקת במהירות כמדד כדי לעקוב אחר מגוון רחב של התקדמות המחלה או יעילות של התערבויות סמים המשפיעות על תחזוקה או התאוששות של קוגניציה בדגי זברה בוגרים.
כאן, אנו מספקים סקירה מנחה של הערכה קוגניטיבית מהירה שיכולה לבחון הן למידה אסוציאטיבית מורכבת (סעיף 1) והן מבחינת זיכרון מעוכב. פרדיגמה זו מספקת הערכה של הזיכרון לטווח קצר וארוך של משימה קוגניטיבית אסוציאטיבית מלומדת (סעיף 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
פגיעה קוגניטיבית יכולה להשפיע באופן משמעותי ושלילי על איכות החיים. בשל הנראות המוגברת וההתרחשות של זעזועי מוח ופגיעות מוחיות טראומטיות בכל האוכלוסייה, חשוב להבין כיצד הם גורמים לפגיעה קוגניטיבית וכיצד ניתן למזער או להפוך את הנזק. מסיבות אלה, מודל אורגניזמים שניתן לבדוק עבור ירידה קוגניט…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות לחברי המעבדה של הייד על הדיונים המהורהרים שלהם ולטכנאי המרכז למדעי החיים של פריימן על טיפול וגידוד דגי זברה. עבודה זו נתמכה על ידי המרכז לחקר דגי זברה באוניברסיטת נוטרדאם, המרכז לתאי גזע ורפואה רגנרטיבית באוניברסיטת נוטרדאם, ומענקים ממכון העיניים הלאומי של NIH R01-EY018417 (DRH), תוכנית מלגת המחקר לתואר שני של הקרן הלאומית למדע (JTH), מלגת LTC ניל היילנד מנוטרדאם (JTH), זקיפים של מלגת חופש (JTH) ומלגת פט טילמן (JTH). איור 1 שנעשה עם 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. 발생학. 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. 신경과학. 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. 발생학. 295 (1), 263-277 (2006).
