تقييم السمية العصبية لدى البالغين دانيو ريريو باستخدام مجموعة من الاختبارات السلوكية في خزان واحد
Summary
هنا ، نقدم بطارية اختبار سلوكي شاملة ، بما في ذلك اختبارات الخزان الجديدة ، والمياه الضحلة ، والتفضيلات الاجتماعية ، لتحديد التأثيرات السمية العصبية المحتملة للمواد الكيميائية (مثل الميثامفيتامين والغليفوسات) على أسماك الزرد البالغة باستخدام خزان واحد. هذه الطريقة ذات صلة بالسمية العصبية والبحوث البيئية.
Abstract
أثبت وجود تأثيرات مرضية عصبية أنه ، لسنوات عديدة ، نقطة النهاية الرئيسية لتقييم السمية العصبية لمادة كيميائية. ومع ذلك ، في السنوات ال 50 الماضية ، تم التحقيق بنشاط في آثار المواد الكيميائية على سلوك الأنواع النموذجية. تدريجيا ، تم دمج نقاط النهاية السلوكية في بروتوكولات فحص السمية العصبية ، وتستخدم هذه النتائج الوظيفية الآن بشكل روتيني لتحديد وتحديد السمية العصبية المحتملة للمواد الكيميائية. توفر المقايسات السلوكية في الزرد البالغ وسيلة موحدة وموثوقة لدراسة مجموعة واسعة من السلوكيات ، بما في ذلك القلق والتفاعل الاجتماعي والتعلم والذاكرة والإدمان. عادة ما تتضمن المقايسات السلوكية في أسماك الزرد البالغة وضع الأسماك في ساحة تجريبية وتسجيل وتحليل سلوكها باستخدام برنامج تتبع الفيديو. يمكن أن تتعرض الأسماك لمحفزات مختلفة ، ويمكن قياس سلوكها باستخدام مجموعة متنوعة من المقاييس. يعد اختبار الخزان الجديد أحد أكثر الاختبارات قبولا واستخداما على نطاق واسع لدراسة السلوك الشبيه بالقلق في الأسماك. اختبارات المياه الضحلة والتفضيل الاجتماعي مفيدة في دراسة السلوك الاجتماعي لسمك الزرد. هذا الفحص مثير للاهتمام بشكل خاص حيث يتم دراسة سلوك المياه الضحلة بأكملها. أثبتت هذه المقايسات أنها قابلة للتكرار بدرجة كبيرة وحساسة للتلاعبات الدوائية والجينية ، مما يجعلها أدوات قيمة لدراسة الدوائر العصبية والآليات الجزيئية الكامنة وراء السلوك. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام هذه المقايسات في فحص الأدوية لتحديد المركبات التي قد تكون معدلات محتملة للسلوك.
سنوضح في هذا العمل كيفية تطبيق الأدوات السلوكية في علم السموم العصبية للأسماك ، وتحليل تأثير الميثامفيتامين ، وهو دواء ترفيهي ، والغليفوسات ، وهو ملوث بيئي. تظهر النتائج المساهمة الكبيرة للمقايسات السلوكية في الزرد البالغ في فهم التأثيرات السمية العصبية للملوثات البيئية والأدوية ، بالإضافة إلى توفير نظرة ثاقبة للآليات الجزيئية التي قد تغير وظيفة الخلايا العصبية.
Introduction
الزرد (Danio rerio) هو نوع نموذجي شائع من الفقاريات لعلم السموم البيئية واكتشاف الأدوية ودراسات علم الأدوية للسلامة. إن تكلفتها المنخفضة ، والأدوات الوراثية الجزيئية الراسخة ، والحفاظ على العمليات الفسيولوجية الرئيسية المشاركة في تكوين الجهاز العصبي والحفاظ عليه تجعل من الزرد نموذجا حيوانيا مثاليا لأبحاث علم الأعصاب ، بما في ذلك علم السموم السلوكي العصبي1،2. كانت نقطة النهاية الرئيسية لتقييم السمية العصبية للمادة الكيميائية ، حتى وقت قريب ، وجود تأثيرات عصبية. ومع ذلك ، في الآونة الأخيرة ، تم دمج نقاط النهاية السلوكية في بروتوكولات فحص السمية العصبية ، وتستخدم هذه النتائج الوظيفية الآن بشكل شائع لتحديد وتحديد السمية العصبية المحتملة للمواد الكيميائية 3,4. علاوة على ذلك ، فإن نقاط النهاية السلوكية ذات صلة كبيرة من وجهة نظر بيئية ، حيث أن التغيير السلوكي المعتدل جدا في الأسماك يمكن أن يعرض بقاء للخطر في الظروف الطبيعية5.
أحد أكثر المقايسات السلوكية استخداما في أبحاث الزرد للبالغين هو اختبار الخزان الجديد (NTT) ، والذي يقيس السلوك الشبيه بالقلق 6,7. في هذا الفحص ، تتعرض الأسماك للحداثة (توضع الأسماك في حوض غير مألوف) ، ويلاحظ حافز مكروه خفيف واستجاباتها السلوكية. يستخدم NTT لتقييم النشاط الحركي القاعدي ، والانجذاب الأرضي ، والتجميد ، والحركات غير المنتظمة للأسماك ، بشكل أساسي. يتميز غير المنتظم8 بتغيرات مفاجئة في الاتجاه (متعرج) وحلقات متكررة من التسارع (الاندفاع). إنه رد فعل إنذار وعادة ما يتم ملاحظته قبل أو بعد نوبات التجميد. يتوافق سلوك التجميد مع التوقف التام لحركات الأسماك (باستثناء الحركات الدائرية والعينية) أثناء وجودها في قاع الحوض ، كما يتميز عن الجمود الناجم عن التخدير ، والذي يسبب نقص الحركة ، والحركة ، والغرق8. عادة ما يرتبط التجميد بحالة عالية من التوتر والقلق وهو أيضا جزء من السلوك الخاضع. السلوكيات المعقدة هي مؤشرات ممتازة لحالة قلق. لقد ثبت أن NTT حساسة للتلاعب الدوائيوالجيني 9 ، مما يجعلها أداة قيمة لدراسة الأساس العصبي للقلق والاضطرابات ذات الصلة.
الزرد من الأنواع الاجتماعية للغاية ، لذلك يمكننا قياس مجموعة واسعة من السلوكيات الاجتماعية. اختبار المياه الضحلة (ST) واختبار التفضيل الاجتماعي (SPT) هما المقايسات الأكثر استخداما لتقييم السلوك الاجتماعي10. يقيس ST ميل الأسماك إلى التجمعمعا 11 من خلال تحديد سلوكها المكاني وأنماط حركتها. ST مفيد لدراسة ديناميكيات المجموعة والقيادة والتعلم الاجتماعي وفهم السلوك الاجتماعي للعديد من أنواع الأسماك12. تم تكييف SPT في الزرد البالغ من تفضيل كراولي لاختبار الجدة الاجتماعية للفئران13 وسرعان ما أصبح مقايسة سلوكية شائعة لدراسة التفاعل الاجتماعي في هذا النوعالنموذجي 14. تم تكييف هذين الاختبارين أيضا للاستخدام في فحوصات فحص المخدرات وأظهرا نتائج واعدة لتحديد المركبات الجديدة التي تعدل السلوك الاجتماعي15,16.
بشكل عام ، تعد المقايسات السلوكية في الزرد البالغ أدوات قوية يمكن أن توفر معلومات قيمة عن آليات السلوك أو الأنماط العصبية للمركبات النشطة والعقاقير التي يساء استخدامها17. يوضح هذا البروتوكول كيفية تنفيذ هذه الأدوات السلوكية7 بموارد المواد الأساسية وكيفية تطبيقها في مقايسات السمية لتوصيف تأثيرات مجموعة واسعة من المركبات العصبية النشطة. بالإضافة إلى ذلك ، سنرى أنه يمكن تطبيق نفس الاختبارات لتقييم الآثار السلوكية العصبية للتعرض الحاد لمركب عصبي نشط (الميثامفيتامين) ولكن أيضا لتوصيف هذه التأثيرات بعد التعرض المزمن للتركيزات البيئية لمبيد الآفات (الغليفوسات).
Protocol
Representative Results
Discussion
ارتبطت سلوكيات القلق المميزة التي لوحظت في NTT بشكل إيجابي بمستويات السيروتونين التي تم تحليلها في الأدمغة21. على سبيل المثال ، بعد التعرض لبارا كلوروفينيلالانين (PCPA) ، وهو مثبط للتخليق الحيوي 5-HT ، أظهرت الأسماك انجذابا جيوسيا إيجابيا بالإضافة إلى انخفاض مستويات 5-HT في الدماغ<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل “الوكالة الحكومية للتحقيق” من وزارة العلوم والابتكار الإسبانية (المشروع PID2020-113371RB-C21) ، IDAEA-CSIC ، مركز سيفيرو أوتشوا للتميز (CEX2018-000794-S). تم دعم جولييت بيدروسيانتز بمنحة دكتوراه (PRE2018-083513) بتمويل مشترك من الحكومة الإسبانية والصندوق الاجتماعي الأوروبي (ESF).
Materials
| Aquarium Cube shape | Blau Aquaristic | 7782025 | Cubic Panoramic 10 (10 L, 20 cm x 20 cm x 25 cm, 5 mm) |
| Ethovision software | Noldus | Ethovision XT | Version 12.0 or newer |
| GigE camera | Imaging Development Systems | UI-5240CP-NIR-GL | |
| GraphPad Prism 9.02 | GraphPad software Inc | GraphPad Prism 9.02 | For Windows |
| IDS camera manager | Imaging Development Systems | ||
| LED backlight illumination | Quirumed | GP-G2 | |
| SPSS Software | IBM | IBM SPSS v26 | |
| uEye Cockpit software | Imaging Development Systems | version 4.90 |
References
- Raldúa, D., Piña, B. In vivo zebrafish assays for analyzing drug toxicity. Expert Opinion on Drug Metabolism & Toxicology. 10 (5), 685-697 (2014).
- Faria, M., Prats, E., Bellot, M., Gomez-Canela, C., Raldúa, D. Pharmacological modulation of serotonin levels in zebrafish larvae: Lessons for identifying environmental neurotoxicants targeting the serotonergic system. Toxics. 9 (6), 118 (2021).
- Faria, M., et al. Zebrafish models for human acute organophosphorus poisoning. Scientific Reports. 5, 15591 (2015).
- Faria, M., et al. Glyphosate targets fish monoaminergic systems leading to oxidative stress and anxiety. Environment International. 146, 106253 (2021).
- Faria, M., et al. Screening anti-predator behaviour in fish larvae exposed to environmental pollutants. Science of the Total Environment. 714, 136759 (2020).
- Faria, M., et al. Acrylamide acute neurotoxicity in adult zebrafish. Scientific Reports. 8 (1), 7918 (2018).
- Kalueff, A. V., Stewart, A. M. Zebrafish Protocols for Neurobehavioral Research. Neuromethods. , (2012).
- Kalueff, A. V., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- Egan, R. J., et al. Understanding behavioral and physiological phenotypes of stress and anxiety in zebrafish. Behavioural Brain Research. 205, 38-44 (2009).
- . Social behavior in Zebrafish Available from: https://www.noldus.com/applications/social-behavior-zebrafish (2012)
- Green, J., et al. Automated high-throughput neurophenotyping of zebrafish social behavior. Journal of Neuroscience Methods. 210 (2), 266-271 (2012).
- Miller, N., Gerlai, R. Quantification of shoaling behaviour in zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 184 (2), 157-166 (2007).
- Landin, J., et al. Oxytocin receptors regulate social preference in zebrafish. Scientific Reports. 10 (1), 5435 (2020).
- Ogi, A., et al. Social preference tests in zebrafish: A systematic review. Frontiers in Veterinary Science. 7, 590057 (2021).
- Bedrossiantz, J., et al. A zebrafish model of neurotoxicity by binge-like methamphetamine exposure. Frontiers in Pharmacology. 12, 770319 (2021).
- Hamilton, T. J., Krook, J., Szaszkiewicz, J., Burggren, W. Shoaling, boldness, anxiety-like behavior and locomotion in zebrafish (Danio rerio) are altered by acute benzo[a]pyrene exposure. Science of the Total Environment. 774, 145702 (2021).
- Kane, A. S., Salierno, J. D., Brewer, S. K. Chapter 32. Fish models in behavioral toxicology: Automated Techniques, Updates, and Perspectives Methods in Aquatic Toxicology. Volume2, (2005).
- Faria, M., et al. Glyphosate targets fish monoaminergic systems leading to oxidative stress and anxiety. Environment International. 146, 106253 (2021).
- Maximino, C., Costa, B., Lima, M. A review of monoaminergic neuropsychopharmacology in zebrafish, 6 years later: Towards paradoxes and their solution. Current Psychopharmacology. 5 (2), 96-138 (2016).
- Maximino, C., et al. Role of serotonin in zebrafish (Danio rerio) anxiety: Relationship with serotonin levels and effect of buspirone, WAY 100635, SB 224289, fluoxetine and para-chlorophenylalanine (pCPA) in two behavioral models. Neuropharmacology. 71, 83-97 (2013).
- Faria, M., et al. Therapeutic potential of N-acetylcysteine in acrylamide acute neurotoxicity in adult zebrafish. Scientific Reports. 9 (1), 16467 (2019).
- Homer, B. D., Solomon, T. M., Moeller, R. W., Mascia, A., DeRaleau, L., Halkitis, P. N. Methamphetamine abuse and impairment of social functioning: A review of the underlying neurophysiological causes and behavioral implications. Psychological Bulletin. 134 (2), 301-310 (2008).
- Linker, A., et al. Assessing the maximum predictive validity for neuropharmacological anxiety screening assays using zebrafish. Neuromethods. 51, 181-190 (2011).
- Hartung, T. From alternative methods to a new toxicology. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 77 (3), 338-349 (2011).
- Cachat, J. M., Kalueff, A., Cachat, J., et al. Video-Aided Analysis of Zebrafish Locomotion and Anxiety-Related Behavioral Responses. Zebrafish Neurobehavioral Protocols. Neuromethods. 51, (2011).
- Rosemberg, D. B., et al. Differences in spatio-temporal behavior of zebrafish in the open tank paradigm after a short-period confinement into dark and bright environments. PLoS ONE. 6 (5), e19397 (2011).
- Blaser, R., Gerlai, R. Behavioral phenotyping in Zebrafish: Comparison of three behavioral quantification methods. Behavioral Research Methods. 38 (3), 456-469 (2006).
- Cachat, J., et al. Three-dimensional neurophenotyping of adult zebrafish behavior. PLoS ONE. 6 (3), e17597 (2011).
- Cachat, J. M., et al. Deconstructing adult zebrafish behavior with swim trace visualizations. Neuromethods. 51, 191-201 (2011).
