1 Introduction
Het gebied van de gedragsneurowetenschappen heeft in de vorige eeuw een enorme vooruitgang geboekt en omvat de ontwikkeling van methodologie en wetenschappelijke instrumenten om verschillende aspecten van cognitie te onderzoeken. De ‘one-trial object recognition test’ voor het eerst uitgevoerd door Ennaceur en Delacour in 1988 is uitgegroeid tot een algemeen aanvaard model om niet alleen objectherkenning geheugen, maar ook het werkgeheugen, aandacht, angst, neofobie en neofilie te onderzoeken (Antunes en Biala, 2011; Goulart et al., 2010; Silvers et al., 2007) en om veranderingen veroorzaakt door farmacologische interventies en hersenletsels te beoordelen. De NOR-test (novel object recognition) is ontwikkeld voor knaagdieren, maar is ook gebruikt voor geheugenonderzoek bij mensen, primaten, duiven, hamsters, konijnen en vissen. Dit hoofdstuk beschrijft hoe de NOR test en varianten van deze test werden aangepast voor gebruik bij zoet- en zeewatervissen, en hoe deze vissen presteerden in zowel NOR als episodisch-achtig geheugen (ELM) testen.
Volgens recente schattingen zijn er meer dan 32.500 vissoorten in de oceaan en zoetwaterecosystemen, en zij vertegenwoordigen ongeveer de helft van de levende gewervelde dieren op de planeet (Nelson, 2006). Vissen kunnen in zeer verschillende omgevingen leven en verschillende fysiologische uitdagingen doorstaan die uiteindelijk hun gedragsrepertoire beïnvloeden. Sommige vissen leven bijvoorbeeld in zoet water dat bijna geen zout bevat (0,1 mOsmol/kg), terwijl andere gedijen in de zee (∼1000 mOsmol/kg) en tot hypersaline (2400 mOsmol/kg) omgevingen (McCormick et al., 2013), en als gevolg daarvan hebben ze volledig tegengestelde ionoregulatoire processen nodig om hun interne milieu in evenwicht te houden (∼300 mOsmol/kg). Euryhaliene vissen kunnen zelfs heen en weer gaan van zoutwater naar zeewater (McCormick et al., 2013). Andere vissen, zoals de kroeskarper (Carassius carassius), kunnen maandenlang leven in water van 4°C zonder zuurstof (volledige anoxie) (Nilsson, 2001). Dit zijn fysiologische prestaties die in zoogdiersystemen niet te vergelijken zijn. Het is mogelijk dat wij, landdieren, ons niet goed kunnen inleven in het leven onder water en niet veel tijd besteden aan het observeren van vissen in hun natuurlijke habitat. Dit leidt ertoe dat zowel onderzoekers als het grote publiek de algemene neiging hebben om de fysiologische en mentale capaciteiten van vissen te onderschatten (Brown et al., 2008; Brown, 2014). Toch zijn er in de loop der jaren veel interessante ontdekkingen gedaan die enig inzicht geven in hun cognitieve vermogens op basis van hun gedrag in het wild. Zo werd het gebruik van gereedschappen door vissen al in 1958 beschreven, 3 jaar vóór Jane Goodall’s ontdekking van gereedschapsgebruik bij chimpansees (zie Bshary et al., 2002; Patton en Braithwaite, 2015). De bruine hoplo meerval (Hoplosternum thoracatum) legt eieren en scheidt vervolgens een lijmachtige substantie af waarmee hij zijn eieren aan bladstrooisel vastplakt (d.w.z. een ’tablet’). Als zich een bedreiging voordoet, pikken deze vissen dit “tablet” op en brengen de eitjes in veiligheid (Armburst, 1958). Afrikaanse cichliden (Aequidens paraguayensis) werden waargenomen terwijl ze eieren vervoerden met bladertabletten (Keenleyside and Prince, 1976; Timms and Keenleyside, 1975), en bij de blackspot tuskfish (Choerodon schoenleinii) werd waargenomen terwijl hij een schelp in zijn bek pakte en deze tegen een rots sloeg, waarbij hij dus een rotsachtig aambeeld gebruikte (Jones et al., 2011). Bovendien werd het gebruik van werktuigen onlangs waargenomen in een laboratoriumstudie met Atlantische kabeljauw (Gadus morhua) (Millot et al., 2013). Er zijn vele andere beschrijvingen van gereedschapgebruik, ruimtelijke en navigatievaardigheden en sociale dynamiek bij vissen die buiten het bestek van dit hoofdstuk vallen (voor een overzicht zie, Brown, 2014; Bshary et al., 2002; Patton en Braithwaite, 2015).
Wat leren en geheugen betreft, lijken de grondels, onder verschillende vissoorten, uitzonderlijke ruimtelijke geheugenvaardigheden te hebben. Ze zijn de laatste halve eeuw bestudeerd. Deze vissen, die voor het eerst in het wild werden waargenomen, leven in de getijdenzone waar de waterkolom bij vloed stijgt en zij de hele intergetijdenzone kunnen verkennen. Bij eb daalt de waterkolom en blijven er voor de grondels slechts kleine waterpoelen over om in te leven. Als ze tijdens eb door een roofdier worden gestimuleerd, gaan de grondels door de lucht en springen ze van de ene poel naar de andere. Vaak kunnen de grondels hun doel niet zien aan de bovenrand van de poelen, zodat een nauwkeurig geheugen van de doelpoel noodzakelijk is (Aronson, 1951, 1971). Dit ruimtelijk geheugen werd in het laboratorium bestudeerd, en men stelde vast dat het tot 40 dagen kan worden bewaard (Aronson, 1971), veel meer dan de “3-seconden-geheugenspanne” in vismythe. Andere studies toonden aan dat het geheugen gedurende minstens 10 dagen behouden bleef in een ruimtelijke alternatietaak bij zebravissen (Williams et al., 2002), gedurende minstens 12 dagen in een voedselversterkte discriminatietest bij de elektrisch gele cichlide (Labidochromis caeruleus) (Ingraham et al., 2016) en tot 1 maand in een impliciete geheugentest bij de paradijsvis (Macropodus opercularis) (Csányi et al., 1989). In een paradigma van appetitieve sporenconditionering toonden Atlantische kabeljauw (G. morhua) geheugenbehoud aan na minstens 3 maanden (Nilsson et al., 2008) en in een ontsnappingsresponstaak toonden gevlekte regenboogvissen (Melanotaenia duboulayi) geheugenbehoud aan 11 maanden na hun eerste blootstelling aan de test (Brown, 2001). In de laatste twee studies werden de vissen in groepen getraind en getest.
De meeste leer- en geheugenstudies in de vorige eeuw werden uitgevoerd op in het laboratorium gehuisveste goudvissen of in het wild gevangen vissen; in het laatste decennium was er echter een sterke toename van onderzoek met de zebravis (Danio rerio). Deze vis is een nuttig modelorganisme geworden in gedragsneurowetenschappelijke en farmacologische studies (Bailey et al., 2015; Kalueff et al., 2013; Levin et al., 2007; Norton and Bally-Cuif, 2010; Tierney, 2011; Mathur and Guo, 2010; Orger and de Polavieja, 2017). Het is gebruikt om vele aspecten van gedrag te onderzoeken, waaronder beloning, leren en geheugen, reactie op drugs, agressie, angst en slaap (Collier en Echevarria, 2013; Hamilton et al., 2017b; Holcombe et al., 2013; Perathoner et al., 2016; Norton en Bally-Cuif, 2010). Het centrale zenuwstelsel van de zebravis is veel minder complex dan dat van de mens; de belangrijkste hersendivisies (voorhersenen, middenhersenen en achterhersenen) en neurotransmittersystemen zijn echter geconserveerd (Panula et al., 2010). Met de voltooiing van de sequentiebepaling van het genoom (Kettleborough et al., 2013), is de zebravis een model bij uitstek voor genetici vanwege de eenvoud in manipulatie via voorwaartse (Patton en Zon, 2001) en achterwaartse genetische technieken (Rinkwitz et al., 2011). Vandaar dat verwacht wordt dat het gebruik van zebravissen zal helpen bij het bepalen van de neurale en genetische mechanismen die basale en complexe gedragingen controleren (Holtzman et al., 2016; Blaser en Vira, 2014; Gerlai, 2012; Feierstein et al., 2015; Naumann et al., 2016; Friedrich et al., 2010; Leighton et al., 2018).
Leer- en geheugenstudies toonden aan dat zebravissen in staat zijn om een breed scala aan leer- en geheugentaken uit te voeren. Zo beten zebravissen die uitsluitend met rood, blauw, groen of wit voedsel werden gekweekt, vaker in de plastic strips die dezelfde kleur hadden als het voedsel waarmee ze werden gekweekt, vergeleken met strips van andere kleuren (Spence en Smith, 2008). In een T-maze test met twee verschillend gekleurde armen, werd het binnengaan van de arm met de ‘juiste’ kleur consequent beloond met voedsel. Zebravissen waren in staat een visuele discriminatietaak uit te voeren; zij toonden een voorkeur voor de gekleurde arm die gepaard ging met een voedselbeloning (Colwill et al., 2005). In sommige gedragstesten werd ook een “negatieve bekrachtiger” gebruikt om het associatief geheugen te onderzoeken. Alarmferomoon is een verbinding die vrijkomt bij verwonding van de epidermale cellen van de zebravis en die een aangeboren alarmreactie veroorzaakt. Hall en Suboski (1995) ontdekten dat na het koppelen van alarmferomoon aan een rood licht of een geurmolecule zoals morfoline (aanvankelijk neutrale stimuli), zebravissen een alarmreactie vertoonden op een van beide stimuli in afwezigheid van het alarmferomoon (Hall en Suboski, 1995). Een andere vorm van geconditioneerd leren is het toedienen van stressvolle of schadelijke stimuli, waardoor het organisme de stimulus gaat vermijden. Zo kunnen zebravissen bijvoorbeeld worden geconditioneerd om over een horde te zwemmen bij het zien van een lichtsignaal, indien dit signaal consequent wordt gevolgd door lichte elektrische schokken (Pradel et al., 1999, 2000). Zebravissen zijn ook getest in ruimtelijke leerparadigma’s. Ze kunnen leren om naar wisselende kanten van een aquarium te zwemmen om een voedselbeloning op te halen (Smith et al., 2010; Williams et al., 2002) of om een aversieve stimulus te vermijden (Levin en Chen, 2004). Vandaar dat een breed scala van leer- en geheugentests die bij knaagdieren werden gebruikt, nu worden aangepast en uitgevoerd door zebravissen.