Learning paradigms in larval zebrafish and brain-wide imaging of neuronal dynamics

Abstract

Eines der derzeit angestrebten Ziele im Forschungsfeld der Neurowissenschaften ist die Erlangung von detailiertem Wissen über kognitive Vorgänge im Gehirn von Mensch und Tier, die der Verarbeitung von sensorischen Stimuli sowie dem Ablauf der dadurch ausgelösten Reaktionen zugrunde liegen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Aktivität einer Vielzahl von Neuronen im lebenden Organismus während bestimmter Verhaltensabläufe zeitgleich zu erfassen. Aufgrund der laufenden Entwicklung neuer bildgebender Verfahren und der Entdeckung des Zebrabärblings als ein in jeglicher Hinsicht zweckdienlicher Modellorganismus in den Neurowissenschaften, ergeben sich neue Möglichkeiten, genaueres Verständnis über die neuronale Dynamik während Verhaltensabläufen und Lernprozessen zu erlangen. Speziell die Larvenform des Zebrabärblings stellt einen guten Kompromiss zwischen Komplexität des Systems und Einfachheit in praktischer Anwendbarkeit dar und eignet sich daher in besonderer Weise, Zusammenhänge zwischen neuronaler Aktivität und Verhalten zu untersuchen. Bislang ist die neurokognitive Fähigkeit der Zebrafischlarven noch weitestgehend unerforscht. Für die Untersuchung der Lernfähigkeit von Zebrafischen ist somit die Entwicklung von robusten und zuverlässlichen Lernparadigmen von großem Interesse. In dieser Arbeit wurden verschiedene Konditionierungsabläufe für lebende, allerdings bewegungseingeschränkte Larven entwickelt, um das Ausmaß ihrer Lernfähigkeit zu testen. Während der operanten Konditionierung konnte eine eindeutige Verhaltensentwicklung der Tiere beobachtet werden, ein großer Anteil der Fische wies sogar einen signifikanten Anstieg in ihrer Lernleistung während des Trainings auf. Außerdem beinhaltet die Arbeit die Erläuterung weiterer entwickelter Konditionierungsabläufe, um andere Arten des Lernens, wie etwa die klassische Konditionierung, bei Zebrafischen zu untersuchen. Ein eindeutiger Lernerfolg während klassischer Konditionierung konnte zwar nicht beobachtet werden, allerdings werden mögliche Verbesserungsvorschläge diskutiert. Um Einblicke in neurologische Vorgänge während der Konditionierung zu erhalten, müssen die entwickelten Kondititionierungsabläufe mit einem kompatiblen Abbildungsverfahren entsprechend kombiniert werden. Das gesamte Gehirn der Zebrafischlarven konnte durch die Verknüpfung des zur Konditionierung entwickelten Set-ups mit Lichtfeldmikroskopie, einem dreidimensionalen Bildgebungsverfahren, während des Lernprozesses erfasst werden. Diese Arbeit beinhaltet sowohl die entsprechende Vorgangsweise als auch erste Resultate der Gehirnaufnahmen, mit dem Ziel, damit eine Grundlage für weitere Untersuchungen von neuronalen Netzwerken während Verhaltensabläufen zu schaffen.

One of the intended goals in current neuroscience research is to gain detailed knowledge about cognitive processes that underlie processing of sensory stimuli and the execution of appropriate actions in the vertebrate brain. For this purpose it is required to simultaneously record a large population of neurons of awake and behaving animals. Rapidly developing imaging technologies as well as the introduction of the zebrafish as a favourable animal model in neuroscience in diverse respects opened up new possibilities to get specific insights of neuronal dynamics during behaviour and learning. Especially the larval form of the zebrafish represents a good compromise between system complexity and practical simplicity and is therefore well-suited to investigate coherencies between neuronal activity and behaviour. So far the neurocognitive capability of larval zebrafish is relatively unexplored. Hence, the establishment of robust and reliable learning paradigms in zebrafish is of high interest in order to investigate their ability of learning. In this thesis, the extend of learning ability was examined by the development of various conditioning assays for awake, restrained zebrafish larvae. The data presented herein show a clear behavioural progress during operant conditioning. A large fraction of the animals showed a significant increase in learning performance across the training trials. Furthermore, the work presented in this thesis involved the development of further conditioning assays in order to investigate other types of learning, such as classical conditioning. A definite success in classical conditioning could not be obtained but indications for possible improvements are given. In order to gain insights of neuronal activity during conditioning, it is required to combine the established assays with an appropriate whole-brain imaging technique. Preliminary results of whole-brain imaging by light-field microscopy are presented and it is demonstrated how the established assay is coupled with LFM, with the aim to lay a foundation for further investigations on neural circuits during behaviour.