Shuttle Box Assay como herramienta de aprendizaje asociativo para la evaluación cognitiva en estudios de aprendizaje y memoria utilizando pez cebra adulto
Summary
El aprendizaje y la memoria son métricas potentes en el estudio de los deterioros cognitivos del desarrollo, dependientes de enfermedades o inducidos por el medio ambiente. La mayoría de las evaluaciones cognitivas requieren equipo especializado y amplios compromisos de tiempo. Sin embargo, el ensayo de caja de transporte es una herramienta de aprendizaje asociativo que utiliza una caja de gel convencional para una evaluación rápida y confiable de la cognición del pez cebra adulto.
Abstract
Los déficits cognitivos, incluidos los problemas de aprendizaje y memoria, son un síntoma principal de diversas enfermedades neurodegenerativas relacionadas con el desarrollo y la edad y la lesión cerebral traumática (LCT). El pez cebra es un modelo importante de neurociencia debido a su transparencia durante el desarrollo y sus sólidas capacidades regenerativas después del neurotrauma. Si bien existen varias pruebas cognitivas en el pez cebra, la mayoría de las evaluaciones cognitivas que son rápidas examinan el aprendizaje no asociativo. Al mismo tiempo, los ensayos de aprendizaje asociativo a menudo requieren varios días o semanas. Aquí, describimos una prueba rápida de aprendizaje asociativo que utiliza un estímulo adverso (descarga eléctrica) y requiere un tiempo de preparación mínimo. El ensayo de la caja de transporte, presentado aquí, es simple, ideal para investigadores novatos y requiere un equipo mínimo. Demostramos que, después de una LCT, esta prueba de caja de transporte evalúa de manera reproducible el déficit cognitivo y la recuperación de peces cebra jóvenes a viejos. Además, el ensayo es adaptable para examinar la memoria inmediata o retardada. Demostramos que tanto una sola LCT como los eventos repetidos de LCT afectan negativamente el aprendizaje y la memoria inmediata, pero no la memoria retardada. Por lo tanto, concluimos que el ensayo de la caja del transbordador rastrea de manera reproducible la progresión y la recuperación del deterioro cognitivo.
Introduction
El aprendizaje y la memoria se utilizan rutinariamente como métricas de deterioro cognitivo, que ocurre debido al envejecimiento, enfermedades neurodegenerativas o lesiones. Las lesiones cerebrales traumáticas (LCT) son la lesión más común que resulta en déficits cognitivos. Las LCT son de creciente preocupación debido a su asociación con varios trastornos neurodegenerativos, como la demencia frontotemporal y la enfermedad de Parkinson1,2. Además, el aumento de las agregaciones beta-amiloides observadas en algunos pacientes con LCT sugiere que también puede estar asociado con el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer3,4. Las LCT a menudo son el resultado de un traumatismo por fuerza contundente y abarcan una variedad de gravedades5, siendolas lesiones cerebrales leves (miTBI) las más comunes. Sin embargo, los miTBIs a menudo no se informan y se diagnostican erróneamente porque resultan en deficiencias cognitivas menores durante un corto período, y los individuos lesionados generalmente se recuperan por completo6. En contraste, los eventos repetidos de miTBI han sido una preocupación creciente porque es altamente prevalente en adultos jóvenes y de mediana edad, puede acumularse con el tiempo7,puede afectar el desarrollo cognitivo y exacerbar las enfermedades neurodegenerativas1,2,3,4,5,similar a las personas que experimentan una LCT moderada o grave8.
El pez cebra(Danio rerio)es un modelo útil para explorar una variedad de temas en neurociencia, incluida la capacidad de regenerar neuronas perdidas o dañadas en todo el sistema nervioso central9,10,11,12,13. La regeneración neuronal también se demostró en el telencéfalo, que contiene el archipalio en la región dorsal-interna. Esta región neuroanatómica es análoga al hipocampo y es probable que sea necesaria para la cognición en peces y para la memoria de corto tiempo en humanos14,15,16. Además, el comportamiento del pez cebra ha sido ampliamente caracterizado y catalogado17. El aprendizaje ha sido estudiado a través de diversas técnicas, entre ellas la habituación a la respuesta de sobresalto18,que puede representar una forma rápida de aprendizaje no asociativo cuando se realiza en bloques cortos y con atención al rápido tiempo de decaimiento19. Se utilizan pruebas más complejas de aprendizaje asociativo, como T-boxes, laberintos plus y discriminación visual20,21, pero a menudo consumen mucho tiempo, requieren días o semanas de preparación y dependen de cardúmenes o refuerzo positivo. Aquí, describimos un paradigma rápido para evaluar tanto el aprendizaje asociativo como la memoria inmediata o retardada. Este ensayo de caja de lanzadera utiliza un estímulo aversivo y un condicionamiento de refuerzo negativo para evaluar los déficits cognitivos y la recuperación después de una LCT de fuerza contundente. Demostramos que el pez cebra adulto de control no dañado (8-24 meses) aprende de manera reproducible a evitar la luz roja dentro de los 20 ensayos (<20 minutos de evaluación) en la caja del transbordador, con un alto grado de consistencia entre los observadores. Además, utilizando la caja lanzadera demostramos que las habilidades de aprendizaje y memoria en adultos (8-24 meses de edad) son consistentes y son útiles para analizar la cognición con deficiencias significativas entre diferentes severidades de TBI o TBI repetidas. Además, este método podría emplearse rápidamente como una métrica para rastrear una amplia gama de progresiones de la enfermedad o la eficacia de las intervenciones farmacológicas que afectan el mantenimiento o la recuperación de la cognición en el pez cebra adulto.
Aquí, proporcionamos una visión general instructiva de una evaluación cognitiva rápida que puede examinar tanto el aprendizaje asociativo complejo (sección 1) como la memoria en términos de memoria inmediata y retardada. Este paradigma proporciona una evaluación de la memoria a corto y largo plazo de una tarea cognitiva asociativa aprendida (sección 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
El deterioro cognitivo puede tener un impacto significativo y negativo en la calidad de vida. Debido a la mayor visibilidad y ocurrencia de conmociones cerebrales y lesiones cerebrales traumáticas en toda la población, es importante comprender cómo causan deterioro cognitivo y cómo se puede minimizar o revertir el daño. Por estas razones, los organismos modelo que pueden ser probados para el deterioro cognitivo juegan un papel crítico en estos estudios. Los roedores han sido durante mucho tiempo el modelo principal…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a los miembros del laboratorio Hyde por sus discusiones reflexivas y a los técnicos del Centro de Ciencias de la Vida Freimann para el cuidado y la cría del pez cebra. Este trabajo fue apoyado por el Centro de Investigación del Pez Cebra de la Universidad de Notre Dame, el Centro de Células Madre y Medicina Regenerativa de la Universidad de Notre Dame, y subvenciones del Instituto Nacional del Ojo de NIH R01-EY018417 (DRH), el Programa de Becas de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias (JTH), LTC Neil Hyland Fellowship de Notre Dame (JTH), Sentinels of Freedom Fellowship (JTH), y la Beca Pat Tillman (JTH). Figura 1 realizada 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 |
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).
