تقييم القدرة على التحمل على السباحة وسلوك السباحة في أسماك الزرد البالغة
Summary
الزرد البالغ قادر على التعافي الوظيفي بعد إصابة الحبل الشوكي ، وهو نظام نموذجي رئيسي لتوضيح الآليات الفطرية للتجديد العصبي. هنا ، نصف اختبارات تحمل السباحة وسلوك السباحة كقراءات وظيفية لتجديد الحبل الشوكي.
Abstract
نظرا لقدرتها التجديدية الشهيرة ، تعد أسماك الزرد البالغة نموذجا رائدا للفقاريات لاستجواب آليات تجديد الحبل الشوكي الفطري. بعد الانتقال الكامل للحبل الشوكي ، تقوم أسماك الزرد بتمديد الجسور الدبقية والمحورية عبر الأنسجة المقطوعة ، وتجديد الخلايا العصبية القريبة من الآفة ، واستعادة قدراتها على السباحة في غضون 8 أسابيع من الإصابة. وبالتالي فإن استعادة وظيفة السباحة هي قراءة مركزية لإصلاح الحبل الشوكي الوظيفي. هنا ، نصف مجموعة من الفحوصات السلوكية لتحديد سعة محرك الزرد داخل نفق سباحة مغلق. الهدف من هذه الطرق هو توفير قياسات قابلة للقياس الكمي لقدرة التحمل على السباحة وسلوك السباحة في أسماك الزرد البالغة. من أجل تحمل السباحة ، تتعرض أسماك الزرد لسرعة تيار مائي متزايدة باستمرار حتى الإرهاق ، ويتم الإبلاغ عن الوقت عند الإرهاق. لتقييم سلوك السباحة ، تخضع أسماك الزرد لسرعات تيار منخفض ويتم التقاط مقاطع فيديو السباحة مع منظر ظهري للأسماك. توفر النسبة المئوية للنشاط وتردد الانفجار والوقت المستغرق ضد تيار الماء قراءات قابلة للقياس الكمي لسلوك السباحة. قمنا بقياس قدرة التحمل على السباحة وسلوك السباحة في أسماك الزرد البرية قبل الإصابة وبعد نقل الحبل الشوكي. وجدنا أن الزرد يفقد وظيفة السباحة بعد نقل الحبل الشوكي ويستعيد تدريجيا هذه القدرة بين 2 و 6 أسابيع بعد الإصابة. يمكن تطبيق الطرق الموصوفة في هذه الدراسة على الدراسات السلوكية العصبية والعضلية الهيكلية وتجديد العضلات الهيكلية والتجديد العصبي في أسماك الزرد البالغة.
Introduction
تستخدم أسماك الزرد البالغة بشكل بارز للتحقيق في آليات التطور العصبي العضلي والعضلي الهيكلي ونمذجة الأمراض1،2،3. الزرد قادرة على إصلاح فعال وعفوي للأنسجة المتعددة ، بما في ذلك الدماغ والحبل الشوكي والعضلات الهيكلية4،5،6،7. إن القدرة الرائعة على تجديد الأنسجة العصبية العضلية والأمراض النموذجية تجذب مجتمعا علميا متناميا إلى أبحاث أسماك الزرد البالغة 1،2،3. ومع ذلك ، في حين أن اختبارات الحركة وسلوك السباحة متاحة وموحدة لأسماك الزرد اليرقية ، هناك حاجة متزايدة لتطوير بروتوكولات مماثلة في الأسماك البالغة8،9،10،11. الهدف من هذه الدراسة هو وصف بروتوكولات لتحديد قدرة التحمل على السباحة وسلوك السباحة في أسماك الزرد البالغة. نقدم هذه البروتوكولات في سياق أبحاث تجديد الحبل الشوكي. ومع ذلك ، فإن البروتوكولات السلوكية الموصوفة هنا تنطبق بنفس القدر على دراسات التجديد العصبي والعضلات ، والتطور العصبي العضلي والعضلي الهيكلي ، وكذلك نمذجة الأمراض العصبية العضلية والعضلية الهيكلية.
الزرد عكس الشلل في غضون 8 أسابيع من نقل الحبل الشوكي الكامل. على عكس الثدييات سيئة التجدد ، تعرض أسماك الزرد استجابات للإصابات المناعية والعصبية والدبقية الداعمة للتجدد المطلوبة لإصلاح الحبل الشوكي الوظيفي 12،13،14. القراءة النهائية لإصلاح الحبل الشوكي الوظيفي هي قدرة الأنسجة المصابة على استعادة وظيفتها بعد الإصابة. تشمل مجموعة من الطرق الموحدة لتقييم التجديد الوظيفي في القوارض الاختبارات الحركية والحركية والحسية والحسية الحركية15،16،17. تشمل الاختبارات المستخدمة على نطاق واسع في إصابة الحبل الشوكي للفأر مقياس باسو للماوس الحركي (BMS) ، واختبارات حركية الأطراف الأمامية ، والاختبارات الحسية اللمسية ، واختبارات المشي الحسي الحركي الشبكي 15,17. وعلى النقيض من أنظمة أسماك الزرد الثديية أو اليرقات، فإن الاختبارات السلوكية في أسماك الزرد البالغة أقل تطورا، ولكنها مطلوبة بشدة لاستيعاب الاحتياجات المتزايدة لمجتمعات تجديد الأنسجة ونمذجة الأمراض.
يؤدي نقل الحبل الشوكي الكامل إلى شلل ذيلي كامل في موقع الإصابة. بعد فترة وجيزة من الإصابة ، تكون الحيوانات المشلولة أقل نشاطا وتتجنب السباحة قدر الإمكان. للتعويض عن القدرة المفقودة على السباحة ، تعرض الحيوانات المشلولة رشقات نارية قصيرة ومتكررة عن طريق الإفراط في استخدام زعانفها الصدرية ، والتي تقع على السطح للآفة. تؤدي استراتيجية السباحة التعويضية هذه إلى استنفاد سريع وانخفاض قدرة السباحة. مع تجدد الحبل الشوكي لسمك الزرد ، تستعيد الحيوانات وظيفة السباحة المتذبذبة الملساء الذيلية للآفة ، مما يسمح بزيادة القدرة على التحمل على السباحة وتحسين معلمات سلوك السباحة. هنا ، نصف طرقا لقياس قدرة أسماك الزرد على السباحة عند زيادة سرعات تيار الماء وسلوك السباحة بسرعات تيار منخفضة.
Protocol
Representative Results
Discussion
الزرد البالغ هو نظام فقاري شائع لنمذجة الأمراض البشرية ودراسة آليات تجديد الأنسجة. لقد أحدث تحرير الجينوم CRISPR/Cas9 ثورة في الدراسات الجينية العكسية لنمذجة المرض في أسماك الزرد. ومع ذلك، فإن التحديات البيولوجية والتقنية أعاقت علم الوراثة على نطاق واسع في أسماك الزرد البالغة، بما في ذلك عدم ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر الموارد المشتركة لأسماك الزرد بجامعة واشنطن لرعاية الحيوانات. تم دعم هذا البحث من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R01 NS113915 إلى M.H.M).
Materials
| AutoSwim software | Loligo Systems | MI10000 | Optional – for Automatic control of current velocity |
| Customized lid | Loligo Systems | MI10001 | This customized lid is used for swim endurance |
| DAQ-BT | Loligo Systems | SW10600 | Optional – for Automatic control of current velocity |
| Eheim pump | Loligo Systems | PU10160 | 20 L/min. This pump is placed in theflow-through tank. |
| Fiji | Fiji | Freely available through Image J (Fiji) | Specific script available at https://github.com/MokalledLab/SwimBehavior |
| Flowtherm | Loligo Systems | AC10000 | Handheld digital flow meter – for calibration |
| High Speed Camera | Loligo Systems | VE10380 | USB 3.0 color video camera (4MP) |
| IR light panel | Loligo Systems | VE10775 | 450 x 210 mm, placed under the swim tunnel chamber |
| Monofocal lens | Loligo Systems | VE10388 | 25mm manual lens |
| PVC Tubing | VWR | 60985-534 | 5/16 x 7/16" Wall thickness: 1/16" |
| R Studio | R Studio | Freely available. Version 3.6 with extra packages. | Specific script available at https://github.com/MokalledLab/SwimBehavior |
| Swim tunnel respirometer | Loligo Systems | SW10060 | 5L (120V/60Hz). The system includes the swim chamber, motor, manual control of water current velocity, 1 pump placed inside the chamber, standard swim tunnel lid for swim behavior, and modified swim tunnel lid for calibration |
| uEye Cockpit | IDS | Freely available software to control camera parameters | Alternative cameras and accompanying softwares could be used |
| Vane wheel flow probe | Loligo Systems | AC10002 | Digital flow probe – for calibration |
References
- Becker, C. G., Becker, T. Neuronal regeneration from ependymo-radial glial cells: cook, little pot, cook. Developmental Cell. 32 (4), 516-527 (2015).
- Mokalled, M. H., Poss, K. D. A regeneration toolkit. Developmental Cell. 47 (3), 267-280 (2018).
- Orger, M. B., de Polavieja, G. G. Zebrafish behavior: opportunities and challenges. Annual Review of Neuroscience. 40, 125-147 (2017).
- Becker, C. G., Becker, T. Adult zebrafish as a model for successful central nervous system regeneration. Restorative Neurology and Neuroscience. 26 (2-3), 71-80 (2008).
- Gurevich, D. B., et al. Asymmetric division of clonal muscle stem cells coordinates muscle regeneration in vivo. Science. 353 (6295), (2016).
- Mokalled, M. H., et al. Injury-induced ctgfa directs glial bridging and spinal cord regeneration in zebrafish. Science. 354 (6312), 630-634 (2016).
- Kizil, C., Kaslin, J., Kroehne, V., Brand, M. Adult neurogenesis and brain regeneration in zebrafish. Developmental Neurobiology. 72 (3), 429-461 (2012).
- Wolman, M. A., et al. A genome-wide screen identifies PAPP-AA-mediated IGFR signaling as a novel regulator of habituation learning. Neuron. 85 (6), 1200-1211 (2015).
- Granato, M., et al. Genes controlling and mediating locomotion behavior of the zebrafish embryo and larva. Development. 123, 399-413 (1996).
- Brockerhoff, S. E., et al. A behavioral screen for isolating zebrafish mutants with visual system defects. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 92 (23), 10545-10549 (1995).
- Moens, C. B., Yan, Y. L., Appel, B., Force, A. G., Kimmel, C. B. Valentino: a zebrafish gene required for normal hindbrain segmentation. Development. 122 (12), 3981-3990 (1996).
- Cavone, L., et al. A unique macrophage subpopulation signals directly to progenitor cells to promote regenerative neurogenesis in the zebrafish spinal cord. Developmental Cell. 56 (11), 1617-1630 (2021).
- Reimer, M. M., et al. Motor neuron regeneration in adult zebrafish. Journal of Neuroscience. 28 (34), 8510-8516 (2008).
- Klatt Shaw, D., et al. Localized EMT reprograms glial progenitors to promote spinal cord repair. Developmental Cell. 56 (5), 613-626 (2021).
- Ahmed, R. U., Alam, M., Zheng, Y. P. Experimental spinal cord injury and behavioral tests in laboratory rats. Heliyon. 5 (3), 01324 (2019).
- Pajoohesh-Ganji, A., Byrnes, K. R., Fatemi, G., Faden, A. I. A combined scoring method to assess behavioral recovery after mouse spinal cord injury. Neuroscience Research. 67 (2), 117-125 (2010).
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
- Scheff, S. W., Saucier, D. A., Cain, M. E. A statistical method for analyzing rating scale data: the BBB locomotor score. Journal of Neurotrauma. 19 (10), 1251-1260 (2002).
- Li, Q., et al. Differential behavioral responses of zebrafish larvae to yohimbine treatment. Psychopharmacology (Berl). 232 (1), 197-208 (2015).
- Wakamatsu, Y., Ogino, K., Hirata, H. Swimming capability of zebrafish is governed by water temperature, caudal fin length and genetic background. Scientific Reports. 9 (1), 16307 (2019).
- Ahmed, O., Seguin, D., Gerlai, R. An automated predator avoidance task in zebrafish. Behavioral Brain Research. 216 (1), 166-171 (2011).
- Conradsen, C., McGuigan, K. Sexually dimorphic morphology and swimming performance relationships in wild-type zebrafish Danio rerio. Journal of Fish Biology. 87 (5), 1219-1233 (2015).
- Leris, I., Sfakianakis, D. G., Kentouri, M. Are zebrafish Danio rerio males better swimmers than females. Journal of Fish Biology. 83 (5), 1381-1386 (2013).
