Vision Related Behavior Tasks in Adult Zebrafish

Abstract

Zebrafish (Danio rerio) is a commonly used model organism for researching genetics, physiology and behavior. Both larvae and adult fish are used in research due to their low cost, innate and robust behavior as well as a fully sequenced genome. Furthermore, the visual system of zebrafish shares similarities with that of human’s, such as retinal structures, functionality of the cell types as well as genetics guiding visual structures. Adult zebrafish behavior is more complex than larvae due to developmental and social aspects, and therefore it has been an interesting organism for visual behavior studies.

This thesis gives an overview on the most crucial visual behavior tasks of adult zebrafish, such as optokinetic response (OKR), optomotor response (OMR), escape response and light adaptation, and reviews the existing methods for assessing said behaviors. Furthermore, the functionality and ability of these behavioral assays to be used with human ocular disease models is evaluated. Such diseases include retinitis pigmentosa, glaucoma and vascular disease, created either genetically or environmentally in adult zebrafish. Current models for these diseases are generally relatively accurate in how they translate from human to zebrafish, due to how similarly the specific genes causing the diseases function in both organisms. More targeted disease models could be created in the future, especially for glaucoma and vascular diseases, for a more accurate assessment in behavioral assays.

The functionality of the behavioral assays reviewed in this thesis is explored both individually as well as in relation to visual function assessment in ocular disease models. The more standardized measurements, such as OKR and OMR, have the advantage of having guidelines for execution, most importantly for the laboratory environment and the stimulus presented. Therefore, they function well with all the ocular disease models mentioned as a clear reference point is already provided. Escape response measurements, although having the advantage of being highly reflexive, have the possibility of being disrupted by other sensory responses such as tactile and auditory adverse stimuli. For more accurate results in terms of visually mediated escape response, the setup should be nonchanging, excluding the visual stimulus, and standardized setup and guidelines should be created. Light adaptation as a behavior is situational, since the normal behavior of zebrafish depends on the environment. Therefore, it is more complicated to create a clearcut setup for measuring light adaptation compared to the other mentioned behavior tasks, but light adaptation is still ideal for researching photoreceptor function and adaptability, especially in retinal dystrophies such as retinitis pigmentosa.

In the future, more accurate disease models created with transgenic zebrafish, coupled with behavioral assessments conducted with standardized methods leading to maximally guided reactions, lead to more understanding of human ocular diseases and how they affect the visual system. Repeated assays provide a reliable reference point for abnormal behavior, and changes in zebrafish’s visual behavior during progressive ocular diseases can be used to predict phenotyping in humans.

Seeprakala (Danio rerio) on yleisesti käytetty malliorganismi genetiikan, fysiologian ja käyttäytymisen tutkimuksessa. Tutkimuskäytössä hyödynnetään sekä poikasia että aikuisia kaloja alhaisten kustannuksien, luontaisen ja selkeän käytöksen sekä täysin sekvensoidun genomin takia. Lisäksi seeprakalan näköjärjestelmässä on yhtäläisyyksiä ihmisen kanssa, kuten verkkokalvon rakenteet, solutyyppien toiminnallisuus sekä näköön liittyvien rakenteiden kehittymistä ohjaavat geenit. Aikuisten seeprakalojen käyttäytyminen on monimutkaisempaa kuin poikasten kehityksellisten ja sosiaalisten tekijöiden vuoksi, minkä takia laji on ollut kiinnostava tutkimuskohde näköön liittyvissä käyttäytymistutkimuksissa.

Tämä kandidaatintyö antaa yleiskatsauksen aikuisten seeprakalojen tärkeimpiin näköaistiin perustuviin käyttäytymismalleihin, kuten optokineettiseen vasteeseen (optokinetic response, OKR), optomotoriseen vasteeseen (optomotor response, OMR), pakenemisvasteeseen ja valoadaptaatioon, sekä tarkastelee olemassa olevia menetelmiä näiden käyttäytymisten arvioimiseksi. Lisäksi tutkielma arvioi näiden käyttäytymiskokeiden toimivuutta ja soveltuvuutta ihmisen silmäsairauksien mallintamiseen. Tällaisia sairauksia ovat esimerkiksi retinitis pigmentosa, glaukooma ja verisuonisairaudet, joita voidaan indusoida aikuisille seeprakaloille joko geneettisesti tai ympäristön avulla. Nykyiset mallit näille sairauksille ovat yleensä varsin tarkkoja ihmisen ja seeprakalojen välillä, sillä sairauksia aiheuttavat geenit toimivat molemmissa organismeissa samankaltaisesti. Tulevaisuudessa voitaisiin luoda tarkempia tautimalleja erityisesti glaukooman ja verisuonisairauksien tutkimiseksi, jotta käyttäytymiskokeista saataisiin entistä täsmällisempää tietoa.

Tässä tutkielmassa tarkasteltujen käyttäytymiskokeiden toimivuutta arvioidaan sekä itsessään että suhteessa näköaistin tutkimiseen silmäsairauksien malleissa. Standardoidummat mittaukset, kuten OKR ja OMR, hyötyvät olemassa olevista toteutusohjeista, erityisesti laboratoriympäristön ja esitettävän ärsykkeen suhteen. Näin ollen ne soveltuvat hyvin kaikkien mainittujen silmäsairausmallien tutkimiseen selkeän vertailukohteen vuoksi. Vaikka pakenemisvaste on voimakkaan refleksiivinen, voi sen mittausta häiritä muiden aistien kautta tulevat ärsykkeet, kuten kosketus- ja kuuloärsykkeet. Tarkempien näkövälitteisen pakenemisvasteen tulosten saamiseksi koejärjestelyn tulisi pysyä muuttumattomana visuaalista ärsykettä lukuun ottamatta, ja sen toteuttamiseksi tulisi luoda standardoitu asetelma ja ohjeistus. Valo-adaptaatio käyttäytymisenä on tilannesidonnaista, sillä seeprakalojen normaali käyttäytyminen riippuu ympäristöstä. Tämän vuoksi sen mittaamiseksi on vaikeampi luoda yksiselitteistä koejärjestelyä verrattuna muihin mainittuihin käyttäytymistehtäviin. Silti valoadaptaatio soveltuu erinomaisesti fotoreseptorien toiminnan ja mukautuvuuden tutkimiseen, erityisesti verkkokalvon rappeumissa, kuten retinitis pigmentosassa.

Tulevaisuudessa tarkempien tautimallien kehittäminen transgeenisillä seeprakaloilla, yhdessä standardoitujen menetelmien avulla tehtyjen käyttäytymiskokeiden kanssa, johtaa syvempään ymmärrykseen ihmisen silmäsairauksista ja niiden vaikutuksista näköjärjestelmään. Toistettavat kokeet tarjoavat luotettavan vertailukohdan poikkeavalle käyttäytymiselle, ja seeprakalojen näköaistiin perustuvan käyttäytymisen muutoksia etenevien silmäsairauksien aikana voidaan hyödyntää ihmisen fenotyyppien ennustamisessa.