斑马鱼学习记忆行为实验

【服务简介】

斑马鱼幼体在受精后前两天通体透明，眼睛大小占到大脑体积的二分之一以上，成鱼昼夜节律明显，对光反应强烈，因此斑马鱼在视觉领域应用的优势十分明显。斑马鱼是一种典型的白昼活动和具有较好视觉功能的鱼类，视网膜面积为(3.04 ± 0.29) mm2，厚度为(167.5 ± 12.5) μm，视网膜细胞层可分为10层，神经节细胞总数量约为 40 000～56 000个，感光细胞层(包括色素上皮层)与神经网膜厚度比值约为1∶1.3。顶盖是鱼脑中高度发达的部分，视觉信息通过视交叉投射至对侧顶盖，而很少投射至同侧顶盖．视觉信息输入在斑马鱼群聚、捕食、逃避等高级神经活动中都占主导地位。

斑马鱼视动反应系统

眼动反应

眼动反应(optokinetic response, OKR)是检测斑马鱼视觉相关基因突变的经典行为学实验。受精后第3天(day post-fertilization,dpf)开始，幼鱼在光适应一段时间后就会对移动的光栅进行注视，如果光栅是在一个围绕幼鱼的圆筒上移动时，幼鱼的眼睛就会一直追随光栅直到其眼睛不能再转动，然后就会有一个急速的眼颤动以回复到最初水平。之后又进行下一个追随反应，如此循环。斑马鱼所在培养皿的正上方放置一个数码摄像机对其眼动进行实时记录，然后用专门的软件分析眼睛与体轴的夹角，从而可以筛选出视觉功能存在缺陷的个体。有研究在第一次将斑马鱼作为模式动物的时候就已经注意到这种现象，他们最早应用了斑马鱼的眼动反应和视动反应来筛选视觉缺陷的个体。当光栅是由圆筒上的黑白条纹产生时，调整条纹的宽度可以调节刺激的空间频率，而调整圆筒的转速可以调节刺激的时间频率。当使用数码投影时，可以对黑白条纹的光栅进行相应的傅立叶变换，产生一组带有第二信息的光栅刺激。有研究证实，幼年斑马鱼不仅可以对第一刺激指令起反应，也可以对第二刺激指令起正确的反应。对这种次级指令的视觉认知是在视皮层中进行的，可是斑马鱼却没有视皮层。

因此，有研究提出对刺激指令信号的提取可能在低等脊椎动物的神经回路中就已经形成的观点。报道中斑马鱼适合做OKR的年龄是在 73～80 hpf 时期，成鱼暂时还没有相关的OKR报道．这是因为幼鱼可以通过体表呼吸，当幼鱼固定在甲基纤维素中进行视动反应时并不会因为窒息而死，但是成年斑马鱼在甲基纤维素固定的情况下鳃部不能张合以致死亡。用特定的方法固定成鱼头部与身体，同样实验条件下也可以看到明显的OKR。

视动反应

视动反应(optomotor response, OMR)是指斑马鱼对移动的目标有一种追逐的行为，该反应可以用来检测幼鱼和成鱼的视觉相关基因突变。幼年斑马鱼发生明显视动反应的时期一般在7 dpf左右。将幼鱼放在一个狭窄的长方形水缸中，在鱼缸底部放置一个显示器，当显示器中的光栅朝向某个方向运动时，斑马鱼会朝着光栅移动的方向运动。多条鱼进行实验时，光栅发散或聚集，鱼群会表现出相应的群体反应。通过不断变换光栅的呈现模式，可以筛选那些对光栅方向改变反应迟钝的个体，以达到筛选视觉基因缺陷体的目的。因为可以将多个鱼缸并联使用，由此可见这是一种高通量的筛选方法。

成年斑马鱼的视动反应装置与幼年斑马鱼的眼动反应装置有点类似。斑马鱼在一个透光性好的圆形鱼缸中可以自由游动，鱼缸中放置一个小圆柱以阻挡斑马鱼穿过中心区域游动。在鱼缸的外围放置一个可以转动的塑料圆柱，塑料圆柱上贴上一张黑白条纹相间的白纸，在环形光源的照射下可以产生一组具有时间频率和空间频率的光栅。当光栅转动时斑马鱼会追随光栅围绕鱼缸做圆周运动，改变光栅的转动方向，斑马鱼会对移动方向做出相应的调整。有研究发现，斑马鱼对低空间频率的光栅刺激会有一个明显的追随反应，而对于高空间频率具有频率选择作用，对于时间频率的反应取决于光栅的空间频率，固定空间频率的情况下不同时间频率有不同的追随偏好。

OKR、OMR测试装置示意图

参考文献

R. Fu, H. Liu, Y. Zhang, et al., Imidacloprid affects the visual behavior of adult zebrafish (Danio rerio) by mediating the expression of opsin and phototransduction genes and altering the metabolism of neurotransmitters, Science of the Total Environment (2023).

Engeszer R E, Barbiano L A, Ryan M J, et al. Timing and plasticity of shoaling behaviour in the zebrafish, Danio rerio. Anim Beha,2007, 74(15): 1269～1275

Peichel C L. Social behavior: how do fish find their shoal mate. Curr Biol, 2004, 14(13): 503～504

Miklosi A, Andrew R J, Gasparini S. Role of right hemifield in visual control of approach to target in zebrafish. Behav Brain Res, 2001, 122(1): 57～65

Bass S L S, Gerlai R. Zebrafish (Danio rerio) responds differentially to stimulus fish: The effects of sympatric and allopatric predators and harmless fish. Behav Brain Res, 2008, 186(1): 107～117

Easter S S, Nicola G N. The development of vision in the zebrafish, Danio rerio. Dev Biol, 1996, 180(2): 646～663

Li L. Zebrafish Mutants: Behavioral genetic studies of visual system defects. Develop Dynam, 2001, 221: 365～372

Brockerhoff S E, Hurley J B, Janssen-Bienhold U, et al. A behavioral screen for isolating zebrafish mutants with visual system defects. Proc Natl Acad Sci USA, 1995, 92(23): 10545～10549

Fleisch V C, Neuhauss S C F. Visual behavior in zebrafish. Zebrafish, 2006, 3(2): 191～201

Neuhauss S C F. Behavioral genetic approaches to visual systemdevelopment and function in zebrafish. J Neurobiol, 2003, 54 (1):148～160

Orger M B, Smear M C, Anstis S M, et al. Perception of fourier and non-fourier motion by larval zebrafish. Nat Neurosci, 2000, 3 (1):1128～1133

Li L, Dowling J E. A dominant form of inherited retinal degeneration caused by a non-photoreceptor cell-specific mutation. Proc Natl Acad Sci USA, 1997, 94(21): 11645～11650

Maaswinkel H, Li L. Spatio-temporal frequency characteristics of the optomotor response in zebrafish. Vis Res, 2003, 43(1): 21～30