小鼠视动反射视觉特征选择性的量化

Summary

在这里，我们描述了一种用于量化视动反射的标准方案。它结合了虚拟鼓刺激和视频眼部成像，因此可以精确评估行为的特征选择性及其自适应可塑性。

Abstract

视动反射 （OKR） 是一种重要的先天性眼球运动，由视觉环境的整体运动触发，用于稳定视网膜图像。由于其重要性和稳健性，OKR 已被用于研究视觉运动学习并评估具有不同遗传背景、年龄和药物治疗的小鼠的视觉功能。在这里，我们介绍了一种高精度评估头部固定小鼠OKR响应的程序。头部固定可以排除前庭刺激对眼球运动的影响，从而可以测量仅由视觉运动触发的眼球运动。OKR 由虚拟鼓系统引发，其中三个计算机显示器上呈现的垂直光栅以振荡方式水平漂移或以恒定速度单向漂移。通过这个虚拟现实系统，我们可以系统地改变视觉参数，如空间频率、时间/振荡频率、对比度、亮度和光栅方向，并量化视觉特征选择性的调谐曲线。高速红外视频眼球造影可确保准确测量眼球运动的轨迹。对个体小鼠的眼睛进行校准，以提供比较不同年龄、性别和遗传背景的动物之间的OKR的机会。该技术的定量能力使其能够检测 OKR 的变化，当这种行为由于衰老、感官体验或运动学习而塑性地适应时;因此，它使该技术成为用于研究眼睛行为可塑性的工具库的宝贵补充。

Introduction

为了响应环境中的视觉刺激，我们的眼睛会移动以转移我们的视线、稳定视网膜图像、跟踪移动目标或将两只眼睛的中央凹与距离观察者不同距离的目标对齐，这对正常视力至关重要 ^1,2。动眼神经行为已被广泛用作有吸引力的感觉运动整合模型，以了解健康和疾病中的神经回路，至少部分原因是动眼神经系统的简单性³。在三对眼外肌的控制下，眼睛在眼眶中主要围绕三个相应的轴旋转:沿横轴的抬高和凹陷，沿垂直轴的内收和外展，以及沿前后轴^的内收和外展^1,2。这种简单的系统使研究人员能够在实验室环境中轻松准确地评估小鼠的动眼神经行为。

一种主要的动眼神经行为是视动反射 （OKR）。这种不自主的眼球运动是由视网膜上图像的缓慢漂移或滑动触发的，当动物的头部或其周围环境移动时，用于稳定视网膜图像^2,4。OKR 作为一种行为范式，出于多种原因对研究人员来说很有趣。首先，它可以被可靠地刺激并准确量化^5,6。其次，量....

Protocol

本研究中进行的所有实验程序均已根据多伦多大学动物护理委员会和加拿大动物护理委员会制定的指南获得生物科学当地动物护理委员会的批准。

1. 在颅骨顶部植入头杆

注意:为避免 VOR 行为对眼球运动的贡献，在 OKR 测试期间固定鼠标头部。因此，通过手术将头杆植入颅骨顶部。

1. 在气室中用4%异氟烷（v / v）和O 2的混合物麻醉小鼠（_2-5 个月大的雌性和雄性C57BL / 6）。将小鼠转移到定制的手术平台上，将异氟醚的浓度降低到1.5%-2%。通过检查整个手术过程中的脚趾捏反应和呼吸频率来监测麻醉深度。
2. 在动物身体下方放置加热垫以保持其体温。在双眼上涂上一层润滑眼膏，以保护它们免受干燥。用铝箔盖住眼睛，以保护它们免受光线照射。
3. 皮下注射卡洛芬，剂量为 20 mg/kg，以减轻疼痛。用葡萄糖酸氯己定皮肤清洁剂润湿皮毛后，剃掉头骨顶部的皮毛。用70%异丙醇和氯己定酒精对暴露的头皮进行两次消毒。
4. 在切口部位皮下注射布比卡因（8mg / kg），然后用剪刀去除头皮（~1cm²），露出颅骨背面，包括额后骨，顶骨和顶间骨。
5. 在暴露的头骨上滴几滴 1% 利多卡因和 1:100,000 肾上腺素，以减轻局部疼痛和出血。用 Meyhoefer 刮匙刮除颅骨以去除筋膜并....

Results

通过上面详述的过程，我们评估了 OKR 对几个视觉特征的依赖性。此处显示的示例迹线是使用补充编码文件 1 中提供的分析代码得出的，示例迹线原始文件可在补充编码文件 2 中找到。当滚筒光栅以正弦轨迹（0.4 Hz）漂移时，动物的眼睛以类似的振荡方式自动跟随光栅的运动（图3B上图），这是OKR行为的特征^2,5,8。通过快速傅里叶变换推导了水平轴上OKR眼球运动的幅度（图3C&D），并将OKR增益计算为眼球运动幅度与光栅运动幅度之比（图3C）。OKR增益随空间频率、振荡频率和光栅运动方向的变化而变化（

Discussion

此处介绍的 OKR 行为测定方法具有几个优点。首先，计算机生成的视觉刺激解决了物理鼓的内在问题。针对物理鼓不支持空间频率、方向或对比度调谐的系统检查8的问题，虚拟鼓允许在逐个试验的基础上改变这些视觉^{参数，从而}有助于对OKR行为的特征选择性进行系统和定量分析（图4A）;当物理鼓受到外部光源²³的不均匀照明时，虚拟鼓可以很容易地在其表面上提供均匀的亮度;在ND滤镜和亮度计的帮助下，计算机生成的视觉刺激允许在从暗视到明视的各种良好控制的亮度水平下进行OKR测量（图4B），这是物理鼓难以做到的。由于惯性质量，物理鼓的加速度不受限制，虚拟视觉刺激可以实现理想的精确轨迹，尤其是在高加速度和高速度下。此外，计算机生成的视觉刺激允许创造性地设计其他类型的视觉刺激，例如连贯移动的点，这有助于研究各种动眼神经行为的机制。其次，我们的程序是标准化的，因此需要最少的努力来监测行为记录的进展，这提供了一个同时检查多只小鼠的机会。因此，它适用于涉及大量.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
2D 平移阶段	Thorlabs	XYT1
丙烯酸树脂	Lang Dental	B1356	用于将头板固定在颅骨上并保护颅骨
布比卡因	STERIMAX	ST-BX223	布比卡因注射液 BP 0.5%。局部麻醉
卡洛芬	RIMADYL	8507-14-1	镇痛
压缩空气	除
眼膏	Alcon	Systane	用于保持眼睛水分
显卡	NVIDIA	Geforce GTX 1650 或 Quadro P620。	用于在三个显示器之间生成单个屏幕
加热垫	Kent Scientific	HTP-1500	用于保持体温
高速红外 （IR） 相机	Teledyne Dalsa	G3-GM12-M0640	用于记录眼睛旋转
红外 LED	Digikey	PDI-E803-ND	用于 CR 参考和眼睛的照明
红外镜	爱特蒙特光学	64-471	用于反射眼睛的图像
异氟醚	FRESENIUS KABI	CP0406V2
Labview	National instruments	2014 版	眼动追踪
乳酸林格	BAXTER	JB2324	水和能源供应
利多卡因和肾上腺素混合物	登士柏 Sirona	82215-1	赛洛卡因。局部麻醉
亮度计	柯尼卡美能达	LS-150	用于校准显示器
Matlab	MathWorks	版本 xxx	眼球运动分析
Meyhoefer Curette	世界精密仪器	501773	用于刮除颅骨和去除筋膜
显微镜校准载玻片	Amscope	MR095	测量放大倍率视频眼影
监测仪	Acer	B247W	视觉刺激
中性密度滤光片	Lee 滤光片	299	产生暗视视觉刺激
近视力护目镜	Alpha 光学器件	AO-3277	用于暗视 OKR
光电二极管	Digikey	TSL254-R-LF-ND	同步视觉刺激和视频眼球造影
盐酸毛果芸香碱	Sigma-Aldrich	P6503
帖子	Thorlabs	TR1.5
帖子持有者	Thorlabs	PH1
PsychoPy	开源软件	版本 xxx	视觉刺激工具包
剪刀	RWD	S12003-09	用于皮肤去除
强力胶	Krazy 胶水		类型：通用。用于将头板粘附在颅骨上