Translational neurobiology of zebrafish (Danio rerio)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The zebrafish (Danio rerio) is a small freshwater teleost fish species that is increasingly utilized in biomedical research, particularly in neuroscience and biological psychiatry. Currently, zebrafish is the second-most utilized model organism in biomedicine globally, after mice, based on the number of animals tested each year. The model’s significance results from its experimental ease of use, affordability, conservation of fish physiology, relatively high genetic homology with humans (70%), rapid development, and potential for high-throughput bioscreening of drugs and genetic mutations.

Over the past 15 years, our laboratory has conducted extensive experimental work to establish the principles behind using zebrafish to study various brain pathologies, including acute and chronic stress, anxiety, and depression, as well as probing their molecular mechanisms. In addition, existing behavioral models to study the central nervous system (CNS) development and new data on the zebrafish’s critical role in memory research were reviewed. Furthermore, this study will illustrate the effectiveness of integrating zebrafish models with advanced biological research techniques, such as molecular biology, bioinformatics, omics technologies, and chemical biology methods. For example, adult zebrafish experiencing chronic stress exhibit behavioral affective syndromes along with changes in neurochemistry, specifically in the metabolism of serotonin and dopamine in the telencephalon. Moreover, alterations in the expression of genes regulating neurotransmitter receptors, glial biomarkers, cytoskeleton, and pro- and anti-inflammatory cytokines, occur in the brain.

In particular, we will focus on neuroimmune and epigenetic mechanisms of CNS pathogenesis in zebrafish models, including changes in the expression of apoptotic genes in the brain. Additionally, our own findings on using artificial intelligence (AI) systems to study zebrafish behavior after administering various neurotropic drugs, such as anxiolytics, antidepressants, psychostimulants, and hallucinogens will be presented.

In general, zebrafish is a strategic and promising model organism for translational neuroscience research, creating new models of CNS pathogenesis and finding new drugs to treat various human brain diseases. Studies of CNS pathogenesis in zebrafish are critical because of their evolutionary conservatism and ease of laboratory application, revealing novel brain disease biomarkers and potential remediation targets. Meanwhile, certain distinctive aspects of the biology and neurophysiology of zebrafish facilitate the resolution of supplementary experimental issues, thereby enhancing data and discoveries attained in typical animal models using rodents.

Full Text

The zebrafish (Danio rerio) is a small freshwater teleost fish species that is increasingly utilized in biomedical research, particularly in neuroscience and biological psychiatry. Currently, zebrafish is the second-most utilized model organism in biomedicine globally, after mice, based on the number of animals tested each year. The model’s significance results from its experimental ease of use, affordability, conservation of fish physiology, relatively high genetic homology with humans (70%), rapid development, and potential for high-throughput bioscreening of drugs and genetic mutations.

Over the past 15 years, our laboratory has conducted extensive experimental work to establish the principles behind using zebrafish to study various brain pathologies, including acute and chronic stress, anxiety, and depression, as well as probing their molecular mechanisms. In addition, existing behavioral models to study the central nervous system (CNS) development and new data on the zebrafish’s critical role in memory research were reviewed. Furthermore, this study will illustrate the effectiveness of integrating zebrafish models with advanced biological research techniques, such as molecular biology, bioinformatics, omics technologies, and chemical biology methods. For example, adult zebrafish experiencing chronic stress exhibit behavioral affective syndromes along with changes in neurochemistry, specifically in the metabolism of serotonin and dopamine in the telencephalon. Moreover, alterations in the expression of genes regulating neurotransmitter receptors, glial biomarkers, cytoskeleton, and pro- and anti-inflammatory cytokines, occur in the brain.

In particular, we will focus on neuroimmune and epigenetic mechanisms of CNS pathogenesis in zebrafish models, including changes in the expression of apoptotic genes in the brain. Additionally, our own findings on using artificial intelligence (AI) systems to study zebrafish behavior after administering various neurotropic drugs, such as anxiolytics, antidepressants, psychostimulants, and hallucinogens will be presented.

In general, zebrafish is a strategic and promising model organism for translational neuroscience research, creating new models of CNS pathogenesis and finding new drugs to treat various human brain diseases. Studies of CNS pathogenesis in zebrafish are critical because of their evolutionary conservatism and ease of laboratory application, revealing novel brain disease biomarkers and potential remediation targets. Meanwhile, certain distinctive aspects of the biology and neurophysiology of zebrafish facilitate the resolution of supplementary experimental issues, thereby enhancing data and discoveries attained in typical animal models using rodents.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors' contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, and final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

×

About the authors

A. V. Kalueff

Saint Petersburg State University; Almazov National Medical Research Center, the Ministry of Health of Russian Federation; Granov Scientific Research Center for Radiology and Surgical Technology, the Ministry of Health of Russian Federation; Scientific Research Institute of Neurosciences and Medicine; Moscow Institute of Physics and Technology; Sirius University of Science and Technology; Ural Federal University

Author for correspondence.
Email: avkalueff@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg; Saint Petersburg; Novosibirsk; Dolgoprudny; Krasnodar Region; Yekaterinburg

M. M. Kotova

Sirius University of Science and Technology

Email: avkalueff@gmail.com
Russian Federation, Krasnodar Region

D. S. Galstyan

Saint Petersburg State University; Almazov National Medical Research Center, the Ministry of Health of Russian Federation; Granov Scientific Research Center for Radiology and Surgical Technology, the Ministry of Health of Russian Federation

Email: avkalueff@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg; Saint Petersburg

T. O. Kolesnikova

Sirius University of Science and Technology

Email: avkalueff@gmail.com
Russian Federation, Krasnodar Region

References

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».