Approches comportementales pour étudier le stress inné dans le Zébrafish
Summary
Ce manuscrit décrit une méthode simple pour mesurer le stress comportemental chez le zébrafish adulte. L’approche profite de la tendance innée que le zébrafish préfèrent la moitié inférieure d’un réservoir quand dans un État stressant. Nous décrivons également les méthodes de couplage du dosage avec la pharmacologie.
Abstract
La réponse appropriée aux stimuli stressants est essentielle pour la survie d’un organisme. Des recherches approfondies ont été menées sur un large éventail de maladies liées au stress et de troubles psychiatriques, mais d’autres études sur la régulation génétique et neuronale du stress sont encore nécessaires pour développer de meilleurs traitements thérapeutiques. Le zébrafish fournit un modèle génétique puissant pour enquêter sur les fondements neuronaux du stress, car il existe une grande collection de lignées mutantes et transgéniques. En outre, la pharmacologie peut facilement être appliquée à la zébrafish, car la plupart des médicaments peuvent être ajoutés directement à l’eau. Nous décrivons ici l’utilisation du «test du nouveau réservoir» comme une méthode pour étudier les réponses innées du stress chez le zébrafish, et démontrer comment les médicaments anxiolytiques potentiels peuvent être validés en utilisant le dosage. La méthode peut facilement être couplée avec des lignées de zébrafish qui constituent des mutations génétiques, ou celles dans lesquelles des approches transgéniques pour manipuler des circuits neuronaux précis sont utilisées. Le dosage peut également être utilisé dans d’autres modèles de poissons. Ensemble, le protocole décrit devrait faciliter l’adoption de ce dosage simple à d’autres laboratoires.
Introduction
Les réactions de stress sont altérées des États comportementaux et physiologiques résultant de stimuli potentiellement nocifs ou aversifs. Les réponses au stress sont conservées dans tout le règne animal et sont essentielles pour la survie d’un organisme1. Des décennies de recherche ont grandement élargi notre connaissance de certains des mécanismes génétiques et neuronaux sous-jacents aux États de stress. Aujourd’hui, les zones du cerveau telles que l’amygdale et le striatum2, et les facteurs génétiques tels que l’hormone de libération de la corticotropine (CRH), et les récepteurs glucocorticoïdes (GR) et mineralocorticoïdes ( m.) ont été étudiés intensivement3,4,5,6. Malgré ces résultats critiques, beaucoup reste inconnu au sujet de la régulation génétique et neuronale du stress. En tant que tel, de nombreux troubles liés au stress souffrent d’un manque de thérapeutique.
Les organismes modèles génétiquement amendables fournissent un outil utile dans l’étude du contrôle génétique et neuronale du comportement. Les modèles de poissons, en particulier, sont extrêmement puissants: ils sont de petits organismes avec des temps de génération courte, leur utilisation dans un cadre de laboratoire est facile, leurs génomes sont facilement modifiés, et, en tant que vertébrés, ils partagent non seulement génétique, mais aussi neuroanatomique homologie avec leurs homologues mammaliens7,8. Les dosages standard pour mesurer la contrainte peuvent être couplés avec des lignées de zébrafish qui sont des mutations génétiques, ou celles dans lesquelles la manipulation de sous-ensembles neuronaux précis est possible, et les effets de gènes isolés ou de neurones définis peuvent être évalués rapidement et efficacement.
Comportemental, les réponses au stress peuvent être caractérisées chez les poissons comme des périodes d’hyper-activité ou des périodes prolongées d’inactivité (semblable au «gel»)9, exploration réduite10, respiration rapide, réduction de l’apport alimentaire11, et a place-préférence pour le fond d’un réservoir12. Par exemple, lorsqu’ils sont placés dans un réservoir inconnu, le poisson-zèbre adulte et d’autres petits modèles de poissons montrent une préférence initiale pour la moitié inférieure du réservoir, mais, au fil du temps, les poissons commencent à explorer les moitiés supérieure et inférieure avec une fréquence presque égale à12. Traitement des adultes avec des médicaments connus pour réduire l’anxiété causer des poissons à explorer immédiatement la moitié supérieure10,13. Inversement, les médicaments qui augmentent l’anxiété causent le poisson à montrer une forte préférence pour la moitié inférieure du réservoir12,14,15. Ainsi, l’exploration et la préférence réduites pour la moitié inférieure du réservoir sont des indicateurs de stress simples et fiables.
Comme la plupart des vertébrés, les réactions de stress chez les poissons sont stimulés par l’activation de l’axe hypothalamo-hypophysaire-inter-rénal (HPI; analogue à l’axe hypothalamo-hypophysaire-surrénalien [hPa] chez les mammifères)14,16. Les neurones hypothalamiques exprimant l’hormone de libération de la corticotrophine (CRH) du signal à l’hypophyse, qui à son tour libère l’hormone de libération adrénocorticotrope (ACTH). ACTH signale ensuite à la glande inter-rénale de produire et de sécréter le cortisol, qui a un certain nombre de cibles en aval16, l’un d’eux étant la rétroaction négative des neurones hypothalamiques de production de CRH3,17, 18,19.
Ici, nous décrivons une méthode pour évaluer les mesures comportementales du stress inné. Pour le comportement, nous détaillons les protocoles en utilisant le nouvel essai de plongée de réservoir12,14. Nous démontrons ensuite, à titre d’exemple, qu’un médicament anxiolytique connu, la buspirone, réduit les mesures comportementales du stress.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le zebrafish présente une réaction de stress solide dans un nouveau char
Ici, nous décrivons une approche comportementale simple pour examiner les réponses au stress chez les adultes zebrafish, et valider l’approche comme une simple mesure du stress en utilisant la pharmacologie.
Le test du nouveau réservoir est un test largement utilisé pour examiner le stress inné chez le zébrafish et d’autres espèces de poissons12,<sup class="xref"…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été appuyé par le financement de la Jupiter Life Science Initiative à la Florida Atlantic University à ERD et ACK. Ces travaux ont également été soutenus par des subventions R21NS105071 (attribuées à l’ACK et à la ERD) et R15MH118625 (attribuées à la Dre) par les instituts nationaux de la santé.
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. Developmental Biology. , (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).
