Shuttle Box Assay als een associatief leermiddel voor cognitieve beoordeling bij leer- en geheugenstudies met behulp van volwassen zebravissen

Leren en geheugen worden routinematig gebruikt als metrieken van cognitieve stoornissen, die optreedt als gevolg van veroudering, neurodegeneratieve ziekte of letsel. Traumatisch hersenletsel (TBI’s) is het meest voorkomende letsel dat resulteert in cognitieve tekorten. TBI’s zijn van groeiende zorg vanwege hun associatie met verschillende neurodegeneratieve aandoeningen, zoals frontotemporale dementie en de ziekte van Parkinson^1,2. Bovendien suggereren de verhoogde bèta-amyloïde aggregaties waargenomen bij sommige TBI-patiënten dat het ook geassocieerd kan zijn met de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer^3,4. TBI’s zijn vaak het resultaat van stomp krachttrauma en omvatten een reeks ernst⁵, waarbij mild hersenletsel (miTBI) de meest voorkomende is. MiTBIs worden echter vaak niet gerapporteerd en verkeerd gediagnosticeerd omdat ze slechts voor een korte periode resulteren in kleine cognitieve stoornissen en de gewonde personen meestal volledig herstellen⁶. Daarentegen zijn herhaalde miTBI-gebeurtenissen een groeiende zorg omdat het veel voorkomt bij jonge en middelbare volwassenen, zich in de loop van de tijd kan ophopen⁷, de cognitieve ontwikkeling kan schaden en neurodegeneratieve ziekten kanverergeren^1,2,3,4,5,vergelijkbaar met personen die een matige of ernstige TBI ervaren⁸.

Zebravis (Danio rerio) is een nuttig model voor het verkennen van een verscheidenheid aan onderwerpen in de neurowetenschappen, waaronder het vermogen om verloren of beschadigde neuronen in het centrale zenuwstelsel te regenereren^{9,10,11,12,13}. Neurale regeneratie werd ook aangetoond in het telencephalon, dat het archipallium in het dorsaal-binnenste gebied bevat. Dit neuroanatomische gebied is analoog aan de hippocampus en is waarschijnlijk nodig voor cognitie bij vissen en voor het korte-tijd geheugen bij mensen^14,15,16. Verder is het gedrag van zebravissen uitgebreid gekarakteriseerd en gecatalogiseerd¹⁷. Leren is bestudeerd door middel van verschillende technieken, waaronder gewenning aan de schrikreactie¹⁸, die een snelle vorm van niet-associatief leren kan vertegenwoordigen wanneer het wordt uitgevoerd in korte blokken en met aandacht voor de snelle vervaltijd¹⁹. Meer complexe tests van associatief leren, zoals T-boxen, plus-doolhoven en visuele discriminatie^20,21 worden gebruikt, maar zijn vaak tijdrovend, vereisen dagen of weken voorbereiding en vertrouwen op scholen of positieve bekrachtiging. Hier beschrijven we een snel paradigma om zowel associatief leren als onmiddellijk of vertraagd geheugen te beoordelen. Deze shuttle box assay maakt gebruik van een aversieve stimulus en negatieve versterking conditionering om cognitieve tekorten en herstel na stompe kracht TBI te beoordelen. We tonen aan dat onbeschadigde controle volwassen zebravissen (8-24 maanden) reproduceerbaar leren om het rode licht te vermijden binnen 20 proeven (<20 minuten beoordeling) in de shuttlebox, met een hoge mate van consistentie tussen waarnemers. Bovendien tonen we met behulp van de shuttlebox aan dat leer- en geheugenvaardigheden bij volwassenen (8-24 maanden oud) consistent zijn en nuttig zijn voor het testen van cognitie met significante stoornissen tussen verschillende TBI-ernst of herhaalde TBI. Bovendien kan deze methode snel worden gebruikt als een metriek om een breed scala aan ziekteprogressies of werkzaamheid van medicamenteuze interventies te volgen die van invloed zijn op het behoud of herstel van cognitie bij volwassen zebravissen.

Hier geven we een instructief overzicht van een snelle cognitieve beoordeling die zowel complex associatief leren (sectie 1) als geheugen kan onderzoeken in termen van zowel onmiddellijk als vertraagd geheugen. Dit paradigma biedt een beoordeling van het korte- en langetermijngeheugen van een aangeleerde associatieve cognitieve taak (sectie 2).