1 Johdanto

Käyttäytymisneurotieteen ala on edistynyt valtavasti viime vuosisadalla, ja siihen kuuluu metodologian ja tieteellisten välineiden kehittäminen kognition eri osa-alueiden tutkimiseksi. Ennaceurin ja Delacourin vuonna 1988 ensimmäisen kerran tekemästä ”yhden kokeen objektintunnistustestistä” on kasvanut laajalti hyväksytty malli, jolla tutkitaan objektintunnistusmuistin lisäksi myös työmuistia, tarkkaavaisuutta, ahdistuneisuutta, neofobiaa ja neofiliaa (Antunes ja Biala, 2011; Goulart ym., 2010; Silvers ym., 2007) sekä arvioidaan farmakologisten interventioiden ja aivovaurioiden aiheuttamia muutoksia. Alun perin jyrsijöille kehitettyä NOR-testiä (novel object recognition) on käytetty myös ihmisten, kädellisten, kyyhkyjen, hamstereiden, kanien ja kalojen muistin tutkimiseen. Tässä luvussa kuvataan, miten NOR-testiä ja sen muunnelmia mukautettiin käytettäväksi makean veden ja meren kalojen kanssa ja miten nämä kalat suoriutuivat sekä NOR- että episodisen muistin (ELM) testeistä.

Viimeisimpien arvioiden mukaan valtamerten ja makean veden ekosysteemeissä on yli 32 500 kalalajia, ja ne muodostavat noin puolet planeetan elävistä selkärankaisista (Nelson, 2006). Kalat voivat elää hyvin erilaisissa ympäristöissä ja kestää erilaisia fysiologisia haasteita, jotka viime kädessä vaikuttavat niiden käyttäytymisrepertuaariin. Esimerkiksi jotkut kalat elävät makeassa vedessä, joka ei sisällä juuri lainkaan suolaa (0,1 mOsmol/kg), kun taas toiset viihtyvät meressä (∼1000 mOsmol/kg) ja jopa hypersuolaisessa (2400 mOsmol/kg) ympäristössä (McCormick ym., 2013), minkä vuoksi ne tarvitsevat täysin vastakkaisia ionoregulaatioprosesseja tasapainottaakseen sisäisen miljöönsä (∼300 mOsmol/kg). Euryhaliniset kalat voivat jopa siirtyä edestakaisin suolavedestä meriveteen (McCormick ym., 2013). Muut kalat, kuten karisiankarppi (Carassius carassius), voivat elää 4 °C:n vedessä ilman happea (täydellinen anoksia) useita kuukausia (Nilsson, 2001). Nämä ovat fysiologisia urotekoja, joilla ei ole vertailukohtaa nisäkkäiden järjestelmissä. Saattaa olla, että maaeläiminä emme osaa suhtautua hyvin vedenalaiseen elämään emmekä vietä paljon aikaa kalojen tarkkailuun niiden luonnollisessa elinympäristössä. Tämä johtaa siihen, että sekä tutkijoilla että suurella yleisöllä on yleinen taipumus aliarvioida kalojen fysiologisia ja henkisiä kykyjä (Brown et al., 2008; Brown, 2014). Vuosien varrella on kuitenkin tehty monia mielenkiintoisia löytöjä, jotka antavat jonkinlaisen käsityksen kalojen kognitiivisista kyvyistä niiden luonnossa tapahtuvan käyttäytymisen perusteella. Esimerkiksi kalojen työkalujen käyttöä kuvattiin jo vuonna 1958, kolme vuotta ennen kuin Jane Goodall löysi työkalujen käytön simpansseilla (ks. Bshary ym., 2002; Patton ja Braithwaite, 2015). Ruskea hoplo-monni (Hoplosternum thoracatum) munii ja erittää sen jälkeen liiman kaltaista ainetta, jonka avulla se kiinnittää mätimunansa lehtien karikkeeseen (eli ”tablettiin”). Uhkan ilmetessä nämä kalat poimivat tämän ”tabletin” ja siirtävät munat turvaan (Armburst, 1958). Afrikkalaisten särkikalojen (Aequidens paraguayensis) on havaittu kuljettavan mätimunia lehtitablettien avulla (Keenleyside ja Prince, 1976; Timms ja Keenleyside, 1975), ja mustatäpläkalan (Choerodon schoenleinii) on havaittu tarttuvan simpukankuoriin suussaan ja murskaavan sen kiveä vasten ja käyttävän siten kivenmuotoista alttaritaulua (Jones ym., 2011). Lisäksi työkalujen käyttöä havaittiin hiljattain laboratoriotutkimuksessa Atlantin turskalla (Gadus morhua) (Millot ym., 2013). Kalojen työkalunkäytöstä, avaruudellisista ja navigointikyvyistä sekä sosiaalisesta dynamiikasta on monia muitakin kuvauksia, jotka eivät kuulu tämän luvun piiriin (ks. katsaus, Brown, 2014; Bshary ym., 2002; Patton ja Braithwaite, 2015).

Oppimisen ja muistin osalta eri kalalajeista lahnoilla näyttää olevan poikkeukselliset avaruudelliset muistikyvyt. Niitä on tutkittu viimeisen puolen vuosisadan ajan. Nämä kalat, jotka havaittiin ensimmäisen kerran luonnossa, elävät vuorovesivyöhykkeellä, jossa vesipatsas nousee nousuveden aikana, ja ne voivat tutkia koko vuorovesivyöhykkeen. Laskuveden aikana vesipatsas laskee, jolloin pohjakaloille jää vain pieniä vesialtaita, joissa ne voivat elää. Jos saalistaja ärsyttää niitä laskuveden aikana, ne lentävät ilmaan ja hyppäävät altaasta toiseen. Usein altaiden yläreunat eivät anna pohjantikkaille mahdollisuutta nähdä kohdettaan, mikä edellyttää kohdealtaan tarkkaa muistamista (Aronson, 1951, 1971). Tätä avaruudellista muistia tutkittiin laboratoriossa, ja havaittiin, että se voi säilyä jopa 40 päivän ajan (Aronson, 1971), mikä on paljon enemmän kuin kalamyyttien ”kolmen sekunnin muistiaika”. Muissa tutkimuksissa osoitettiin, että muisti säilyi vähintään 10 päivää avaruudellisessa vuorottelutehtävässä seeprakalalla (Williams ym., 2002), vähintään 12 päivää ruokaan perustuvassa vahvistetussa erottelutestissä sähkösirkkalla (Labidochromis caeruleus) (Ingraham ym., 2016) ja jopa kuukauden ajan implisiittisessä muistitestissä paratiisikalalla (Macropodus opercularis) (Csányi ym., 1989). Ruokahalun jäljittämisparadigmassa Atlantin turska (G. morhua) osoitti muistin säilyvän vähintään 3 kuukauden kuluttua (Nilsson ym., 2008) ja pakoreaktiotehtävässä täplikäs sateenkaarikala (Melanotaenia duboulayi) osoitti muistin säilyvän 11 kuukautta sen jälkeen, kun se oli alun perin altistunut testille (Brown, 2001). Kahdessa jälkimmäisessä tutkimuksessa kalat koulutettiin ja testattiin ryhmissä.

Viime vuosisadalla suurin osa oppimis- ja muistitutkimuksista tehtiin laboratoriossa pidetyillä kultakaloilla tai luonnonvaraisesti pyydetyillä kaloilla; viime vuosikymmenen aikana seeprakaloilla (Danio rerio) tehtyjen tutkimusten määrä on kuitenkin kasvanut. Tästä kalasta on tullut hyödyllinen malliorganismi käyttäytymisneurotieteen ja farmakologian tutkimuksissa (Bailey et al., 2015; Kalueff et al., 2013; Levin et al., 2007; Norton ja Bally-Cuif, 2010; Tierney, 2011; Mathur ja Guo, 2010; Orger ja de Polavieja, 2017). Sitä on käytetty monien käyttäytymisen näkökohtien tutkimiseen, mukaan lukien palkitseminen, oppiminen ja muisti, vaste lääkkeisiin, aggressio, ahdistuneisuus ja uni (Collier ja Echevarria, 2013; Hamilton et al., 2017b; Holcombe et al., 2013; Perathoner et al., 2016; Norton ja Bally-Cuif, 2010). Seeprakalojen keskushermosto on paljon vähemmän monimutkainen kuin ihmisten; tärkeimmät aivojen jaottelut (etuaivot, keskiaivot ja takaraivot) ja välittäjäainejärjestelmät ovat kuitenkin konservoituneet (Panula ym., 2010). Kun sen genomin sekvensointi on saatu päätökseen (Kettleborough ym., 2013), seeprakala on geneetikkojen valitsema malli, koska sitä on helppo manipuloida eteenpäin (Patton ja Zon, 2001) ja taaksepäin suuntautuvilla geneettisillä tekniikoilla (Rinkwitz ym., 2011). Näin ollen seeprakalojen käytön odotetaan auttavan määrittämään neuraalisia ja geneettisiä mekanismeja, jotka kontrolloivat perus- ja monimutkaisia käyttäytymismalleja (Holtzman ym., 2016; Blaser ja Vira, 2014; Gerlai, 2012; Feierstein ym., 2015; Naumann ym., 2016; Friedrich ym., 2010; Leighton ym., 2018).

Oppimis- ja muistitutkimukset ovat osoittaneet, että seeprakalat kykenevät suorittamaan monenlaisia oppimisja muistitehtäviä. Esimerkiksi seeprakalat, joita kasvatettiin pelkästään punaisella, sinisellä, vihreällä tai valkoisella ruoalla, purivat useammin muoviliuskoja, jotka olivat samanvärisiä kuin ruoka, jolla niitä kasvatettiin, verrattuna muunvärisiin liuskoihin (Spence ja Smith, 2008). T-sokkelokokeessa, jossa oli kaksi eriväristä haaraa, ”oikean” väriseen haaraan meneminen palkittiin johdonmukaisesti ruoalla. Seeprakalat pystyivät suorittamaan visuaalisen erottelutehtävän; ne osoittivat mieltymystä värilliseen haaraan, joka oli yhdistetty ruokapalkkioon (Colwill ym., 2005). Joissakin käyttäytymiskokeissa käytettiin myös ”negatiivista vahvistinta” assosiatiivisen muistin tutkimiseksi. Hälytysferomoni on yhdiste, jota vapautuu seeprakalojen epidermissolujen vahingoittuessa ja joka aiheuttaa synnynnäisen hälytysvasteen. Hall ja Suboski (1995) havaitsivat, että kun hälytysferomoni oli yhdistetty punaiseen valoon tai hajumolekyyliin, kuten morfoliiniin (alun perin neutraalit ärsykkeet), seeprakalat osoittivat hälytysreaktiota jompaankumpaan ärsykkeeseen ilman hälytysferomonia (Hall ja Suboski, 1995). Välttämisreaktio on toinen ehdollistetun oppimisen tyyppi, jossa annetaan stressaavia tai haitallisia ärsykkeitä, jotka saavat organismin välttämään ärsykettä. Esimerkiksi seeprakalat voidaan ehdollistaa uimaan esteen yli valosignaalin nähdessään, jos signaalia seuraa johdonmukaisesti lievä sähköisku (Pradel ym., 1999, 2000). Seeprakaloja on testattu myös avaruudellisissa oppimisparadigmoissa. Ne voivat oppia uimaan vuorotellen akvaarion eri puolille kerätäkseen ruokapalkinnon (Smith ym., 2010; Williams ym., 2002) tai välttääkseen vastenmielistä ärsykettä (Levin ja Chen, 2004). Näin ollen monet jyrsijöillä käytetyt oppimis- ja muistitestit on nyt mukautettu ja suoritettu seeprakaloilla.