المكوك مربع المقايسة كأداة التعلم النقابي للتقييم المعرفي في التعلم ودراسات الذاكرة باستخدام حمار وحشي الكبار
Summary
التعلم والذاكرة هي مقاييس قوية في دراسة إما النمو، تعتمد على المرض، أو الإعاقات المعرفية الناجمة بيئيا. تتطلب معظم التقييمات المعرفية معدات متخصصة والتزامات زمنية واسعة النطاق. ومع ذلك ، فإن المقايسة المكوكية هي أداة تعلم ارتباطية تستخدم صندوق هلام تقليدي لتقييم سريع وموثوق به لإدراك حمار وحشي بالغ.
Abstract
العجز المعرفي، بما في ذلك ضعف التعلم والذاكرة، هي الأعراض الرئيسية لمختلف الأمراض العصبية التنموية والسن ذات الصلة وإصابات الدماغ الرضية (TBI). حمار وحشي هي نموذج مهم لعلم الأعصاب نظرا لشفافيتها أثناء التنمية وقدرات تجديدية قوية بعد الصدمة العصبية. في حين أن الاختبارات المعرفية المختلفة موجودة في حمار وحشي، فإن معظم التقييمات المعرفية التي يتم فحصها بسرعة التعلم غير النقابي. وفي الوقت نفسه، غالبا ما تتطلب عمليات الفحص للتعلم النقابي عدة أيام أو أسابيع. هنا، نقوم بوصف اختبار التعلم النقابي السريع الذي يستخدم التحفيز السلبي (الصدمة الكهربائية) ويتطلب الحد الأدنى من وقت التحضير. إن المقايسة المكوكية، المعروضة هنا، بسيطة ومثالية للمحققين المبتدئين، وتتطلب الحد الأدنى من المعدات. ونحن نثبت أنه، بعد TBI، هذا الاختبار مربع المكوك يقيم بشكل مستنسخ العجز المعرفي والانتعاش من حمار وحشي الشباب إلى كبار السن. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إجراء الفحص لفحص الذاكرة الفورية أو المتأخرة. نحن نثبت أن كلا من TBI واحد وأحداث TBI المتكررة تؤثر سلبا على التعلم والذاكرة الفورية ولكن لا تأخير الذاكرة. ولذلك، نستنتج أن صندوق المكوك يتتبع بشكل مستنسخ تطور وانتعاش الضعف الإدراكي.
Introduction
يتم استخدام التعلم والذاكرة بشكل روتيني كمقاييس لضعف الإدراك ، والذي يحدث بسبب الشيخوخة أو الأمراض العصبية أو الإصابة. إصابات الدماغ الرضية (TBIs) هي الإصابة الأكثر شيوعا التي تؤدي إلى العجز المعرفي. TBIs هي مصدر قلق متزايد بسبب ارتباطها مع العديد من الاضطرابات العصبية، مثل الخرف الجبهي الصدغي ومرض باركنسون1،2. وبالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة تراكم بيتا اميلويد لوحظ في بعض المرضى TBI تشير إلى أنه قد يكون مرتبطا أيضا مع تطور مرض الزهايمر3،4. TBIs غالبا ما تكون نتيجة لصدمة القوة الحادة وتمتد مجموعة من الخطورة5, مع إصابات الدماغ خفيفة (miTBI) كونها الأكثر شيوعا. ومع ذلك، غالبا ما يتم الإبلاغ عن miTBIs وسوء تشخيصها لأنها تؤدي إلى ضعف إدراكي طفيف لفترة قصيرة فقط، وعادة ما يتعافى الأفراد المصابون بشكل كامل6. في المقابل، كانت أحداث miTBI المتكررة مصدر قلق متزايد لأنها منتشرة بشكل كبير في البالغين الصغار ومتوسطي العمر، ويمكن أن تتراكم مع مرور الوقت7،ويمكن أن تضعف النمو المعرفي، وتفاقم الأمراض العصبية1و2و3و4و5، على غرار الأفراد الذين يعانون إما TBI معتدلة أو شديدة8.
Zebrafish (Danio rerio) هو نموذج مفيد لاستكشاف مجموعة متنوعة من الموضوعات في علم الأعصاب ، بما في ذلك القدرة على تجديد الخلايا العصبية المفقودة أو التالفة في جميع أنحاء الجهاز العصبي المركزي9،10،11،12،13. كما تجلى التجديد العصبي في telencephalon، الذي يحتوي على الأرتشيباليوم في المنطقة الظهرية الداخلية. هذه المنطقة التشريحية العصبية مماثلة للقرن آمون ومن المرجح أن تكون مطلوبة للإدراك في الأسماك وللذاكرة القصيرة في البشر14،15،16. وعلاوة على ذلك، وقد تم وصف سلوك حمار وحشي على نطاق واسع وفهرسة17. وقد درس التعلم من خلال تقنيات مختلفة، بما في ذلك التعود على استجابةالذهول 18،والتي يمكن أن تمثل شكلا سريعا من التعلم غير النقابي عند تنفيذها في كتل قصيرة ومع الاهتمام بوقت الاضمحلال السريع19. وتستخدم اختبارات أكثر تعقيدا من التعلم النقابي، مثل صناديق تي، بالإضافة إلى متاهات، والتمييز البصري20،21 ولكن غالبا ما تستغرق وقتا طويلا، وتتطلب أيام أو أسابيع من التحضير، والاعتماد على المياه الضحلة أو التعزيز الإيجابي. هنا، نقوم بوصف نموذج سريع لتقييم كل من التعلم النقابي والذاكرة الفورية أو المتأخرة. يستخدم هذا المقايسة مربع المكوك حافزا عكسيا وتكييف التعزيز السلبي لتقييم العجز المعرفي والانتعاش بعد TBI قوة حادة. ونحن نثبت أن السيطرة غير التالفة حمار وحشي الكبار (8-24 شهرا) تتعلم بشكل مستنسخ لتجنب الضوء الأحمر في غضون 20 تجربة (<20 دقيقة من التقييم) في مربع المكوك، مع درجة عالية من الاتساق عبر المراقبين. بالإضافة إلى ذلك ، باستخدام مربع المكوك نثبت أن قدرات التعلم والذاكرة عبر البالغين (8-24 شهرا) متسقة ومفيدة للإدراك المقايسة مع ضعف كبير بين شدة TBI مختلفة أو TBI المتكررة. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام هذه الطريقة بسرعة كمقياس لتتبع مجموعة واسعة من تطور المرض أو فعالية التدخلات الدوائية التي تؤثر على الحفاظ على الإدراك أو استعادته في سمك الحمار الوحشي البالغ.
هنا، نقدم نظرة عامة تعليمية للتقييم المعرفي السريع الذي يمكن أن يدرس كل من التعلم الترابطي المعقد (القسم 1) والذاكرة من حيث الذاكرة الفورية والمتأخرة على حد سواء. ويقدم هذا النموذج تقييما للذاكرة القصيرة والطويلة الأجل لمهمة معرفية ارتباطية متعلمة (القسم 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
يمكن أن يؤثر الضعف الإدراكي بشكل كبير وسلبي على جودة الحياة. بسبب زيادة الرؤية وحدوث الارتجاج وإصابات الدماغ الرضية في جميع أنحاء السكان ، من المهم أن نفهم كيف تسبب ضعف الإدراك وكيف يمكن تقليل الضرر أو عكسه. لهذه الأسباب، تلعب الكائنات الحية النموذجية التي يمكن اختبارها للتدهور المعرفي د?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يشكروا أعضاء مختبر هايد على مناقشاتهم المدروسة وفنيي مركز فرايمان لعلوم الحياة على رعاية وتربية سمك الحمار الوحشي. تم دعم هذا العمل من قبل مركز أبحاث زيبرافيش في جامعة نوتردام، ومركز الخلايا الجذعية والطب التجديدي في جامعة نوتردام، والمنح المقدمة من المعهد الوطني للعيون في NIH R01-EY018417 (DRH)، وبرنامج زمالة أبحاث الدراسات العليا التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم (JTH)، وزمالة LTC نيل هايلاند من نوتردام (JTH)، زمالة حراس الحرية (JTH)، ومنحة بات تيلمان (JTH). الشكل 1 المصنوع من 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. Developmental Biology. 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. Neuroscience. 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. Developmental Biology. 295 (1), 263-277 (2006).
