Name: shuttle box assay as an associative learning tool for cognitive assessment in learning and memory studies using adult zebrafish
Uploaded: 2021-07-12T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Shuttle Box Assay as an Associative Learning Tool for Cognitive Assessment in Learning and Memory Studies using Adult Zebrafish at JoVE.com

Die Autoren danken den Hyde-Labormitgliedern für ihre durchdachten Diskussionen und den Technikern des Freimann Life Sciences Center für die Pflege und Haltung von Zebrafischen. Diese Arbeit wurde unterstützt vom Center for Zebrafish Research an der University of Notre Dame, dem Center for Stem Cells and Regenerative Medicine an der University of Notre Dame und Zuschüssen des National Eye Institute of NIH R01-EY018417 (DRH), dem National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (JTH), LTC Neil Hyland Fellowship of Notre Dame (JTH), Sentinels of Freedom Fellowship (JTH) und das Pat Tillman Stipendium (JTH). Abbildung 1 mit BioRender.com.

Zebrafische wurden in der Zebrafischanlage Notre Dame im Freimann Life Sciences Center gezüchtet und gepflegt. Die in diesem Manuskript beschriebenen Methoden wurden vom Animal Care and Use Committee der University of Notre Dame genehmigt (Animal Welfare Assurance Number A3093-01).
1. Shuttle-Box-Lernparadigma (Abbildung 1A)
HINWEIS: Das Lernparadigma bietet eine schnelle Bewertung der Kognition in Bezug auf assoziatives Lernen.
<ol>...

<ol>
	<li>Deutsch, M., Mendez, M., Teng, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interactions+between+traumatic+brain+injury+and+frontotemporal+degeneration.">Interactions between traumatic brain injury and frontotemporal degeneration.</a> Dementia and Geriatric Cognitive Disorders. 39, 143-153 (2015).</li><li>Gardner, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Traumatic+brain+injury+in+later+life+increases+risk+for+Parkinson+disease.">Traumatic brain injury in later life increases risk for Parkinson disease.</a> Annals in Neurology. 77, 987 (2015).</li><li>Fleminger, S., Oliver, D., Lovestone, S., Rabe-Hesketh, S., Giora, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Head+injury+as+a+risk+factor+for+Alzheimer's+disease:+the+evidence+10+years+on;+a+partial+replication.">Head injury as a risk factor for Alzheimer's disease: the evidence 10 years on; a partial replication.</a> Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 74, 857-886 (2003).</li><li>Johnson, V., Stewart, W., Smith, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Traumatic+brain+injury+and+amyloid-&#946;+pathology:+a+link+to+Alzheimer's+disease.">Traumatic brain injury and amyloid-&#946; pathology: a link to Alzheimer's disease.</a> Nature Reviews Neurosciences. 11, 361-370 (2010).</li><li>Korley, F. K., Kelen, G. D., Jones, C. M., Diaz-Arrastia, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emergency+department+evaluation+of+traumatic+brain+injury+in+the+United+States,+2009-2010.">Emergency department evaluation of traumatic brain injury in the United States, 2009-2010.</a> The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 31, 379-387 (2016).</li><li>Corrigan, J. D., Selassie, A. W., Orman, J. A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+epidemiology+of+traumatic+brain+injury.">The epidemiology of traumatic brain injury.</a> The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 25, 72-80 (2010).</li><li>Levin, H., Arrastia, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diagnosis,+prognosis,+and+clinical+management+of+mild+traumatic+brain+injury.">Diagnosis, prognosis, and clinical management of mild traumatic brain injury.</a> The Lancet Neurology. 14, 506-517 (2015).</li><li>GBD 2016 Traumatic Brain Injury and Spinal Cord Injury Collaborators. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> The Lancet, Neurology. 18 (1), 56-87 (2019).</li><li>Campbell, L. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Notch3+and+DeltaB+maintain+M&#252;ller+glia+quiescence+and+act+as+negative+regulators+of+regeneration+in+the+light-damaged+zebrafish+retina.">Notch3 and DeltaB maintain M&#252;ller glia quiescence and act as negative regulators of regeneration in the light-damaged zebrafish retina.</a> Glia. 69 (3), 546-566 (2021).</li><li>Green, L. A., Nebiolo, J. C., Smith, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microglia+exit+the+CNS+in+spinal+root+avulsion.">Microglia exit the CNS in spinal root avulsion.</a> PLoS Biology. 17 (2), 3000159 (2019).</li><li>Hentig, J., Byrd-Jacobs, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exposure+to+zinc+sulfate+results+in+differential+effects+on+olfactory+sensory+neuron+subtypes+in+the+adult+zebrafish.">Exposure to zinc sulfate results in differential effects on olfactory sensory neuron subtypes in the adult zebrafish.</a> International Journal of Molecular Sciences. 17 (9), 1445 (2016).</li><li>Ito, Y., Tanaka, H., Okamoto, H., Oshima, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+neural+stem+cells+and+their+progeny+in+the+adult+zebrafish+optic+tectum.">Characterization of neural stem cells and their progeny in the adult zebrafish optic tectum.</a> Developmental Biology. 342, 26-38 (2010).</li><li>Lahne, M., Nagashima, M., Hyde, D. R., Hitchcock, P. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reprogramming+Muller+glia+to+regenerate+retinal+neurons.">Reprogramming Muller glia to regenerate retinal neurons.</a> Annual Reviews of Vision Sciences. 6, 171-193 (2020).</li><li>Kroehne, V., Freudenreich, D., Hans, S., Kaslin, J., Brand, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regeneration+of+the+adult+zebrafish+brain+from+neurogenic+radial+glia-type+progenitors.">Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors.</a> Development. 138 (22), 4831-4841 (2011).</li><li>Kishimoto, N., Shimizu, K., Sawamoto, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+regeneration+in+a+zebrafish+model+of+adult+brain+injury.">Neuronal regeneration in a zebrafish model of adult brain injury.</a> Disease Models &amp; Mechanisms. 5 (2), 200-209 (2012).</li><li>Bhattarai, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuron-glia+interaction+through+Serotonin-BDNF-NGFR+axis+enables+regenerative+neurogenesis+in+Alzheimer's+model+of+adult+zebrafish+brain.">Neuron-glia interaction through Serotonin-BDNF-NGFR axis enables regenerative neurogenesis in Alzheimer's model of adult zebrafish brain.</a> PLoS Biology. 18 (1), 3000585 (2020).</li><li>Kalueff, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+a+comprehensive+catalog+of+zebrafish+behavior+1.0+and+beyond.">Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond.</a> Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).</li><li>Chanin, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessing+startle+responses+and+their+habituation+in+adult+zebrafish.">Assessing startle responses and their habituation in adult zebrafish.</a> Zebrafish Protocols for Neurobehavioral Research. 66, (2012).</li><li>L&#243;pez-Schier, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuroplasticity+in+the+acoustic+startle+reflex+in+larval+zebrafish.">Neuroplasticity in the acoustic startle reflex in larval zebrafish.</a> Current Opinion in Neurobiology. 54, 134-139 (2019).</li><li>Maheras, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genetic+pathways+of+neuroregeneration+in+a+novel+mild+traumatic+brain+injury+model+in+adult+zebrafish.">Genetic pathways of neuroregeneration in a novel mild traumatic brain injury model in adult zebrafish.</a> eNeuro. 5 (1), (2018).</li><li>Gaspary, K. V., Reolon, G. K., Gusso, D., Bonan, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+object+recognition+and+object+location+tasks+in+zebrafish:+Influence+of+habituation+and+NMDA+receptor+antagonism.">Novel object recognition and object location tasks in zebrafish: Influence of habituation and NMDA receptor antagonism.</a> Neurobiology of Learning and Memory. 155, 249-260 (2018).</li><li>Hentig, J., Cloghessy, K., Dunseath, C., Hyde, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+scalable+model+to+study+the+effects+of+blunt-force+injury+in+adult+zebrafish.">A scalable model to study the effects of blunt-force injury in adult zebrafish.</a> Journal of Visualized Experiments. , (2021).</li><li>Wu, Y. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fragile+X+mental+retardation-1+knockout+zebrafish+shows+precocious+development+in+social+behavior.">Fragile X mental retardation-1 knockout zebrafish shows precocious development in social behavior.</a> Zebrafish. 14 (5), 438-443 (2017).</li><li>Rea, V., Van Raay, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+zebrafish+to+model+autism+spectrum+disorder:+A+Comparison+of+ASD+risk+genes+between+zebrafish+and+their+mammalian+counterparts.">Using zebrafish to model autism spectrum disorder: A Comparison of ASD risk genes between zebrafish and their mammalian counterparts.</a> Frontiers in Molecular Neuroscience. 13, 575575 (2020).</li><li>Zhdanova, I. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aging+of+the+circadian+system+in+zebrafish+and+the+effects+of+melatonin+on+sleep+and+cognitive+performance.">Aging of the circadian system in zebrafish and the effects of melatonin on sleep and cognitive performance.</a> Brain Research Bulletin. 75 (2-4), 433-441 (2008).</li><li>Yu, L., Tucci, V., Kishi, S., Zhdanova, I. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cognitive+aging+in+zebrafish.">Cognitive aging in zebrafish.</a> PloS One. 1 (1), 14 (2006).</li><li>Bahl, A., Engert, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+circuits+for+evidence+accumulation+and+decision+making+in+larval+zebrafish.">Neural circuits for evidence accumulation and decision making in larval zebrafish.</a> Nature Neuroscience. 23 (1), 94-102 (2020).</li><li>Ngoc Hieu, B. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+modified+three-day+t-maze+protocol+for+evaluating+learning+and+memory+capacity+of+adult+zebrafish.">Development of a modified three-day t-maze protocol for evaluating learning and memory capacity of adult zebrafish.</a> International Journal of Molecular Sciences. 21 (4), 1464 (2020).</li><li>Williams, F. E., White, D., Messer, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+spatial+alternation+task+for+assessing+memory+function+in+zebrafish.">A simple spatial alternation task for assessing memory function in zebrafish.</a> Behavioural Processes. 58 (3), 125-132 (2002).</li><li>Zohar, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closed-head+minimal+traumatic+brain+injury+produces+long-term+cognitive+deficits+in+mice.">Closed-head minimal traumatic brain injury produces long-term cognitive deficits in mice.</a> Neuroscience. 118 (4), 949-955 (2003).</li><li>Becker, C., Becker, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adult+zebrafish+as+a+model+for+successful+central+nervous+system+regeneration.">Adult zebrafish as a model for successful central nervous system regeneration.</a> Restorative Neurology and Neuroscience. 26 (2-3), 71-80 (2008).</li><li>Grandel, H., Kaslin, J., Ganz, J., Wenzel, I., Brand, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+stem+cells+and+neurogenesis+in+the+adult+zebrafish+brain:+origin,+proliferation+dynamics,+migration,+and+cell+fate.">Neural stem cells and neurogenesis in the adult zebrafish brain: origin, proliferation dynamics, migration, and cell fate.</a> Developmental Biology. 295 (1), 263-277 (2006).</li></ol>

Kognitive Beeinträchtigungen können sich signifikant und negativ auf die Lebensqualität auswirken. Aufgrund der erhöhten Sichtbarkeit und des Auftretens von Gehirnerschütterungen und traumatischen Hirnverletzungen in der gesamten Bevölkerung ist es wichtig zu verstehen, wie sie kognitive Beeinträchtigungen verursachen und wie der Schaden minimiert oder rückgängig gemacht werden kann. Aus diesen Gründen spielen Modellorganismen, die auf kognitiven Verfall getestet werden können, in diesen Studien eine entscheid...

Lernen und Gedächtnis werden routinemäßig als Metriken für kognitive Beeinträchtigungen verwendet, die aufgrund von Alterung, neurodegenerativen Erkrankungen oder Verletzungen auftreten. Traumatische Hirnverletzungen (TBIs) sind die häufigsten Verletzungen, die zu kognitiven Defiziten führen. TBIs sind aufgrund ihrer Assoziation mit mehreren neurodegenerativen Erkrankungen wie frontotemporaler Demenz und Parkinson-Krankheit1,2vonwachsender Besorgnis. Darüber hinaus deuten die erhöhten Beta-Amyloid-Aggregationen, die bei einigen TBI-Patienten beobachtet wurden, darauf hin, dass es auch mit der Entwicklung der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden kann3,4. TBIs sind oft das Ergebnis eines stumpfen Gewalttraumas und umfassen eine Reihe von Schweregraden5, wobei leichte Hirnverletzungen (miTBI) am häufigsten sind. MiTBIs werden jedoch oft nicht gemeldet und falsch diagnostiziert, da sie nur für kurze Zeit zu geringfügigen kognitiven Beeinträchtigungen führen und die verletzten Personen sich in der Regel vollständig erholen6. Im Gegensatz dazu sind wiederholte miTBI-Ereignisse ein wachsendes Problem, da sie bei jungen und mittleren Erwachsenen weit verbreitet sind, sich im Laufe der Zeit ansammeln können7,die kognitive Entwicklung beeinträchtigen und neurodegenerative Erkrankungen verschlimmernkönnen 1,2,3,4,5, ähnlich wie Personen, die entweder einen moderaten oder schweren TBI8haben .
Zebrafisch (Danio rerio) ist ein nützliches Modell für die Erforschung einer Vielzahl von Themen in den Neurowissenschaften, einschließlich der Fähigkeit, verlorene oder beschädigte Neuronen im gesamten zentralen Nervensystem zu regenerieren9,10,11,12,13. Neuronale Regeneration wurde auch im Telencephalon nachgewiesen, das das Archipallium im dorsal-inneren Bereich enthält. Diese neuroanatomische Region ist analog zum Hippocampus und wird wahrscheinlich für die Kognition bei Fischen und für das Kurzzeitgedächtnis beim Menschen benötigt14,15,16. Darüber hinaus wurde das Verhalten von Zebrafischen umfassend charakterisiert und katalogisiert17. Das Lernen wurde durch verschiedene Techniken untersucht, einschließlich der Gewöhnung an die Schreckreaktion18, die eine schnelle Form des nicht-assoziativen Lernens darstellen kann, wenn sie in kurzen Blöcken und unter Berücksichtigung der schnellen Zerfallszeit durchgeführt wird19. Komplexere Tests des assoziativen Lernens, wie T-Boxen, Plus-Labyrinthe und visuelle Unterscheidung20,21 werden verwendet, sind aber oft zeitaufwendig, erfordern Tage oder Wochen der Vorbereitung und sind auf Untiefe oder positive Verstärkung angewiesen. Hier beschreiben wir ein schnelles Paradigma, um sowohl assoziatives Lernen als auch sofortiges oder verzögertes Gedächtnis zu bewerten. Dieser Shuttle-Box-Assay verwendet einen aversiven Reiz und eine negative Verstärkungskonditionierung, um kognitive Defizite und die Genesung nach stumpfem TBI zu beurteilen. Wir zeigen, dass unbeschädigte erwachsene Zebrafische (8-24 Monate) innerhalb von 20 Versuchen (<20 min Bewertung) in der Shuttle-Box reproduzierbar lernen, das rote Licht zu vermeiden, mit einem hohen Maß an Konsistenz über Beobachter hinweg. Darüber hinaus zeigen wir mit der Shuttle-Box, dass die Lern- und Gedächtnisfähigkeiten bei Erwachsenen (8-24 Monate alt) konsistent sind und nützlich sind, um Kognition mit signifikanten Beeinträchtigungen zwischen verschiedenen TBI-Schweregraden oder wiederholten TBI zu testen. Darüber hinaus könnte diese Methode schnell als Metrik eingesetzt werden, um eine breite Palette von Krankheitsverläufen oder die Wirksamkeit von Arzneimittelinterventionen zu verfolgen, die sich auf die Aufrechterhaltung oder Wiederherstellung der Kognition bei erwachsenen Zebrafischen auswirken.
Hier geben wir einen lehrmäßigen Überblick über eine schnelle kognitive Bewertung, die sowohl komplexes assoziatives Lernen (Abschnitt 1) als auch das Gedächtnis sowohl im Hinblick auf das unmittelbare als auch auf das verzögerte Gedächtnis untersuchen kann. Dieses Paradigma bietet eine Bewertung des Kurz- und Langzeitgedächtnisses einer erlernten assoziativen kognitiven Aufgabe (Abschnitt 2).

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Flashlight</td>
			<td>Ultrafire</td>
			<td>9145</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Instant Ocean</td>
			<td>Instant Ocean</td>
			<td>SS15-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Large DNA Gel Box</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>FB-SB-1316</td>
			<td>Shuttle Box</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Supply</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>FB-105</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

shuttle box assay as an associative learning tool for cognitive assessment in learning and memory studies using adult zebrafish

Kognitive Defizite, einschließlich Lern- und Gedächtnisstörungen, sind ein Hauptsymptom für verschiedene entwicklungs- und altersbedingte neurodegenerative Erkrankungen und traumatische Hirnverletzungen (TBI). Zebrafische sind aufgrund ihrer Transparenz bei der Entwicklung und robusten Regenerationsfähigkeiten nach Neurotrauma ein wichtiges neurowissenschaftliches Modell. Während es bei Zebrafischen verschiedene kognitive Tests gibt, untersuchen die meisten kognitiven Bewertungen, die schnell durchgeführt werden, nicht-assoziatives Lernen. Gleichzeitig benötigen assoziative Lernassays oft mehrere Tage oder Wochen. Hier beschreiben wir einen schnellen assoziativen Lerntest, der einen negativen Reiz (elektrischer Schlag) nutzt und nur minimale Vorbereitungszeit erfordert. Der hier vorgestellte Shuttle-Box-Assay ist einfach, ideal für Unerfahrene und erfordert nur minimale Ausrüstung. Wir zeigen, dass dieser Shuttle-Box-Test nach TBI das kognitive Defizit und die Erholung von jungen zu alten Zebrafischen reproduzierbar bewertet. Darüber hinaus ist der Assay anpassbar, um entweder das sofortige oder das verzögerte Gedächtnis zu untersuchen. Wir zeigen, dass sowohl ein einzelnes TBI als auch wiederholte TBI-Ereignisse das Lernen und das unmittelbare Gedächtnis negativ beeinflussen, aber nicht das verzögerte Gedächtnis. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass der Shuttle-Box-Assay das Fortschreiten und die Erholung kognitiver Beeinträchtigungen reproduzierbar verfolgt.

Das im Protokoll und Schema (Abbildung 1) beschriebene Lernparadigma bietet eine schnelle Bewertung der Kognition in Bezug auf assoziatives Lernen. Darüber hinaus hat dieses Paradigma ein hohes Maß an Stringenz, indem es lernen als wiederholte und konsistente Anzeige von 5 aufeinanderfolgenden positiven Studien definiert. Dieses Paradigma ist auch auf eine Reihe von Altersgruppen und Verletzungen anwendbar. Unbeschädigte Fische im Alter von 8 Monaten (junger Erwachsener), 18 Monaten (Erwa...

Watch this Scientific Journal Video about Shuttle Box Assay as an Associative Learning Tool for Cognitive Assessment in Learning and Memory Studies using Adult Zebrafish at JoVE.com

Shuttle Box Assay as an Associative Learning Tool for Cognitive Assessment in Learning and Memory Studies using Adult Zebrafish

Lernen und Gedächtnis sind starke Metriken bei der Untersuchung von entwicklungsbedingten, krankheitsabhängigen oder umweltbedingten kognitiven Beeinträchtigungen. Die meisten kognitiven Bewertungen erfordern spezielle Ausrüstung und umfangreiche Zeitverpflichtungen. Der Shuttle-Box-Assay ist jedoch ein assoziatives Lernwerkzeug, das eine herkömmliche Gelbox zur schnellen und zuverlässigen Beurteilung der Kognition von erwachsenen Zebrafischen verwendet.

Shuttle Box Assay als assoziatives Lernwerkzeug zur kognitiven Beurteilung in Lern- und Gedächtnisstudien mit erwachsenen Zebrafischen

Cognitive deficits, including impaired learning and memory, are a primary symptom of various developmental and age-related neurodegenerative diseases and ...

Der Shuttle Box Assay verfolgt reproduzierbar das Fortschreiten und die Genesung kognitiver Beeinträchtigungen nach einem stumpfen Krafttrauma oder einer anderen Art von Hirnverletzung bei Zebrafischen. Der Shuttle Box Assay ermöglicht eine relativ einfache, schnelle und robuste Messung des assoziativen Lernens sowohl im Kurz- als auch im Langzeitgedächtnis bei Zebrafischen. Bereiten Sie zunächst die Shuttle Box vor, indem Sie eine 30,5 x 19 x 7,5 Zentimeter große Gelbox mit einem 5 x 19 Zentimeter großen Stück Plexiglas in Aquarienqualität modifizieren, das auf jeder Seite in einem Winkel von 45 Grad hinzugefügt wird.Machen Sie dann eine Linie, die den halben Weg des Tanks markiert, um zu beurteilen, wann Fische die Mitte des Tanks überquert haben. Nachdem Sie 800 Milliliter Systemwasser in die Shuttle Box gegeben haben, legen Sie zwei bis drei Fische in einen Auffangbehälter mit Systemwasser. Lassen Sie den Tank in dem dunklen Raum, in dem der Shuttle Box Assay durchgeführt wird.Als nächstes legen Sie im dunklen Raum einen Fisch in die Mitte der Shuttle-Box. Befestigen Sie den Deckel und befestigen Sie die Elektroden an einem Netzteil. Der Fisch sollte im Dunkeln akklimatiert werden.Schalten Sie alle Lichter aus und gewöhnen Sie den Fisch für 15 Minuten an die Shuttle Box. Eine erfolgreiche Akklimatisierung kann in Betracht gezogen werden, wenn der Fisch das Aquarium frei erkundet. Nach erfolgreicher Akklimatisierung der Fische leuchten Manuell eine 800 Lumen rote Linsen-Taschenlampe etwa zwei Zentimeter von der Gelkastenwand entfernt auf die vom Fisch besetzte Seite.Starten Sie keinen Versuch, wenn der Fisch neben dem Platindraht ruht. Leuchten Sie den Lichtreiz direkt auf den Fisch und verfolgen Sie manuell jede seitliche Bewegung des Fisches mit dem Licht, um eine kontinuierliche Visualisierung des Reizes zu gewährleisten. Setzen Sie den Lichtreiz fort, bis eine der folgenden Bedingungen für eine erfolgreiche oder fehlgeschlagene Studie erfüllt ist.Betrachten Sie den Versuch als erfolgreich, wenn der Fisch innerhalb von 15 Sekunden nach Lichteinwirkung die Hälfte des Tanks überquert. Sobald der Fisch die Hälfte des Wegs überquert hat, stoppen Sie den Lichtreiz sofort. Wenn der Versuch fehlgeschlagen ist, verwenden Sie ein Elektrophorese-Netzteil, um einen negativen Schockreiz von 20 Millivolt auf ein Ampere anzuwenden, abwechselnd zwei Sekunden ein, zwei Sekunden aus für 15 Sekunden mit maximal vier Stößen oder bis der Fisch die Hälfte der Box passiert.Beenden Sie dann sowohl den leichten als auch den negativen Reiz. Sorgen Sie vor der Einarbeitungszeit für eine erfolgreiche Akklimatisierung an die Shuttle Box, indem Sie den Fisch 15 Minuten lang unter dunklen Bedingungen stehen lassen. Dann leuchten Manuell eine 800 Lumen rote Linsen taschenlampe etwa zwei Zentimeter von der Gelboxwand auf der vom Fisch besetzten Seite.Strahlen Sie den Lichtreiz direkt auf den Fisch und folgen Sie jeder seitlichen Bewegung des Fisches mit dem Licht, um eine kontinuierliche Visualisierung des Reizes zu gewährleisten. Während das Licht auf den Fisch scheint, gleichzeitig den nachteiligen Schockreiz von 20 Millivolt auf ein Ampere anwenden, abwechselnd zwei Sekunden ein, zwei Sekunden aus für 15 Sekunden mit maximal vier Stößen oder bis der Fisch die Hälfte der Box passiert. Sobald dies erreicht ist, beenden Sie den leichten und nachteiligen Reiz.Wiederholen Sie diesen Vorgang für 25 Iterationen. Nach Abschluss dem Fisch eine weitere Eingewöchnungszeit von 15 Minuten unter dunklen Bedingungen einrennen. Führen Sie während der ersten Testphase eine erfolgreiche Akklimatisierung in der Shuttle Box für 15 Minuten durch, tragen Sie dann bis zu 15 Sekunden lang nur den Lichtreiz auf und zeichnen Sie die Reaktionen auf.Betrachten Sie den Versuch als erfolgreich, wenn der Fisch innerhalb von 15 Sekunden nach Dem Start des Lichtreizes die Hälfte der Shuttle-Box überquert und den Lichtreiz sofort stoppt, wenn der Fisch die Hälfte des Wegs überquert. Betrachten Sie den Versuch als fehlgeschlagen, wenn der Fisch 15 Sekunden nach dem Start des Lichtreizes nicht die Hälfte der Shuttle Box überquert und den Lichtreiz nach 15 Sekunden stoppt. Wenden Sie während des ersten Tests nach einem fehlgeschlagenen Versuch keinen negativen Stimulus an.Führen Sie Kurzzeitgedächtnistests unmittelbar nach dem ersten Testzeitraum durch. Induzieren Sie dramatische Hirnverletzungen und warten Sie vier Stunden vor dem Testen. Dann akklimatisieren Sie den Fisch in der Shuttle Box für 15 Minuten.Beurteilen Sie das Kurzzeitgedächtnis, indem Sie bis zu 15 Sekunden lang nur den Lichtreiz anwenden und aufzeichnen, ob der Fisch die Hälfte der Box überquert, bevor das Licht ausgeschaltet wird, als bestandener Versuch betrachtet wird oder den Halbzeitpunkt nicht innerhalb der 15 Sekunden überschreitet, die als fehlgeschlagener Versuch gelten. Wiederholen Sie den obigen Schritt 25 Mal mit einer 30-sekündigen Ruhezeit zwischen jeder Studie und notieren Sie die Anzahl der erfolgreichen und fehlgeschlagenen Studien. Führen Sie vier Tage nach dem ersten Test Langzeitgedächtnistests durch.Induzieren Sie ein Schädel-Hirn-Trauma und warten Sie vier Stunden vor dem Test, dann akklimatisieren Sie den Fisch in der Shuttle Box für 15 Minuten. Beurteilen Sie das Langzeitgedächtnis, indem Sie bis zu 15 Sekunden lang nur den Lichtreiz anwenden und aufzeichnen, ob der Fisch die Hälfte der Box überquert, bevor das Licht ausgeschaltet wird, als bestandener Versuch betrachtet wird oder den Halbzeitpunkt nicht innerhalb der 15 Sekunden überschreitet, die als fehlgeschlagener Versuch gelten. Wiederholen Sie die oben genannten 25 Mal mit einer 30-sekündigen Ruhezeit zwischen jeder Studie und notieren Sie die Anzahl der erfolgreichen und fehlgeschlagenen Studien.Der lehrreiche Überblick über die Lern- und Gedächtnisparadigmen für die kognitive Bewertung wird hier gezeigt. Der unbeschädigte Fisch mit acht Monaten, junger Erwachsener, 18 Monate, Erwachsener mittleren Alters und 24 Monate, älterer Erwachsener, erforderte eine ähnliche Anzahl von Versuchen, um das Verhalten der Vermeidung des roten Lichts zu lernen. Nach der Verwendung des Schweren Stumpfkraft-Trauma-Hirnverletzungsmodells (STBI) benötigten die Fische in verschiedenen Altersgruppen eine ähnliche Anzahl von Versuchen, um den Assay ein bis fünf Tage nach der Verletzung zu beherrschen.Am ersten Tag nach STBI benötigten Fische jeden Alters eine ähnliche Anzahl von Versuchen, um das Verhalten zu erlernen, das signifikant größer war als die unbeschädigten Kontrollen. Der unbeschädigte Fisch meisterte die Shuttle Box schnell und erzielte fünf aufeinanderfolgende positive Versuche in etwa 17 Versuchen, während Fische eines Tages nach einer leichten Hirnverletzung oder einem leichten TBI eine signifikante Zunahme der Anzahl der Versuche zeigen, um das Verhalten zu lernen. Dieses Defizit erhöhte sich nach zwei leichten TBI und war nach drei leichten TBI-Verletzungen weiter erhöht.Unbeschädigte Fische zeigen einen leichten Anstieg der prozentualen Differenz erfolgreicher Versuche im unmittelbaren Gedächtnis und im verzögerten Gedächtnis im Vergleich zum anfänglichen Testzeitraum. Nach einem einzigen milden TBI zeigten Fische im Vergleich zu unbeschädigten Fischen signifikante und sofortige Gedächtnisdefizite. Dieser Trend setzte sich mit wiederholten Verletzungen mit zunehmenden Defiziten nach zwei leichten TBI und drei leichten TBI fort.Der Zeitpunkt der angewendeten unerwünschten Reize ist entscheidend. Die Paarung der negativen Reize mit dem Licht und ihrer gleichzeitigen Entfernung festigt ihre Assoziation und ist entscheidend für das Paradigma. Der Assay ermöglicht eine schnelle Beurteilung oder komplexes assoziatives Lernen, mit dem Entwicklungs-, Alterungs- und Umweltauswirkungen auf kognitive Beeinträchtigungen untersucht werden können.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

C. elegans Positive Butanone Learning, Short-term, and Long-term Associative Memory Assays

C. elegans Positive Butanone Learning, Short-term, and Long-term Associative Memory Assays

C. elegans Positive Butanone Learning, kurzfristige und langfristige Assoziative Speicher Assays

The memory of experiences and learned information is critical for organisms to make choices that aid their survival. C. elegans navigates its environment ...

Forschung

Neurowissenschaften

Assaying Locomotor, Learning, and Memory Deficits in Drosophila Models of Neurodegeneration

Assaying Locomotor, Learning, and Memory Deficits in Drosophila Models of Neurodegeneration

Assaying Bewegungsapparat, Lernen und Gedächtnis Defizite in Drosophila Modelle von Neurodegeneration

Advances in genetic methods have enabled the study of genes involved in human neurodegenerative diseases using Drosophila as a model system1. Most of ...

Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Optische Aufnahme überschwellige neuronale Aktivität mit Single-Cell-und Single-Spike Auflösung

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also ...

Mapping Cortical Dynamics Using Simultaneous MEG/EEG and Anatomically-constrained Minimum-norm Estimates: an Auditory Attention Example

Mapping Kortikale Dynamics Mit Simultaneous MEG / EEG und anatomisch eingeschränkt Minimum-Norm Schätzungen: ein Auditory Achtung Beispiel

Magneto- and electroencephalography (MEG/EEG) are neuroimaging techniques that provide a high temporal resolution particularly suitable to investigate the ...

Appetitive Associative Olfactory Learning in Drosophila Larvae

Appetitive Associative Olfactory Learning in Drosophila Larvae

Appetitive Assoziative olfaktorischen Lernens in<em&gt; Drosophila</em&gt; Larven

In the following we describe the methodological  details of appetitive associative olfactory learning in Drosophila larvae. The setup, in combination with ...

Drosophila Adult Olfactory Shock Learning

Drosophila Adult Olfactory Shock Learning

Drosophila Erwachsene olfaktorischen Schock Learning

Drosophila have been used in classical conditioning experiments for over 40 years, thus greatly facilitating our understanding of memory, including the ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

In vivo optogenetische Stimulation des Nager Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Elektrophysiologische Verfahren zur Aufzeichnung von intrazellulärer Spannung Antworten von<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotorezeptoren und Inter auf Lichtreize<em&gt; In Vivo</em

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method ...

Assessing Spatial Learning and Memory in Small Squamate Reptiles

Die Beurteilung räumliches Lernen und Gedächtnis in Klein squamate Reptilien

Clinical research has leveraged a variety of paradigms to assess cognitive decline, commonly targeting spatial learning and memory abilities. However, ...

Drosophila Courtship Conditioning As a Measure of Learning and Memory

Drosophila Courtship Conditioning As a Measure of Learning and Memory

Drosophila Courtship Conditioning Als Maß für Lernen und Gedächtnis

Many insights into the molecular mechanisms underlying learning and memory have been elucidated through the use of simple behavioral assays in model ...