1 Wprowadzenie

Działanie neuronauki behawioralnej rozwinęło się ogromnie w ostatnim stuleciu i obejmuje rozwój metodologii i narzędzi naukowych do badania różnych aspektów poznania. Test jednopróbowego rozpoznawania obiektów”, po raz pierwszy przeprowadzony przez Ennaceur i Delacour w 1988 roku, stał się powszechnie akceptowanym modelem do badania nie tylko pamięci rozpoznawania obiektów, ale także pamięci roboczej, uwagi, lęku, neofobii i neofilii (Antunes i Biala, 2011; Goulart i in., 2010; Silvers i in., 2007) oraz do oceny zmian spowodowanych interwencjami farmakologicznymi i uszkodzeniami mózgu. Test rozpoznawania nowych obiektów (NOR), opracowany po raz pierwszy dla gryzoni, był również wykorzystywany do badania pamięci u ludzi, naczelnych, gołębi, chomików, królików i ryb. W tym rozdziale opiszemy, jak test NOR i warianty tego testu zostały zaadaptowane do użytku z rybami słodkowodnymi i morskimi, oraz jak te ryby wypadły w testach NOR i pamięci epizodycznej (ELM).

Zgodnie z ostatnimi szacunkami, istnieje ponad 32 500 gatunków ryb w ekosystemach oceanicznych i słodkowodnych, i stanowią one około połowy żyjących kręgowców na naszej planecie (Nelson, 2006). Ryby mogą żyć w bardzo różnych środowiskach i wytrzymywać różne wyzwania fizjologiczne, które ostatecznie wpływają na ich repertuar zachowań. Na przykład, niektóre ryby żyją w wodach słodkich nie zawierających prawie żadnej soli (0,1 mOsmol/kg), podczas gdy inne rozwijają się w środowisku morskim (∼1000 mOsmol/kg), a nawet hipersolnym (2400 mOsmol/kg) (McCormick i in., 2013), w wyniku czego wymagają całkowicie przeciwstawnych procesów jonoregulacyjnych, aby zrównoważyć swoje środowisko wewnętrzne (∼300 mOsmol/kg). Ryby euryhalinowe mogą nawet przechodzić z wody słonej do wody morskiej (McCormick i in., 2013). Inne ryby, takie jak karasie (Carassius carassius) mogą żyć w wodach o temperaturze 4°C bez dostępu tlenu (całkowita anoksja) przez kilka miesięcy (Nilsson, 2001). Są to fizjologiczne wyczyny, które nie mają porównania w systemach ssaków. Być może, jako zwierzęta lądowe, nie odnosimy się dobrze do życia pod wodą i nie poświęcamy zbyt wiele czasu na obserwację ryb w ich naturalnym środowisku. Prowadzi to do tego, że zarówno badacze, jak i opinia publiczna mają ogólną tendencję do niedoceniania fizjologicznych i umysłowych możliwości ryb (Brown i in., 2008; Brown, 2014). Jednak na przestrzeni lat dokonano wielu interesujących odkryć, które dają pewien wgląd w ich zdolności poznawcze na podstawie ich zachowania w środowisku naturalnym. Na przykład, używanie narzędzi przez ryby zostało opisane już w 1958 roku, 3 lata przed odkryciem przez Jane Goodall używania narzędzi u szympansów (zob. Bshary i in., 2002; Patton i Braithwaite, 2015). Brązowy hoplo sum (Hoplosternum thoracatum) składa jaja, a następnie wydziela substancję podobną do kleju, której używa do przyklejania jaj do ściółki liściowej (tj. „tabletki”). W przypadku zagrożenia ryby te podnoszą tę „tabletkę” i przenoszą jaja w bezpieczne miejsce (Armburst, 1958). U pielęgnic afrykańskich (Aequidens paraguayensis) zaobserwowano przenoszenie ikry za pomocą tabletek z liści (Keenleyside i Prince, 1976; Timms i Keenleyside, 1975), a u tuskusa czarnoplamego (Choerodon schoenleinii) zaobserwowano chwytanie muszli w pysku i rozbijanie jej o skałę, a więc używanie kowadełka przypominającego skałę (Jones i in., 2011). Dodatkowo, używanie narzędzi zaobserwowano niedawno w badaniach laboratoryjnych z udziałem dorsza atlantyckiego (Gadus morhua) (Millot i in., 2013). Istnieje wiele innych opisów użycia narzędzi, zdolności przestrzennych i nawigacyjnych oraz dynamiki społecznej u ryb, które wykraczają poza zakres tego rozdziału (dla przeglądu patrz, Brown, 2014; Bshary i in., 2002; Patton i Braithwaite, 2015).

W odniesieniu do uczenia się i pamięci, wśród różnych gatunków ryb, babkowate wydają się mieć wyjątkowe zdolności pamięci przestrzennej. Były one badane przez ostatnie pół wieku. Po raz pierwszy zaobserwowane w środowisku naturalnym, ryby te żyją w strefie pływów, gdzie słup wody podnosi się podczas przypływu i mogą zbadać całą strefę międzypływową. Podczas odpływu słup wody obniża się, pozostawiając jedynie małe baseny, w których babkowate mogą żyć. W przypadku stymulacji przez drapieżnika podczas odpływu babkowate unoszą się w powietrzu, skacząc z jednego basenu do drugiego. Często górne brzegi basenów nie pozwalają babkom zobaczyć celu, co wymusza dokładne zapamiętanie basenu docelowego (Aronson, 1951, 1971). Ta pamięć przestrzenna była badana w laboratorium i okazało się, że może być zachowana nawet przez 40 dni (Aronson, 1971), czyli znacznie dłużej niż „3-sekundowy okres pamięci” w rybim micie. W innych badaniach wykazano, że pamięć była zachowana przez co najmniej 10 dni w zadaniu naprzemienności przestrzennej u zeberek (Williams i in., 2002), przez co najmniej 12 dni w teście dyskryminacji wzmocnionej pokarmem u pielęgnicy żółtej (Labidochromis caeruleus) (Ingraham i in., 2016) i do 1 miesiąca w teście pamięci ukrytej u ryby rajskiej (Macropodus opercularis) (Csányi i in., 1989). W paradygmacie warunkowania apetytu dorsz atlantycki (G. morhua) wykazywał zachowanie pamięci po co najmniej 3 miesiącach (Nilsson i in., 2008), a w zadaniu reakcji ucieczki tęczanka plamista (Melanotaenia duboulayi) wykazywała zachowanie pamięci po 11 miesiącach od początkowej ekspozycji na test (Brown, 2001). W tych dwóch ostatnich badaniach ryby były szkolone i testowane w grupach.

Większość badań nad uczeniem się i pamięcią w ostatnim stuleciu przeprowadzono na laboratoryjnie hodowanych złotych rybkach lub dziko żyjących rybach, jednak w ostatniej dekadzie nastąpił gwałtowny wzrost badań z zebrą (Danio rerio). Ryba ta stała się użytecznym organizmem modelowym w badaniach z zakresu neuronauki behawioralnej i farmakologii (Bailey i in., 2015; Kalueff i in., 2013; Levin i in., 2007; Norton i Bally-Cuif, 2010; Tierney, 2011; Mathur i Guo, 2010; Orger i de Polavieja, 2017). Została ona wykorzystana do badania wielu aspektów zachowania, w tym nagrody, uczenia się i pamięci, reakcji na leki, agresji, lęku i snu (Collier i Echevarria, 2013; Hamilton i in., 2017b; Holcombe i in., 2013; Perathoner i in., 2016; Norton i Bally-Cuif, 2010). Centralny układ nerwowy zebrafish jest znacznie mniej złożony niż u człowieka, jednak główne podziały mózgu (przodomózgowie, śródmózgowie i tyłomózgowie) oraz systemy neuroprzekaźników są konserwowane (Panula i in., 2010). Wraz z zakończeniem sekwencjonowania genomu (Kettleborough i in., 2013), zebrafika jest modelem z wyboru dla genetyków ze względu na prostotę manipulacji za pomocą technik genetyki forward (Patton i Zon, 2001) i reverse genetic (Rinkwitz i in., 2011). Stąd oczekuje się, że wykorzystanie zebrafish pomoże w określeniu neuronalnych i genetycznych mechanizmów kontrolujących podstawowe i złożone zachowania (Holtzman i in., 2016; Blaser i Vira, 2014; Gerlai, 2012; Feierstein i in., 2015; Naumann i in., 2016; Friedrich i in., 2010; Leighton i in., 2018).

Badania nad uczeniem się i pamięcią wykazały, że zebrafish są w stanie wykonać szeroki zakres zadań związanych z uczeniem się i pamięcią. Na przykład, zebrafish, które były hodowane wyłącznie z czerwonym, niebieskim, zielonym lub białym pokarmem częściej gryzły plastikowe paski, które były tego samego koloru, co pokarm, z którym były hodowane, w porównaniu do pasków o innych kolorach (Spence i Smith, 2008). W teście T-maze z dwoma różnokolorowymi ramionami, wejście do ramienia o „prawidłowym” kolorze było konsekwentnie nagradzane pokarmem. Zebrafish były w stanie wykonać zadanie dyskryminacji wizualnej; wykazywały preferencję do kolorowego ramienia, które było połączone z nagrodą w postaci pokarmu (Colwill i in., 2005). W niektórych testach behawioralnych, w celu zbadania pamięci asocjacyjnej, stosowano również „negatywny czynnik wzmacniający”. Feromon alarmowy jest związkiem uwalnianym przy uszkodzeniu komórek naskórka zebrafish i wywołuje wrodzoną reakcję alarmową. Hall i Suboski (1995) odkryli, że po sparowaniu feromonu alarmowego z czerwonym światłem lub cząsteczką zapachową, taką jak morfolina (początkowo neutralne bodźce), zebraki wykazywały reakcję alarmową na każdy z tych bodźców przy braku feromonu alarmowego (Hall i Suboski, 1995). Reakcja unikania jest kolejnym rodzajem uczenia uwarunkowanego, które polega na podawaniu stresujących lub szkodliwych bodźców, co powoduje, że organizm unika bodźca. Na przykład, zebrafy mogą być uwarunkowane, aby przepłynąć przez płotek na widok sygnału świetlnego, jeśli po tym sygnale konsekwentnie następują łagodne wstrząsy elektryczne (Pradel et al., 1999, 2000). Zebrafisze były również testowane w paradygmatach uczenia się przestrzennego. Mogą one nauczyć się pływać na przemian do różnych stron akwarium w celu odebrania nagrody w postaci pokarmu (Smith i in., 2010; Williams i in., 2002) lub w celu uniknięcia bodźca awersyjnego (Levin i Chen, 2004). W związku z tym, szeroki zakres testów uczenia się i pamięci, które były stosowane u gryzoni, są obecnie adaptowane i wykonywane przez zebrafish.