Behavioral methods for the functional assessment of hair cells in zebrafish

Abstract

Zebrafish is an emerging animal model for studies on auditory system. This model presents high comparability with humans, good accessibility to the hearing organ, and high throughput capacity. To better utilize this animal model, methodologies need to be used to quantify the hearing function of the zebrafish. Zebrafish displays a series of innate and robust behavior related to its auditory function. Here, we reviewed the advantage of using zebrafish in auditory research and then introduced three behavioral tests, as follows: the startle response, the vestibular-ocular reflex, and rheotaxis. These tests are discussed in terms of their physiological characteristics, up-to-date technical development, and apparatus description. Test limitation and areas to improve are also introduced. Finally, we revealed the feasibility of these applications in zebrafish behavioral assessment and their potential in the high-throughput screening on hearing-related genes and drugs.

Keywords

zebrafish (Danio rerio) / behavior / auditory / startle response / vestibular-ocular reflex / rheotaxis

References

[1] He Y, Cai  C, Tang D ,  Sun S, Li  H. Effect of histone deacetylase inhibitors trichostatin A and valproic acid on hair cell regeneration in zebrafish lateral line neuromasts. Front Cell Neurosci 2014; 8: 382

[2] Shen X, Liu  F, Wang Y ,  Wang H, Ma  J, Xia W ,  Zhang J ,  Jiang N ,  Sun S, Wang  X, Ma D . Down-regulation of msrb3 and destruction of normal auditory system development through hair cell apoptosis in zebrafish. Int J Dev Biol 2015; 59(4-6): 195–203

[3] Stawicki TM, Esterberg  R, Hailey DW ,  Raible DW ,  Rubel EW . Using the zebrafish lateral line to uncover novel mechanisms of action and prevention in drug-induced hair cell death. Front Cell Neurosci 2015; 9: 46

[4] Steiner AB, Kim  T, Cabot V ,  Hudspeth AJ . Dynamic gene expression by putative hair-cell progenitors during regeneration in the zebrafish lateral line. Proc Natl Acad Sci USA 2014; 111(14): E1393–E1401

[5] Zamora LY, Lu  Z. Alcohol-induced morphological deficits in the development of octavolateral organs of the zebrafish (Danio rerio). Zebrafish 2013; 10(1): 52–61

[6] Duncan JS, Fritzsch  B. Evolution of sound and balance perception: innovations that aggregate single hair cells into the ear and transform a gravistatic sensor into the organ of corti. Anat Rec (Hoboken) 2012; 295(11): 1760–1774

[7] Ou HC, Santos  F, Raible DW ,  Simon JA ,  Rubel EW . Drug screening for hearing loss: using the zebrafish lateral line to screen for drugs that prevent and cause hearing loss. Drug Discov Today 2010; 15(7-8): 265–271

[8] Howe K, Clark  MD, Torroja CF ,  Torrance J ,  Berthelot C ,  Muffato M ,  Collins JE ,  Humphray S ,  McLaren K ,  Matthews L ,  McLaren S ,  Sealy I ,  Caccamo M ,  Churcher C ,  Scott C ,  Barrett JC ,  Koch R, Rauch  GJ, White S ,  Chow W, Kilian  B, Quintais LT ,  Guerra-Assunção JA ,  Zhou Y, Gu  Y, Yen J ,  Vogel JH ,  Eyre T, Redmond  S, Banerjee R ,  Chi J, Fu  B, Langley E ,  Maguire SF ,  Laird GK ,  Lloyd D ,  Kenyon E ,  Donaldson S ,  Sehra H ,  Almeida-King J ,  Loveland J ,  Trevanion S ,  Jones M ,  Quail M ,  Willey D ,  Hunt A, Burton  J, Sims S ,  McLay K ,  Plumb B ,  Davis J ,  Clee C, Oliver  K, Clark R ,  Riddle C ,  Elliot D ,  Threadgold G ,  Harden G ,  Ware D, Begum  S, Mortimore B ,  Kerry G ,  Heath P ,  Phillimore B ,  Tracey A ,  Corby N ,  Dunn M, Johnson  C, Wood J ,  Clark S ,  Pelan S ,  Griffiths G ,  Smith M ,  Glithero R ,  Howden P ,  Barker N ,  Lloyd C ,  Stevens C ,  Harley J ,  Holt K, Panagiotidis  G, Lovell J ,  Beasley H ,  Henderson C ,  Gordon D ,  Auger K ,  Wright D ,  Collins J ,  Raisen C ,  Dyer L, Leung  K, Robertson L ,  Ambridge K ,  Leongamornlert D ,  McGuire S ,  Gilderthorp R ,  Griffiths C ,  Manthravadi D ,  Nichol S ,  Barker G ,  Whitehead S ,  Kay M, Brown  J, Murnane C ,  Gray E, Humphries  M, Sycamore N ,  Barker D ,  Saunders D ,  Wallis J ,  Babbage A ,  Hammond S ,  Mashreghi-Mohammadi M ,  Barr L, Martin  S, Wray P ,  Ellington A ,  Matthews N ,  Ellwood M ,  Woodmansey R ,  Clark G ,  Cooper J ,  Tromans A ,  Grafham D ,  Skuce C ,  Pandian R ,  Andrews R ,  Harrison E ,  Kimberley A ,  Garnett J ,  Fosker N ,  Hall R, Garner  P, Kelly D ,  Bird C, Palmer  S, Gehring I ,  Berger A ,  Dooley CM ,  Ersan-Ürün Z ,  Eser C, Geiger  H, Geisler M ,  Karotki L ,  Kirn A, Konantz  J, Konantz M ,  Oberländer M ,  Rudolph-Geiger S ,  Teucke M ,  Lanz C, Raddatz  G, Osoegawa K ,  Zhu B, Rapp  A, Widaa S ,  Langford C ,  Yang F, Schuster  SC, Carter NP ,  Harrow J ,  Ning Z, Herrero  J, Searle SM ,  Enright A ,  Geisler R ,  Plasterk RH ,  Lee C, Westerfield  M, de Jong PJ ,  Zon LI, Postlethwait  JH, Nüsslein-Volhard C, Hubbard TJ ,  Roest Crollius H ,  Rogers J ,  Stemple DL . The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome. Nature 2013; 496(7446): 498–503

[9] Nicolson T. The genetics of hearing and balance in zebrafish. Annu Rev Genet 2005; 39(1): 9–22

[10] Kanungo J, Cuevas  E, Ali SF ,  Paule MG . Zebrafish model in drug safety assessment. Curr Pharm Des 2014; 20(34): 5416–5429

[11] Schibler A, Malicki  J. A screen for genetic defects of the zebrafish ear. Mech Dev 2007; 124(7-8): 592–604

[12] Whitfield TT, Riley  BB, Chiang MY ,  Phillips B . Development of the zebrafish inner ear. Dev Dyn 2002; 223(4): 427–458

[13] Ton C, Parng  C. The use of zebrafish for assessing ototoxic and otoprotective agents. Hear Res 2005; 208(1-2): 79–88

[14] Tanimoto M, Ota  Y, Horikawa K ,  Oda Y. Auditory input to CNS is acquired coincidentally with development of inner ear after formation of functional afferent pathway in zebrafish. J Neurosci 2009; 29(9): 2762–2767

[15] Fritzsch B, Beisel  KW. Evolution and development of the vertebrate ear. Brain Res Bull 2001; 55(6): 711–721

[16] Haden M, Einarsson  R, Yazejian B . Patch clamp recordings of hair cells isolated from zebrafish auditory and vestibular end organs. Neuroscience 2013; 248: 79–87

[17] Olt J, Johnson  SL, Marcotti W . In vivo and in vitro biophysical properties of hair cells from the lateral line and inner ear of developing and adult zebrafish. J Physiol 2014; 592(10): 2041–2058

[18] Trapani JG, Nicolson  T. Physiological recordings from zebrafish lateral-line hair cells and afferent neurons. Methods Cell Biol 2010; 100: 219–231

[19] Trapani JG, Nicolson  T. Mechanism of spontaneous activity in afferent neurons of the zebrafish lateral-line organ. J Neurosci 2011; 31(5): 1614–1623

[20] Uribe PM, Sun  H, Wang K ,  Asuncion JD ,  Wang Q, Chen  CW, Steyger PS ,  Smith ME ,  Matsui JI . Aminoglycoside-induced hair cell death of inner ear organs causes functional deficits in adult zebrafish (Danio rerio). PLoS ONE 2013; 8(3): e58755

[21] Egner SA, Mann  DA. Auditory sensitivity of sergeant major damselfish Abudefduf saxatilis from post-settlement juvenile to adult. Mar Ecol Prog Ser 2005; 285: 213–222

[22] Higgs DM, Rollo  AK, Souza MJ ,  Popper AN . Development of form and function in peripheral auditory structures of the zebrafish (Danio rerio). J Acoust Soc Am 2003; 113(2): 1145–1154

[23] Lechner W, Heiss  E, Schwaha T ,  Glösmann M ,  Ladich F . Ontogenetic development of weberian ossicles and hearing abilities in the African bullhead catfish. PLoS ONE 2011; 6(4): e18511

[24] Lechner W, Wysocki  LE, Ladich F . Ontogenetic development of auditory sensitivity and sound production in the squeaker catfish Synodontis schoutedeni. BMC Biol 2010; 8(1): 10

[25] Vasconcelos RO, Ladich  F. Development of vocalization, auditory sensitivity and acoustic communication in the Lusitanian toadfish Halobatrachus didactylus. J Exp Biol 2008; 211(Pt 4): 502–509

[26] Bang PI, Sewell  WF, Malicki JJ . Morphology and cell type heterogeneities of the inner ear epithelia in adult and juvenile zebrafish (Danio rerio). J Comp Neurol 2001; 438(2): 173–190

[27] Wang J, Song  Q, Yu D ,  Yang G, Xia  L, Su K ,  Shi H, Wang  J, Yin S . Ontogenetic development of the auditory sensory organ in zebrafish (Danio rerio): changes in hearing sensitivity and related morphology. Sci Rep 2015; 5: 15943

[28] Browning LM, Huang  T, Xu XH . Real-time in vivo imaging of size-dependent transport and toxicity of gold nanoparticles in zebrafish embryos using single nanoparticle plasmonic spectroscopy. Interface Focus 2013; 3(3): 20120098

[29] Pinto-Teixeira F, Muzzopappa  M, Swoger J ,  Mineo A ,  Sharpe J ,  López-Schier H . Intravital imaging of hair-cell development and regeneration in the zebrafish. Front Neuroanat 2013; 7: 33

[30] Tanimoto M, Ota  Y, Inoue M ,  Oda Y. Origin of inner ear hair cells: morphological and functional differentiation from ciliary cells into hair cells in zebrafish inner ear. J Neurosci 2011; 31(10): 3784–3794

[31] Wolman M, Granato  M. Behavioral genetics in larval zebrafish: learning from the young. Dev Neurobiol 2012; 72(3): 366–372

[32] Raible DW, Kruse  GJ. Organization of the lateral line system in embryonic zebrafish. J Comp Neurol 2000; 421(2): 189–198

[33] Niihori M, Platto  T, Igarashi S ,  Hurbon A ,  Dunn AM ,  Tran P, Tran  H, Mudery JA ,  Slepian MJ ,  Jacob A . Zebrafish swimming behavior as a biomarker for ototoxicity-induced hair cell damage: a high-throughput drug development platform targeting hearing loss. Transl Res 2015; 166(5): 440–450

[34] McNeil PL, Boyle  D, Henry TB ,  Handy RD ,  Sloman KA . Effects of metal nanoparticles on the lateral line system and behavior in early life stages of zebrafish (Danio rerio). Aquat Toxicol 2014; 152: 318–323

[35] Olszewski J, Haehnel  M, Taguchi M ,  Liao JC . Zebrafish larvae exhibit rheotaxis and can escape a continuous suction source using their lateral line. PLoS ONE 2012; 7(5): e36661

[36] Olive R, Wolf  S, Dubreuil A ,  Bormuth V ,  Debrégeas G ,  Candelier R . Rheotaxis of larval zebrafish: behavioral study of a multi-sensory process. Front Syst Neurosci 2016; 10: 14

[37] Suli A, Watson  GM, Rubel EW ,  Raible DW . Rheotaxis in larval zebrafish is mediated by lateral line mechanosensory hair cells. PLoS ONE 2012; 7(2): e29727

[38] Kimmel CB, Patterson  J, Kimmel RO . The development and behavioral characteristics of the startle response in the zebrafish. Dev Psychobiol 1974; 7(1): 47–60

[39] McElligott MB, O’malley  DM. Prey tracking by larval zebrafish: axial kinematics and visual control. Brain Behav Evol 2005; 66(3): 177–196

[40] Burgess HA, Granato  M. Modulation of locomotor activity in larval zebrafish during light adaptation. J Exp Biol 2007; 210(14): 2526–2539

[41] Zeddies DG, Fay  RR. Development of the acoustically evoked behavioral response in zebrafish to pure tones. J Exp Biol 2005; 208(7): 1363–1372

[42] Nicolson T, Rüsch  A, Friedrich RW ,  Granato M ,  Ruppersberg JP ,  Nüsslein-Volhard C . Genetic analysis of vertebrate sensory hair cell mechanosensation: the zebrafish circler mutants. Neuron 1998; 20(2): 271–283

[43] Chatterjee P, Padmanarayana  M, Abdullah N ,  Holman CL ,  LaDu J, Tanguay  RL, Johnson CP . Otoferlin deficiency in zebrafish results in defects in balance and hearing: rescue of the balance and hearing phenotype with full-length and truncated forms of mouse otoferlin. Mol Cell Biol 2015; 35(6): 1043–1054

[44] Cervi AL, Poling  KR, Higgs DM . Behavioral measure of frequency detection and discrimination in the zebrafish, Danio rerio. Zebrafish 2012; 9(1): 1–7

[45] Liu F, Xia  W, Hu J ,  Wang Y, Yang  F, Sun S ,  Zhang J ,  Jiang N ,  Wang H, Tian  W, Wang X ,  Ma D. Solute carrier family 26 member a2 (slc26a2) regulates Otic development and hair cell survival in zebrafish. PLoS ONE 2015; 10(9): e0136832

[46] Higgs DM, Souza  MJ, Wilkins HR ,  Presson JC ,  Popper AN . Age- and size-related changes in the inner ear and hearing ability of the adult zebrafish (Danio rerio). J Assoc Res Otolaryngol 2002; 3(2): 174–184

[47] Bang PI, Yelick  PC, Malicki JJ ,  Sewell WF . High-throughput behavioral screening method for detecting auditory response defects in zebrafish. J Neurosci Methods 2002; 118(2): 177–187

[48] Go W, Bessarab  D, Korzh V . atp2b1a regulates Ca(2+) export during differentiation and regeneration of mechanosensory hair cells in zebrafish. Cell Calcium 2010; 48(5): 302–313

[49] Burgess HA, Granato  M. Sensorimotor gating in larval zebrafish. J Neurosci 2007; 27(18): 4984–4994

[50] Bhandiwad AA, Zeddies  DG, Raible DW ,  Rubel EW ,  Sisneros JA . Auditory sensitivity of larval zebrafish (Danio rerio) measured using a behavioral prepulse inhibition assay. J Exp Biol 2013; 216(18): 3504–3513

[51] Hedrick TL. Software techniques for two- and three-dimensional kinematic measurements of biological and biomimetic systems. Bioinspir Biomim 2008; 3(3): 034001

[52] Neumeister H, Szabo  TM, Preuss T . Behavioral and physiological characterization of sensorimotor gating in the goldfish startle response. J Neurophysiol 2008; 99(3): 1493–1502

[53] Curtin PC, Preuss  T. Glycine and GABAA receptors mediate tonic and phasic inhibitory processes that contribute to prepulse inhibition in the goldfish startle network. Front Neural Circuits 2015; 9: 12

[54] Ku Y, Ahn  JW, Kwon C ,  Suh MW, Lee  JH, Oh SH ,  Kim HC. Gap prepulse inhibition of the auditory late response in healthy subjects. Psychophysiology 2015; 52(11): 1511–1519

[55] Maple AM, Smith  KJ, Perna MK ,  Brown RW . Neonatal quinpirole treatment produces prepulse inhibition deficits in adult male and female rats. Pharmacol Biochem Behav 2015; 137: 93–100

[56] Moyer CE, Erickson  SL, Fish KN ,  Thiels E ,  Penzes P ,  Sweet RA . Developmental trajectories of auditory cortex synaptic structures and gap-prepulse inhibition of acoustic startle between early adolescence and young adulthood in mice. Cereb Cortex 2016; 26(5): 2115–2126

[57] Saletti PG, Maior  RS, Hori E ,  Almeida RM ,  Nishijo H ,  Tomaz C . Whole-body prepulse inhibition protocol to test sensorymotor gating mechanisms in monkeys. PLoS ONE 2014; 9(8): e105551

[58] Dehmel S, Eisinger  D, Shore SE . Gap prepulse inhibition and auditory brainstem-evoked potentials as objective measures for tinnitus in guinea pigs. Front Syst Neurosci 2012; 6: 42

[59] Walter M, Tziridis  K, Ahlf S ,  Schulze H . Context dependent auditory thresholds determined by brainstem audiometry and prepulse inhibition in Mongolian gerbils. Open Journal of Acoustics 2012; 2(01): 34–49

[60] Ernest S, Rosa  FM. A genomic region encompassing a newly identified exon provides enhancing activity sufficient for normal myo7aa expression in zebrafish sensory hair cells. Dev Neurobiol 2015; 75(9): 961–983

[61] Lappe-Osthege M, Talamo  S, Helmchen C ,  Sprenger A . Overestimation of saccadic peak velocity recorded by electro-oculography compared to video-oculography and scleral search coil. Clin Neurophysiol 2010; 121(10): 1786–1787

[62] Kimmel DL, Mammo  D, Newsome WT . Tracking the eye non-invasively: simultaneous comparison of the scleral search coil and optical tracking techniques in the macaque monkey. Front Behav Neurosci 2012; 6: 49

[63] Moorman SJ, Burress  C, Cordova R ,  Slater J . Stimulus dependence of the development of the zebrafish (Danio rerio) vestibular system. J Neurobiol 1999; 38(2): 247–258

[64] Easter SS Jr, Nicola  GN. The development of eye movements in the zebrafish (Danio rerio). Dev Psychobiol 1997; 31(4): 267–276

[65] Beck JC, Gilland  E, Tank DW ,  Baker R . Quantifying the ontogeny of optokinetic and vestibuloocular behaviors in zebrafish, medaka, and goldfish. J Neurophysiol 2004; 92(6): 3546–3561

[66] Mo W, Chen  F, Nechiporuk A ,  Nicolson T . Quantification of vestibular-induced eye movements in zebrafish larvae. BMC Neurosci 2010; 11(1): 110

[67] Clemens Grisham R ,  Kindt K ,  Finger-Baier K ,  Schmid B ,  Nicolson T . Mutations in ap1b1 cause mistargeting of the Na(+)/K(+)-ATPase pump in sensory hair cells. PLoS ONE 2013; 8(4): e60866

[68] Lambert FM, Beck  JC, Baker R ,  Straka H . Semicircular canal size determines the developmental onset of angular vestibuloocular reflexes in larval Xenopus. J Neurosci 2008; 28(32): 8086–8095

[69] Sheets L, Trapani  JG, Mo W ,  Obholzer N ,  Nicolson T . Ribeye is required for presynaptic Ca(V)1.3a channel localization and afferent innervation of sensory hair cells. Development 2011; 138(7): 1309–1319

[70] Bianco IH, Ma  LH, Schoppik D ,  Robson DN ,  Orger MB ,  Beck JC ,  Li JM, Schier  AF, Engert F ,  Baker R . The tangential nucleus controls a gravito-inertial vestibulo-ocular reflex. Curr Biol 2012; 22(14): 1285–1295

[71] Migliaccio AA, Schubert  MC, Jiradejvong P ,  Lasker DM ,  Clendaniel RA ,  Minor LB . The three-dimensional vestibulo-ocular reflex evoked by high-acceleration rotations in the squirrel monkey. Exp Brain Res 2004; 159(4): 433–446

[72] Moorman SJ, Cordova  R, Davies SA . A critical period for functional vestibular development in zebrafish. Dev Dyn 2002; 223(2): 285–291

[73] Delcourt J, Becco  C, Vandewalle N ,  Poncin P . A video multitracking system for quantification of individual behavior in a large fish shoal: advantages and limits. Behav Res Methods 2009; 41(1): 228–235

[74] Fontaine E, Lentink  D, Kranenbarg S ,  Müller UK ,  van Leeuwen JL ,  Barr AH ,  Burdick JW . Automated visual tracking for studying the ontogeny of zebrafish swimming. J Exp Biol 2008; 211(8): 1305–1316

[75] Pardo-Martin C, Chang  TY, Koo BK ,  Gilleland CL ,  Wasserman SC ,  Yanik MF . High-throughput in vivo vertebrate screening. Nat Methods 2010; 7(8): 634–636

[76] Pulak R. Tools for automating the imaging of zebrafish larvae. Methods 2016; 96: 118–126

[77] Liu F, Yang  F, Wen D ,  Xia W, Hao  L, Hu J ,  Zong J, Shen  X, Ma J ,  Jiang N ,  Sun S, Zhang  J, Wang H ,  Wang X, Ma  Z, Ma D . Grhl1 deficiency affects inner ear development in zebrafish. Int J Dev Biol 2015; 59(10-12): 417–423

[78] Goldfarb A, Avraham  KB. Genetics of deafness: recent advances and clinical implications. J Basic Clin Physiol Pharmacol 2002; 13(2): 75–88

[79] Sang Q, Zhang  J, Feng R ,  Wang X, Li  Q, Zhao X ,  Xing Q, Chen  W, Du J ,  Sun S, Chai  R, Liu D ,  Jin L, He  L, Li H ,  Wang L. Ildr1b is essential for semicircular canal development, migration of the posterior lateral line primordium and hearing ability in zebrafish: implications for a role in the recessive hearing impairment DFNB42. Hum Mol Genet 2014; 23(23): 6201–6211

[80] Harris JA, Cheng  AG, Cunningham LL ,  MacDonald G ,  Raible DW ,  Rubel EW . Neomycin-induced hair cell death and rapid regeneration in the lateral line of zebrafish (Danio rerio). J Assoc Res Otolaryngol 2003; 4(2): 219–234

[81] Akagi J, Khoshmanesh  K, Evans B ,  Hall CJ ,  Crosier KE ,  Cooper JM ,  Crosier PS ,  Wlodkowic D . Miniaturized embryo array for automated trapping, immobilization and microperfusion of zebrafish embryos. PLoS ONE 2012; 7(5): e36630

[82] Lammer E, Kamp  HG, Hisgen V ,  Koch M, Reinhard  D, Salinas ER ,  Wendler K ,  Zok S, Braunbeck  T. Development of a flow-through system for the fish embryo toxicity test (FET) with the zebrafish (Danio rerio). Toxicol In Vitro 2009; 23(7): 1436–1442

[83] Ou H, Simon  JA, Rubel EW ,  Raible DW . Screening for chemicals that affect hair cell death and survival in the zebrafish lateral line. Hear Res 2012; 288(1-2): 58–66

[84] Owens KN, Santos  F, Roberts B ,  Linbo T ,  Coffin AB ,  Knisely AJ ,  Simon JA ,  Rubel EW ,  Raible DW . Identification of genetic and chemical modulators of zebrafish mechanosensory hair cell death. PLoS Genet 2008; 4(2): e1000020

[85] Li P, White  RM, Zon LI . Transplantation in zebrafish. Methods Cell Biol 2011; 105: 403–417

[86] Brandt T. Modeling brain function: the vestibulo-ocular reflex. Curr Opin Neurol 2001; 14(1): 1–4

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 81470701) and the Shenzhen Overseas Talents Innovation Plan (No. KQCX20140522150857838) awarded to FC, and by the US Army Medical Research and Materiel Command (No. W81XWH1410006) awarded to HL. Figs. 2C, 4 and 5A were adapted from references, and respectively with permissions of Elsevier,Journal of Experimental Biology and the American Physiological Society. Fig. 2A and 2B were adapted from references and of the open access journal PLoS ONE, and Fig. 5B from reference of the open access journal BMC Neuroscience.

Compliance with ethics guidelines

Qin Yang, Peng Sun, Shi Chen, Hongzhe Li, and Fangyi Chen declare that they have no conflict of interest. This manuscript is a review article and does not involve a research protocol requiring approval by the corresponding institutional review board or ethics committee.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg