1 Introduction

Das Gebiet der Behavioral Neuroscience hat im letzten Jahrhundert enorme Fortschritte gemacht und umfasst die Entwicklung von Methoden und wissenschaftlichen Instrumenten zur Untersuchung verschiedener Aspekte der Kognition. Der von Ennaceur und Delacour 1988 erstmals durchgeführte „One-trial Object Recognition Test“ hat sich zu einem weithin akzeptierten Modell entwickelt, mit dem nicht nur das Objekterkennungsgedächtnis, sondern auch das Arbeitsgedächtnis, die Aufmerksamkeit, Angst, Neophobie und Neophilie untersucht werden können (Antunes und Biala, 2011; Goulart et al., 2010; Silvers et al., 2007) und mit dem sich Veränderungen durch pharmakologische Eingriffe und Hirnläsionen bewerten lassen. Der NOR-Test (Novel Object Recognition) wurde zunächst für Nagetiere entwickelt und dann auch zur Untersuchung des Gedächtnisses bei Menschen, Primaten, Tauben, Hamstern, Kaninchen und Fischen eingesetzt. In diesem Kapitel wird beschrieben, wie der NOR-Test und Varianten dieses Tests für die Verwendung mit Süßwasser- und Meeresfischen angepasst wurden und wie diese Fische in NOR- und ELM-Tests (episodisches Gedächtnis) abschnitten.

Nach jüngsten Schätzungen gibt es über 32 500 Fischarten in den Meeres- und Süßwasser-Ökosystemen, und sie machen etwa die Hälfte der lebenden Wirbeltiere auf dem Planeten aus (Nelson, 2006). Fische können in sehr unterschiedlichen Umgebungen leben und verschiedenen physiologischen Herausforderungen standhalten, die sich letztlich auf ihr Verhaltensrepertoire auswirken. So leben einige Fische in Süßwasser, das fast kein Salz enthält (0,1 mOsmol/kg), während andere im Meer (∼1000 mOsmol/kg) und in einer bis zu hypersalinen Umgebung (2400 mOsmol/kg) gedeihen (McCormick et al., 2013), was zur Folge hat, dass sie völlig entgegengesetzte ionoregulatorische Prozesse benötigen, um ihr internes Milieu auszugleichen (∼300 mOsmol/kg). Euryhaline Fische können sogar zwischen Salzwasser und Meerwasser hin- und herwechseln (McCormick et al., 2013). Andere Fische wie die Karausche (Carassius carassius) können mehrere Monate lang in Gewässern mit einer Temperatur von 4 °C ohne jeglichen Sauerstoff (vollständige Anoxie) leben (Nilsson, 2001). Dies sind physiologische Höchstleistungen, die in Säugetiersystemen nicht vergleichbar sind. Es mag sein, dass wir als Landtiere keinen guten Bezug zum Leben unter Wasser haben und nicht viel Zeit mit der Beobachtung von Fischen in ihrem natürlichen Lebensraum verbringen. Dies führt dazu, dass sowohl Forscher als auch die breite Öffentlichkeit dazu neigen, die physiologischen und mentalen Fähigkeiten von Fischen zu unterschätzen (Brown et al., 2008; Brown, 2014). Im Laufe der Jahre wurden jedoch viele interessante Entdeckungen gemacht, die einen gewissen Einblick in die kognitiven Fähigkeiten von Fischen auf der Grundlage ihres Verhaltens in freier Wildbahn geben. So wurde die Verwendung von Werkzeugen durch Fische bereits 1958 beschrieben, drei Jahre vor Jane Goodalls Entdeckung der Werkzeugnutzung bei Schimpansen (siehe Bshary et al., 2002; Patton und Braithwaite, 2015). Der braune Hoplo-Wels (Hoplosternum thoracatum) legt Eier und sondert dann eine leimähnliche Substanz ab, mit der er seine Eier an die Laubstreu klebt (d. h. eine „Tablette“). Im Falle einer Bedrohung nehmen diese Fische diese „Tablette“ auf und bringen die Eier in Sicherheit (Armburst, 1958). Afrikanische Buntbarsche (Aequidens paraguayensis) wurden beobachtet, wie sie ihre Eier mit Blatttabletten transportierten (Keenleyside und Prince, 1976; Timms und Keenleyside, 1975), und der Schwarzfleck-Hauerfisch (Choerodon schoenleinii) wurde dabei beobachtet, wie er eine Muschel im Maul hielt und sie gegen einen Felsen schlug, also einen steinähnlichen Amboss benutzte (Jones et al., 2011). Darüber hinaus wurde die Verwendung von Werkzeugen kürzlich in einer Laborstudie mit Kabeljau (Gadus morhua) beobachtet (Millot et al., 2013). Es gibt viele weitere Beschreibungen von Werkzeuggebrauch, räumlichen und navigatorischen Fähigkeiten und sozialer Dynamik bei Fischen, die den Rahmen dieses Kapitels sprengen würden (für eine Übersicht siehe Brown, 2014; Bshary et al., 2002; Patton und Braithwaite, 2015).

Im Hinblick auf Lernen und Gedächtnis scheinen Grundeln unter den verschiedenen Fischarten außergewöhnliche räumliche Gedächtnisfähigkeiten zu besitzen. Sie werden seit einem halben Jahrhundert erforscht. Diese Fische, die erstmals in freier Wildbahn beobachtet wurden, leben in der Gezeitenzone, wo die Wassersäule bei Flut ansteigt und sie die gesamte Gezeitenzone erkunden können. Bei Ebbe sinkt die Wassersäule ab, so dass die Grundeln nur noch in kleinen Wasserlöchern leben können. Wenn die Grundeln während der Ebbe von einem Raubtier angelockt werden, werden sie flugfähig und springen von einem Becken zum nächsten. Oft können die Grundeln ihr Ziel aufgrund der oberen Ränder der Becken nicht sehen, so dass sie sich das Zielbecken genau merken müssen (Aronson, 1951, 1971). Dieses räumliche Gedächtnis wurde im Labor untersucht, und es wurde festgestellt, dass es bis zu 40 Tage lang erhalten bleiben kann (Aronson, 1971), also viel länger als die „3-Sekunden-Gedächtnisspanne“ im Fischmythos. Andere Studien haben gezeigt, dass das Gedächtnis bei einer räumlichen Abwechslungsaufgabe bei Zebrafischen mindestens 10 Tage lang erhalten bleibt (Williams et al., 2002), bei einem mit Nahrung verstärkten Unterscheidungstest beim Elektrogelben Buntbarsch (Labidochromis caeruleus) mindestens 12 Tage lang (Ingraham et al., 2016) und bei einem impliziten Gedächtnistest beim Paradiesfisch (Macropodus opercularis) bis zu einem Monat lang (Csányi et al., 1989). In einem Paradigma zur Konditionierung von Appetitspuren zeigte der atlantische Kabeljau (G. morhua) eine Gedächtnisleistung von mindestens drei Monaten (Nilsson et al., 2008), und in einem Fluchtversuch zeigte der Gefleckte Regenbogenfisch (Melanotaenia duboulayi) eine Gedächtnisleistung von elf Monaten, nachdem er dem Test erstmals ausgesetzt worden war (Brown, 2001). In den beiden letztgenannten Studien wurden die Fische in Gruppen trainiert und getestet.

Die meisten Lern- und Gedächtnisstudien des letzten Jahrhunderts wurden an im Labor gehaltenen Goldfischen oder an Wildfängen durchgeführt; im letzten Jahrzehnt gab es jedoch einen Anstieg der Forschung mit dem Zebrafisch (Danio rerio). Dieser Fisch hat sich zu einem nützlichen Modellorganismus für verhaltensorientierte neurowissenschaftliche und pharmakologische Studien entwickelt (Bailey et al., 2015; Kalueff et al., 2013; Levin et al., 2007; Norton und Bally-Cuif, 2010; Tierney, 2011; Mathur und Guo, 2010; Orger und de Polavieja, 2017). Er wurde zur Untersuchung zahlreicher Verhaltensaspekte verwendet, darunter Belohnung, Lernen und Gedächtnis, Reaktion auf Medikamente, Aggression, Angst und Schlaf (Collier und Echevarria, 2013; Hamilton et al., 2017b; Holcombe et al., 2013; Perathoner et al., 2016; Norton und Bally-Cuif, 2010). Das zentrale Nervensystem des Zebrafisches ist weit weniger komplex als das des Menschen; die wichtigsten Hirnabteilungen (Vorderhirn, Mittelhirn und Hinterhirn) und Neurotransmittersysteme sind jedoch konserviert (Panula et al., 2010). Nach Abschluss der Genomsequenzierung (Kettleborough et al., 2013) ist der Zebrafisch ein bevorzugtes Modell für Genetiker, da er sich mit vorwärts- (Patton und Zon, 2001) und rückwärtsgenetischen Techniken (Rinkwitz et al., 2011) einfach manipulieren lässt. Daher wird erwartet, dass die Verwendung von Zebrafischen dazu beitragen wird, die neuronalen und genetischen Mechanismen zu bestimmen, die grundlegende und komplexe Verhaltensweisen steuern (Holtzman et al., 2016; Blaser und Vira, 2014; Gerlai, 2012; Feierstein et al., 2015; Naumann et al., 2016; Friedrich et al., 2010; Leighton et al., 2018).

Lern- und Gedächtnisstudien haben gezeigt, dass Zebrafische in der Lage sind, eine breite Palette von Lern- und Gedächtnisaufgaben durchzuführen. So bissen Zebrafische, die ausschließlich mit rotem, blauem, grünem oder weißem Futter aufgezogen wurden, häufiger in Plastikstreifen, die die gleiche Farbe wie das Futter hatten, mit dem sie aufgezogen wurden, als in Streifen anderer Farben (Spence und Smith, 2008). In einem T-Labyrinth-Test mit zwei verschiedenfarbigen Armen wurde das Betreten des Arms mit der „richtigen“ Farbe durchweg mit Futter belohnt. Zebrafische waren in der Lage, eine visuelle Unterscheidungsaufgabe durchzuführen; sie zeigten eine Vorliebe für den farbigen Arm, der mit einer Futterbelohnung verbunden war (Colwill et al., 2005). In einigen Verhaltenstests wurde auch ein „negativer Verstärker“ verwendet, um das assoziative Gedächtnis zu untersuchen. Das Alarmpheromon ist eine Verbindung, die bei Verletzung der Epidermiszellen von Zebrafischen freigesetzt wird und eine angeborene Alarmreaktion auslöst. Hall und Suboski (1995) fanden heraus, dass Zebrafische nach der Paarung eines Alarmpheromons mit einem roten Licht oder einem Geruchsmolekül wie Morpholin (ursprünglich neutrale Reize) eine Alarmreaktion auf beide Reize zeigten, wenn das Alarmpheromon nicht vorhanden war (Hall und Suboski, 1995). Die Vermeidungsreaktion ist eine weitere Art des konditionierten Lernens, bei der stressige oder schädliche Reize verabreicht werden, die den Organismus veranlassen, den Reiz zu meiden. So können Zebrafische beispielsweise darauf konditioniert werden, beim Anblick eines Lichtsignals über eine Hürde zu schwimmen, wenn auf dieses Signal konsequent leichte Elektroschocks folgen (Pradel et al., 1999, 2000). Zebrafische wurden auch in räumlichen Lernparadigmen getestet. Sie können lernen, zu wechselnden Seiten eines Aquariums zu schwimmen, um eine Futterbelohnung einzusammeln (Smith et al., 2010; Williams et al., 2002) oder um einen aversiven Reiz zu vermeiden (Levin und Chen, 2004). Daher wird eine breite Palette von Lern- und Gedächtnistests, die bei Nagetieren verwendet wurden, nun angepasst und von Zebrafischen durchgeführt.