המשימה ההתנהגותית של בחירה תלת-תאית באמצעות דג זברה כמערכת מודל
Summary
אנו מציגים תא התנהגותי שנועד להעריך את הביצועים הקוגניטיביים. אנו מספקים נתונים המראים כי לאחר שנרכשו, דגי זברה זוכרים את המשימה 8 שבועות לאחר מכן. אנו גם מראים כי דגי זברה היפרגליקמיים שינו את הביצועים הקוגניטיביים, מה שמצביע על כך שפרדיגמה זו חלה על מחקרים המעריכים קוגניציה וזיכרון.
Abstract
מחלות ניווניות הן תלויות גיל, מתישות וחשוכות מרפא. דיווחים אחרונים יש גם בקורלציה היפרגליקמיה עם שינויים בזיכרון ו/או פגיעה קוגניטיבית. שינינו ופיתחנו משימה קוגניטיבית של בחירה תלת-תאית דומה לזו ששימשה עם מכרסמים לשימוש עם דגי זברה היפרגליקמיים. תא הבדיקה מורכב מתא התחלה במיקום מרכזי ושני תאי בחירה משני הצדדים, עם להקת קונסולים המשמשת כפרס. אנו מספקים נתונים המראים כי לאחר שנרכשו, דגי זברה זוכרים את המשימה לפחות 8 שבועות לאחר מכן. הנתונים שלנו מצביעים על כך שדגי זברה מגיבים בחוזקה לתגמול זה, וזיהינו ליקויים קוגניטיביים בדגים היפרגליקמיים לאחר 4 שבועות של טיפול. בדיקת התנהגות זו עשויה להיות ישימה גם למחקרים אחרים הקשורים לקוגניציה וזיכרון.
Introduction
מחלות ניווניות הן תלויות גיל, מתישות וחשוכות מרפא. מחלות אלה גדלות בשכיחות, וכתוצאה מכך צורך דחוף לשפר ולפתח אסטרטגיות טיפוליות חדשות. הפעלה והצגה של כל מחלה היא ייחודית, שכן חלק משפיעים על אזורים של שפה, מוטורית ואוטונומית במוח, בעוד שאחרים גורמים לגירעונות למידה ואובדן זיכרון1. בעיקר, ליקויים קוגניטיביים ו /או ליקוי הם הסיבוכים הנפוצים ביותר על פני כל המחלות הנוירודגנרטיביות2. בתקווה לשפוך אור על המנגנונים הבסיסיים המעורבים במחלות ניווניות אלה, הועסק השימוש במערכות מודלים רבות ושונות (כולל אורגניזמים חד-תאיים לדרוזופילה לחולייתנים בעלי סדר גבוה יותר כגון מכרסמים ובני אדם); עם זאת, רוב המחלות הנוירודגנרטיביות נשארות חשוכות מרפא.
למידה וזיכרון הם תהליכים שמורים מאוד בקרב אורגניזמים כמו שינויים מתמידים בסביבה דורשים הסתגלות3. ליקוי הן בקוגניציה והן בפלסטיות סינפטית הוכח במספר דגמי מכרסמים. באופן ספציפי, בדיקות התנהגותיות מבוססות היטב להשתמש בלמידה אסוציאטיבית כדי להעריך שינויים קוגניטיביים בעקבות מחלות והפרעות שונות הנגרמות על ידי ליקויים4. בנוסף, היפוך אפליה מנוגדת מעריך ליקויים קוגניטיביים מכיוון שהוא כרוך בתפקודי למידה וזיכרון מסדר גבוה יותר, וההיפוך תלוי בעיכוב של אסוציאציה שנלמדה בעבר. משימת הבחירה בת שלושת התאים הנפוצה מרחיבה ליקויים אפשריים במסלולי הלמידה והזיכרון של מערכת העצבים המרכזית5,6. לאחרונה, תחום זה התרחב וכלל מודלים שאינם יונקים, כגון דגיזברה (דניו ריו),שכן מספר פרדיגמות פותחו במשך מגוון גילאים מזחלים למבוגרים7,8.
דגי זברה מספקים איזון בין מורכבות ופשטות היתרון להערכת ליקויים קוגניטיביים בטכניקות התנהגותיות. ראשית, דגי זברה מקובלים על סינון התנהגותי בעל תפוקה גבוהה בהתחשב בגודלם הקטן ובאופי הרבייה הפורה שלהם. שנית, דגי זברה מחזיקים במבנה, הפליום לרוחב, אשר מקביל להיפוקמפוס היונקים מכיוון שיש לו סמנים עצביים דומים וסוגי תאים7. דגי זברה מסוגלים גם לרכוש ולזכור מידע מרחבי9, וכמו בני אדם, הם יומי10. לכן, אין זה מפתיע כי דגי זברה משמשים כמודל למחלות ניווניות בתדירות הולכת וגוברת. עם זאת, היעדר בדיקות התנהגותיות מתאימות הקשה על יישום מודל דגי הזברה להערכות קוגניטיביות. עבודה שפורסמה באמצעות בדיקות התנהגותיות ספציפיות לזברה כוללות משימות למידה אסוציאטיביות11, התנהגות חרדה12,זיכרון13, זיהוי אובייקט14,והעדפת מקום מותנית15,16,17,18,19. למרות שהיו התפתחויות רבות ביחס לבדיקות התנהגותיות של דגי זברה, עמיתים לכמה מבחנים של תפקודים קוגניטיביים במכרסמים טרם פותחו לשימוש עם דג זברה18.
בהתבסס על מחקרים קודמים מהמעבדה שלנו, דגמנו/פיתחנו משימה קוגניטיבית בדגי זברה המבוססת על משימת הבחירה בת שלושת התאים המשמשת מכרסמים המשתמשים באינטראקציה חברתית כפרס. בנוסף, הרחבנו על היבט הלמידה אסוציאטיבית של המשימה ההתנהגותית ושילבנו היפוך אפליה ניגודיות בתקווה להמשיך ולפתח משימה התנהגותית זו להערכת פגיעה קוגניטיבית. זה איפשר לנו לבחון הן את הרכישה הראשונית של למידת האפליה והן את העיכוב הבא של למידה זו בשלב ההיפוך. במחקר הנוכחי, אנו מדגימים כי הליך זה סיפק שיטה אמינה להערכת התפקוד הקוגניטיבי בדגי זברה לאחר טבילת גלוקוז במשך 4 או 8 שבועות.
Protocol
Representative Results
Discussion
למרות שחלה צמיחה עצומה בכמות ובמגוון המחקרים במדעי המוח שבוצעו באמצעות דגי זברה ב -15 השנים האחרונות24, התקפות התנהגותיות חסרות במין זה בהשוואה למערכות מודל יונקים11,25,26. כאן, אנו מראים כי משימת בחירה של שלושה תאים שפותחה לשימוש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לסברינה ג’ונס על עזרתה בהתאמת פרדיגמת בחירה תלת-תאית של מכרסם לדוגמנית דגי הזברה ולג’רמי פופוביץ ואליסון מורק על עזרתם בימי איסוף התנהגות, סיוע בניסויי ריצה, טיפול בבעלי חיים והגדרת טנקים. תודה מיוחדת גם לג’יימס מ. פורבס (מהנדס מכונות) על עזרתו בתכנון ובנייה של טנק בחירה תלת-תאית.
מימון: VPC ו-TLD קיבלו מענק תמיכה מחקרי בפקולטה (FRSG) מהמכללה האמריקאית לאמנויות ולמדעים. CJR קיבל תמיכה מהקולג’ האמריקאי לאמנויות ומדעים תמיכה בסטודנטים לתארים מתקדמים.
Materials
| Champion Sports Stopwatch Timer Set: Waterproof, Handheld Digital Clock Sport Stopwatches with Large Display for Kids or Coach – Bright Colored 6 Pack | Amazon | N/A | https://www.amazon.com/Champion-Sports-910SET-Stopwatch-Timer/dp/B001CD9LJK/ref=sr_1_17?dchild=1&keywords=stopwatch+for+sports&qid=1597081570&sr=8-17 Recommend two of different colors; one for choice latency and one for time to completion |
| Coofficer Extra Large Binder Clips 2-Inch (24 Pack), Big Paper Clamps for Office Supplies, Black | Amazon | N/A | https://www.amazon.com/Coofficer-Binder-2-Inch-Clamps-Supplies/dp/B07C94YCR5/ref=sr_1_3_sspa?dchild=1&keywords=large+binder+clips&qid=1597081521&sr=8-3-spons&psc=1&spLa=ZW5jcnlwdGVkUXVhbGlmaWVyPUExUENWUTRZVjlIWEVPJmVuY3J5cHRlZElkPUEwNDQ5NDU0MlpSREkwTFlLSThVQiZlbmNyeXB0ZWRBZElkPUEwMTg5NDI3MllRV1EzOUdWTVpSOCZ3aWRnZXROYW1lPXNwX2F0ZiZhY3Rpb249Y2xpY2tSZWRpcmVjdCZkb05vdExvZ0NsaWNrPXRydWU= |
| Marineland® Silicone Aquarium Sealant | Petsmart | Item #2431002 | |
| PVC (Polyvinyl Chloride) Sheet, Opaque Gray, Standard Tolerance, UL 94/ASTM D1784, 0.125" Thickness, 12" Width, 24" Length | Amazon | N/A | https://www.amazon.com/Polyvinyl-Chloride-Standard-Tolerance-Thickness/dp/B000MAMGEQ/ref=sr_1_2?dchild=1&keywords=grey+PVC+sheet&qid=1597081440&sr=8-2 |
| Steelworks 1/4-in W x 8-ft L Mill Finished Aluminum Weldable Trim U-shaped Channel | Lowes | Item #55979Model #11377 | https://www.lowes.com/pd/Steelworks-1-4-in-W-x-8-ft-L-Mill-Finished-Aluminum-Weldable-Trim-Channel/3058181 |
| Tetra 10 Gallon Fish tank | Petsmart | Item #5271256 | |
| Top Fin Fine Mesh Fish Net (3 in) | Petsmart | Item #5175115 |
References
- Gitler, A. D., Dhillon, P., Shorter, J. Neurodegenerative disease: models, mechanisms, and a new hope. Disease Models & Mechanisms. 10, 499-502 (2017).
- Perry, R. J., Watson, P., Hodges, J. R. The nature and staging of attention dysfunction in early (minimal and mild) Alzheimer’s disease: relationship to episodic and semantic memory impairment. Neuropsychologia. 38, 252-271 (2000).
- Gerlai, R. Learning and memory in zebrafish (Danio rerio). Methods in Cell Biology. 134, (2016).
- Davidson, T. L., et al. The effects of a high-energy diet on hippocampal-dependent discrimination performance and blood-brain barrier integrity differ for diet-induced obese and diet-resistant rats. Physiology and Behavior. 107, 26-33 (2012).
- Yang, M., Silverman, J. L., Crawley, J. N. Automated three-chambered social approach task for mice. Current Protocols in Neuroscience. 56 (1), (2011).
- Remmelink, E., Smit, A. B., Verhage, M., Loos, M. Measuring discrimination- and reversal learning in mouse models within 4 days and without prior food deprivation. Learning and Memory. 23, 660-667 (2016).
- Salas, C., et al. Neuropsychology of learning and memory in teleost fish. Zebrafish. 3, 157-171 (2006).
- Kalueff, A. V., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10, 70-86 (2013).
- Luchiaria, A. C., Salajanb, D. C., Gerlai, R. Acute and chronic alcohol administration: Effects on performance of zebrafish in a latent learning task. Behavior Brain Research. 282, 76-83 (2015).
- Fadool, J., Dowling, J. Zebrafish: A model system for the study of eye genetics. Progress in Retinal and Eye Research. 27, 89-110 (2008).
- Fernandes, Y. M., Rampersad, M., Luchiari, A. C., Gerlai, R. Associative learning in the multichamber tank: A new learning paradigm for zebrafish. Behavioural Brain Research. 312, 279-284 (2016).
- Reider, M., Connaughton, V. P. Developmental exposure to methimazole increases anxiety behavior in zebrafish. Behavioral Neuroscience. , (2015).
- Capiotti, K. M., et al. Hyperglycemia induces memory impairment linked to increased acetylcholinesterase activity in zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 274, 319-325 (2014).
- May, Z., et al. Object recognition memory in zebrafish. Behavioural Brain Research. 296, 199-210 (2016).
- Mathur, P., Lau, B., Guo, S. Conditioned place preference behavior in zebrafish. Nature Protocols. 6, 338-345 (2011).
- Guo, S. Linking genes to brain, behavior and neurological diseases: What can we learn from zebrafish. Genes, Brain and Behavior. 3, 63-74 (2004).
- Kily, L. J. M., et al. Gene expression changes in a zebrafish model of drug dependency suggest conservation of neuro-adaptation pathways. Journal of Experimental Biology. 211, 1623-1634 (2008).
- Webb, K. J., et al. Zebrafish reward mutants reveal novel transcripts mediating the behavioral effects of amphetamine. Genome Biology. 10, (2009).
- Clayman, C. L., Malloy, E. J., Kearns, D. N., Connaughton, V. P. Differential behavioral effects of ethanol pre-exposure in male and female zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 335, 174-184 (2017).
- Ruhl, T., et al. Acute administration of THC impairs spatial but not associative memory function in zebrafish. Psychopharmacology. 231, 3829-3842 (2014).
- Gellermann, L. W. Chance orders of alternating stimuli in visual discrimination experiments. The Pedagogical Seminary and Journal of Genetic Psychology. 42, 206-208 (1933).
- Gleeson, M., Connaughton, V., Arneson, L. S. Induction of hyperglycaemia in zebrafish (Danio rerio) leads to morphological changes in the retina. Acta Diabetologica. 44, 157-163 (2007).
- Connaughton, V. P., Baker, C., Fonde, L., Gerardi, E., Slack, C. Alternate immersion in an external glucose solution differentially affects blood sugar values in older versus younger zebrafish adults. Zebrafish. 13, 87-94 (2016).
- Goldsmith, J. R., Jobin, C. Think small: Zebrafish as a model system of human pathology. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2012, 817341 (2012).
- Kalueff, A. V., Stewart, A. M., Gerlai, R., Court, P. Zebrafish as an emerging model for studying complex brain disorders. Trends in Pharmacological Sciences. 35, 63-75 (2014).
- Gerlai, R. Associative learning in zebrafish (Danio rerio). Methods in cell biology. 101, 249-270 (2011).
