Shuttle Box Assay como uma ferramenta de aprendizagem associativa para avaliação cognitiva em estudos de aprendizagem e memória usando zebrafish adulto
Summary
A aprendizagem e a memória são métricas potentes no estudo de prejuízos cognitivos induzidos pelo desenvolvimento, dependentes de doenças ou ambientalmente. A maioria das avaliações cognitivas requer equipamentos especializados e compromissos de tempo extensos. No entanto, o ensaio da caixa de transporte é uma ferramenta de aprendizagem associativa que utiliza uma caixa de gel convencional para avaliação rápida e confiável da cognição de zebrafish adulto.
Abstract
Déficits cognitivos, incluindo aprendizagem e memória prejudicadas, são um sintoma primário de várias doenças neurodegenerativas relacionadas ao desenvolvimento e à idade e lesão cerebral traumática (TCE). O zebrafish é um importante modelo de neurociência devido à sua transparência durante o desenvolvimento e robustas capacidades regenerativas após o neurotrauma. Embora existam vários testes cognitivos em zebrafish, a maioria das avaliações cognitivas que são rapidamente examinam o aprendizado não associativo. Ao mesmo tempo, ensaios de aprendizagem associativa geralmente requerem vários dias ou semanas. Aqui, descrevemos um teste rápido de aprendizagem associativa que utiliza um estímulo adverso (choque elétrico) e requer um tempo mínimo de preparação. O ensaio da caixa de transporte, apresentado aqui, é simples, ideal para investigadores iniciantes, e requer equipamento mínimo. Demonstramos que, após o TBI, este teste de caixa de transporte avalia de forma reprodutifica o déficit cognitivo e a recuperação de zebrafish jovens a velhos. Além disso, o ensaio é adaptável para examinar a memória imediata ou atrasada. Demonstramos que tanto um único TBI quanto repetidos eventos TBI afetam negativamente o aprendizado e a memória imediata, mas não a memória atrasada. Concluímos, portanto, que o ensaio da caixa de transporte rastreia de forma reprodutível a progressão e a recuperação do comprometimento cognitivo.
Introduction
O aprendizado e a memória são rotineiramente usados como métricas de comprometimento cognitivo, o que acontece devido ao envelhecimento, doença neurodegenerativa ou lesão. Lesões cerebrais traumáticas (TBIs) são a lesão mais comum que resulta em déficits cognitivos. Os TBIs são de crescente preocupação devido à sua associação com diversos distúrbios neurodegenerativos, como demência frontotemporal e doença de Parkinson1,2. Além disso, o aumento das agregações beta-amilóides observadas em alguns pacientes com TCE sugerem que também pode estar associado ao desenvolvimento da doença de Alzheimer3,4. As TBIs são frequentemente o resultado de um trauma de força bruta e abrangem uma série de gravidades5, com lesões cerebrais leves (miTBI) sendo as mais comuns. No entanto, os miTBIs são muitas vezes não relatados e mal diagnosticados porque resultam em pequenos prejuízos cognitivos por apenas um curto período, e os indivíduos feridos geralmente se recuperam plenamente6. Em contraste, os repetidos eventos miTBI têm sido uma preocupação crescente, pois é altamente prevalente em adultos jovens e de meia-idade, pode se acumular ao longo do tempo7, pode prejudicar o desenvolvimento cognitivo e exacerbar doenças neurodegenerativas1,2,3,4,5, semelhantes a indivíduos que experimentam um TBI8moderado ou grave .
O zebrafish (Danio rerio) é um modelo útil para explorar uma variedade de tópicos na neurociência, incluindo a capacidade de regenerar neurônios perdidos ou danificados em todo o sistema nervoso central9,10,11,12,13. A regeneração neural também foi demonstrada no telencephalon, que contém o arquepião na região dorsal-interior. Esta região neuroanatomética é análoga ao hipocampo e é provavelmente necessária para cognição em peixes e para a memória de curto tempo em humanos14,15,16. Além disso, o comportamento dos zebrafish tem sido amplamente caracterizado e catalogado17. A aprendizagem tem sido estudada por meio de diversas técnicas, incluindo a habituação à resposta do início18,que pode representar uma forma rápida de aprendizagem não associativa quando realizada em blocos curtos e com atenção ao rápido tempo de decadência19. Testes mais complexos de aprendizagem associativa, como caixas T, mais labirintos e discriminação visual20,21 sãousados,mas muitas vezes são demorados, exigem dias ou semanas de preparação e dependem de cardumes ou reforço positivo. Aqui, descrevemos um paradigma rápido para avaliar tanto o aprendizado associativo quanto a memória imediata ou atrasada. Este ensaio da caixa de transporte usa um estímulo aversivo e condicionamento de reforço negativo para avaliar déficits cognitivos e recuperação após tbi de força bruta. Demonstramos que o zebrafish adulto de controle não danificado (8-24 meses) aprende reproduivelmente a evitar a luz vermelha dentro de 20 ensaios (<20 minutos de avaliação) na caixa de transporte, com um alto grau de consistência entre os observadores. Além disso, usando a caixa de transporte demonstramos que as habilidades de aprendizagem e memória em adultos (8-24 meses de idade) são consistentes e são úteis para avaliar a cognição com prejuízos significativos entre diferentes gravidades de TCE ou TBI repetidas. Além disso, este método poderia ser rapidamente empregado como uma métrica para rastrear uma ampla gama de progressões da doença ou eficácia de intervenções medicamentosas que impactam a manutenção ou recuperação da cognição em zebrafish adultos.
Aqui, fornecemos uma visão geral instrutiva de uma rápida avaliação cognitiva que pode examinar tanto o aprendizado associativo complexo (seção 1) quanto a memória em termos de memória imediata e retardada. Esse paradigma fornece uma avaliação da memória de curto e longo prazo de uma tarefa cognitiva associativa aprendida (seção 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
O comprometimento cognitivo pode impactar significativa e negativamente a qualidade de vida. Devido ao aumento da visibilidade e ocorrência de concussões e lesões cerebrais traumáticas em toda a população, é importante entender como causam comprometimento cognitivo e como os danos podem ser minimizados ou revertidos. Por essas razões, organismos modelo que podem ser testados para declínio cognitivo desempenham um papel crítico nesses estudos. Os roedores têm sido há muito tempo o modelo primário para investi…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer aos membros do laboratório Hyde por suas discussões pensativas e aos técnicos do Centro freimann de ciências da vida para cuidados e criação de zebrafish. Este trabalho foi apoiado pelo Centro de Pesquisa de Zebrafish da Universidade de Notre Dame, pelo Centro de Células-Tronco e Medicina Regenerativa da Universidade de Notre Dame, e bolsas do National Eye Institute of NIH R01-EY018417 (DRH), do National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (JTH), LTC Neil Hyland Fellowship of Notre Dame (JTH), Sentinelas da Sociedade da Liberdade (JTH) e a Bolsa Pat Tillman (JTH). Figura 1 feita com 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 |
Referências
- 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. Biologia do Desenvolvimento. 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. Neurociência. 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. Biologia do Desenvolvimento. 295 (1), 263-277 (2006).
