Shuttle Box Assay come strumento di apprendimento associativo per la valutazione cognitiva negli studi sull'apprendimento e sulla memoria utilizzando Zebrafish adulto
Summary
L’apprendimento e la memoria sono metriche potenti nello studio dei deficit cognitivi dello sviluppo, dipendenti dalla malattia o indotti dall’ambiente. La maggior parte delle valutazioni cognitive richiede attrezzature specializzate e lunghi impegni di tempo. Tuttavia, il test shuttle box è uno strumento di apprendimento associativo che utilizza una scatola di gel convenzionale per una valutazione rapida e affidabile della cognizione del pesce zebra adulto.
Abstract
I deficit cognitivi, tra cui l’apprendimento e la memoria compromessi, sono un sintomo primario di varie malattie neurodegenerative legate allo sviluppo e all’età e lesioni cerebrali traumatiche (TBI). I pesci zebra sono un importante modello di neuroscienze grazie alla loro trasparenza durante lo sviluppo e alle robuste capacità rigenerative dopo il neurotrauma. Mentre esistono vari test cognitivi nel pesce zebra, la maggior parte delle valutazioni cognitive che sono rapide esaminano l’apprendimento non associativo. Allo stesso tempo, i test di apprendimento associativo spesso richiedono più giorni o settimane. Qui, descriviamo un test di apprendimento associativo rapido che utilizza uno stimolo avverso (scossa elettrica) e richiede un tempo di preparazione minimo. Il test della scatola navetta, presentato qui, è semplice, ideale per gli investigatori alle prime armi e richiede attrezzature minime. Dimostriamo che, dopo TBI, questo shuttle box test valuta in modo riproducibile il deficit cognitivo e il recupero dal pesce zebra giovane a quello vecchio. Inoltre, il test è adattabile per esaminare la memoria immediata o ritardata. Dimostriamo che sia un singolo TBI che ripetuti eventi TBI influenzano negativamente l’apprendimento e la memoria immediata, ma non la memoria ritardata. Pertanto, concludiamo che il test shuttle box traccia in modo riproducibile la progressione e il recupero del deterioramento cognitivo.
Introduction
L’apprendimento e la memoria sono abitualmente usati come metriche del deterioramento cognitivo, che si verifica a causa dell’invecchiamento, delle malattie neurodegenerative o delle lesioni. Le lesioni cerebrali traumatiche (TBI) sono la lesione più comune che si traduce in deficit cognitivi. I TBI sono di crescente preoccupazione a causa della loro associazione con diversi disturbi neurodegenerativi, come la demenza frontotemporale e il morbo di Parkinson1,2. Inoltre, l’aumento delle aggregazioni di beta-amiloide osservato in alcuni pazienti con TBI suggerisce che potrebbe anche essere associato allo sviluppo della malattia di Alzheimer3,4. I TBI sono spesso il risultato di traumi da forza contundente e coprono una gamma di gravità5, con lievi lesioni cerebrali (miTBI) che sono le più comuni. Tuttavia, i miTBI sono spesso non segnalati e diagnosticati erroneamente perché provocano lievi disturbi cognitivi solo per un breve periodo e gli individui feriti di solito guariscono completamente6. Al contrario, gli eventi ripetuti di miTBI sono stati una preoccupazione crescente perché è altamente prevalente negli adulti giovani e di mezza età, può accumularsi nel tempo7, può compromettere lo sviluppo cognitivo ed esacerbare le malattie neurodegenerative1,2,3,4,5, simile agli individui che sperimentano un TBI8moderato o grave .
Zebrafish (Danio rerio) è un modello utile per esplorare una varietà di argomenti nelle neuroscienze, tra cui la capacità di rigenerare i neuroni persi o danneggiati in tutto il sistema nervoso centrale9,10,11,12,13. La rigenerazione neurale è stata dimostrata anche nel telencefalo, che contiene l’archipallio nella regione dorsale-interna. Questa regione neuroanatomica è analoga all’ippocampo ed è probabilmente necessaria per la cognizione nei pesci e per la memoria a breve termine negli esseri umani14,15,16. Inoltre, il comportamento del pesce zebra è stato ampiamente caratterizzato e catalogato17. L’apprendimento è stato studiato attraverso varie tecniche, tra cui l’assuefazione alla risposta di startle18,che può rappresentare una forma rapida di apprendimento non associativo se eseguito in blocchi brevi e con attenzione al tempo di decadimento rapido19. Test più complessi di apprendimento associativo, come T-box, plus-labirinti e discriminazione visiva20,21 sono usati, ma spesso richiedono tempo, richiedono giorni o settimane di preparazione e si basano su secche o rinforzi positivi. Qui, descriviamo un paradigma rapido per valutare sia l’apprendimento associativo che la memoria immediata o ritardata. Questo test shuttle box utilizza uno stimolo avversivo e un condizionamento di rinforzo negativo per valutare i deficit cognitivi e il recupero dopo TBI a forza smussata. Dimostriamo che il pesce zebra adulto di controllo non danneggiato (8-24 mesi) impara in modo riproducibile a evitare la luce rossa entro 20 prove (<20 minuti dalla valutazione) nella scatola della navetta, con un alto grado di coerenza tra gli osservatori. Inoltre, utilizzando la shuttle box dimostriamo che le capacità di apprendimento e memoria tra adulti (8-24 mesi) sono coerenti e sono utili per l'analisi cognitiva con compromissioni significative tra diverse gravità tbi o TBI ripetuti. Inoltre, questo metodo potrebbe essere rapidamente impiegato come metrica per tracciare una vasta gamma di progressioni della malattia o l'efficacia degli interventi farmacologici che influiscono sul mantenimento o sul recupero della cognizione nel pesce zebra adulto.
Qui, forniamo una panoramica didattica di una rapida valutazione cognitiva che può esaminare sia l’apprendimento associativo complesso (sezione 1) che la memoria in termini di memoria immediata e ritardata. Questo paradigma fornisce una valutazione della memoria a breve e lungo termine di un compito cognitivo associativo appreso (sezione 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Il deterioramento cognitivo può avere un impatto significativo e negativo sulla qualità della vita. A causa della maggiore visibilità e del verificarsi di commozioni cerebrali e lesioni cerebrali traumatiche in tutta la popolazione, è importante capire come causano il deterioramento cognitivo e come il danno può essere ridotto al minimo o invertito. Per questi motivi, gli organismi modello che possono essere testati per il declino cognitivo svolgono un ruolo fondamentale in questi studi. I roditori sono stati a lung…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare i membri del laboratorio Hyde per le loro discussioni ponderate e i tecnici del Freimann Life Sciences Center per la cura e l’allevamento dei pesci zebra. Questo lavoro è stato sostenuto dal Center for Zebrafish Research presso l’Università di Notre Dame, dal Center for Stem Cells and Regenerative Medicine presso l’Università di Notre Dame e da sovvenzioni del National Eye Institute del NIH R01-EY018417 (DRH), del National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (JTH), LTC Neil Hyland Fellowship di Notre Dame (JTH), Sentinels of Freedom Fellowship (JTH) e Pat Tillman Scholarship (JTH). Figura 1 realizzata con 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 |
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