本文介绍了一种量化视动反射的标准实验方案。该方法结合了虚拟转鼓刺激与视频眼动记录技术，从而能够精确评估该行为的特征选择性及其适应性可塑性。
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本文内容
摘要
摘要
视动反射（OKR）是一种由视觉环境整体运动所引发的重要先天性眼动反应，其功能是稳定视网膜上的图像。由于该反射具有重要生理意义且反应稳定，因此已被广泛用于研究视觉-运动学习过程，并评估具有不同遗传背景、年龄或经药物处理的小鼠的视觉功能。本文介绍一种高精度评估头部固定小鼠视动反射反应的方法。头部固定可排除前庭刺激对眼动的干扰，从而能够单独测量由视觉运动所引发的眼动反应。视动反射由一个虚拟圆筒系统诱发，该系统通过三台计算机显示器呈现垂直光栅，以恒定速度进行水平方向的振荡式或单向漂移。利用该虚拟现实系统，我们可以系统性地改变空间频率、时间/振荡频率、对比度、亮度以及光栅移动方向等视觉参数，并量化视觉特征选择性的调谐曲线。高速红外视频眼动记录技术可精确测量眼动轨迹。通过对单个小鼠眼睛进行校准，可实现对不同年龄、性别及遗传背景动物之间视动反射的比较。该技术的定量分析能力使其能够检测视动反射在老化、感觉经验或运动学习过程中发生可塑性适应时的变化，因此成为研究眼动行为可塑性的重要工具之一。
引言
面对环境中视觉刺激时，我们的眼睛会通过运动来转移视线、稳定视网膜图像、追踪移动目标，或将双眼的中央凹对准位于不同距离的观察目标，这些功能对正常视觉至关重要1,2。眼动行为因其系统结构相对简单，长期以来被广泛用作研究健康与疾病状态下感觉-运动整合神经环路的理想模型3。眼球在眼眶内的转动主要由三对眼外肌控制，其运动主要围绕三个相应轴进行：沿横轴的上转与下转、沿垂直轴的内收与外展，以及沿前后轴的内旋与外旋1,2。这种结构简单的系统使研究人员能够在实验室环境中方便而准确地评估小鼠的眼动行为。
一种重要的眼动行为是视动反射（optokinetic reflex, OKR）。这种不自主的眼动由视网膜上图像的缓慢漂移或滑动所引发，可在动物头部或周围环境运动时起到稳定视网膜图像的作用。2,4. 作为一种行为范式，视动反射（OKR）因其多个特点而引起研究人员的兴趣。首先，它能够被可靠地诱发，并可进行精确的量化5,
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方案
本研究中进行的所有实验程序均经生物科学本地动物护理委员会批准，符合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。
1. 在颅骨顶部植入头杆
注意：为避免前庭眼反射（VOR）行为对眼动的干扰，在进行OKR测试期间需固定小鼠头部。因此，需通过手术将头杆植入颅骨顶部。
- 将一只小鼠（2-5月龄雌性或雄性C57BL/6）置于含有4%异氟烷（v/v）与O2混合气体的麻醉舱中进行麻醉。将小鼠转移至定制的手术平台，并将异氟烷浓度降低至1.5%-2%。在整个手术过程中通过检测脚趾夹捏反应和呼吸频率来监测麻醉深度。
- 在动物身体下方放置加热垫以维持其体温。在双眼上涂抹一层润滑性眼膏以防止角膜干燥，并用铝箔覆盖眼睛以避免光照刺激。
- 皮下注射卡洛芬，剂量为20 mg/kg，以减轻疼痛。用氯己定葡萄糖酸盐皮肤清洁剂润湿毛发后，剃除颅骨顶部的毛发。用70%异丙醇和氯己定酒精对暴露的头皮进行两次消毒。
- 在切口部位皮下注射布比卡因（8 mg/kg），然后用剪刀去除头皮（约1 cm2），暴露颅骨背侧表面，包括后额骨、顶骨和顶间骨。
- 在暴露的颅骨上滴加数滴1%利多卡因与1:100,000肾上腺素混合液，以减轻局部疼痛和出血。使用Meyhoefer刮匙刮除颅骨表面筋膜，....
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结果
通过上述详细步骤，我们评估了视动眼震（OKR）对多种视觉特征的依赖性。此处所示的示例轨迹数据是使用补充代码文件1中提供的分析代码生成的，示例轨迹的原始数据文件可在补充代码文件2中找到。当圆筒光栅以正弦轨迹（0.4 Hz）移动时，动物的眼球会自动以类似的振荡方式跟随光栅运动（图3B 上图），这是OKR行为的典型特征2,5,8。通过快速傅里叶变换（FFT）计算得出水平方向OKR眼动的振幅（图3C&D），OKR增益则定义为眼动振幅与光栅运动振幅的比值（图3C）。OKR增益随空间频率、振荡频率以及光栅运动方向的变化而变化（
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讨论
本文介绍的OKR行为检测方法具有多项优势。首先，计算机生成的视觉刺激解决了物理转鼓固有的问题。针对物理转鼓无法系统性地检测空间频率、运动方向或对比度调谐这一缺陷8，虚拟转鼓可在每次试验中灵活调整这些视觉参数，从而促进对OKR行为特征选择性的系统性与定量分析（图4A）；而物理转鼓因外部光源照射导致光照不均匀23，虚拟转鼓则可在整个表面提供均匀的亮度；借助中性密度滤光片（ND滤光片）和亮度计，计算机生成的视觉刺激可实现从暗视觉到明视觉范围内多个精确控制的亮度水平下的OKR测量（图4B），这在物理转鼓上难以实现。由于不受物理转鼓因惯性质量导致的加速度限制，虚拟视觉刺激可实现理想精确的运动轨迹，尤其在高加速度和高速度条件下表现更佳。此外，计算机生成的视觉刺激还支持其他类型视觉刺激的创造性设计，例如相干运动的光点，有助于研究多种眼动行为的神经机制。其次，我们的实验流程标准化，几乎无需人工监控行为记录的进展，从而可同时检测多只小鼠，适用.......
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披露
作者声明无竞争利益。
致谢
我们感谢 Yingtian He 分享方向调谐数据。本研究得到了加拿大创新基金会和安大略省研究基金（CFI/ORF 项目编号 37597）、自然科学与工程研究理事会（NSERC，RGPIN-2019-06479）、加拿大健康研究院（CIHR，项目资助 437007）以及康诺特新研究员奖的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 二维平移台 | Thorlabs | XYT1 | |
| 丙烯酸树脂 | Lang Dental | B1356 | 用于将头固定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 | Dust-Off | ||
| 眼膏 | Alcon | Systane | 用于保持眼睛湿润 |
| 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 | 用于维持体温 |
| 高速红外（IR）相机 | Teledyne Dalsa | G3-GM12-M0640 | 用于记录眼球旋转 |
| 红外LED | Digikey | PDI-E803-ND | 用于角膜反射参考及眼部照明 |
| 红外镜 | Edmund optics | 64-471 | 用于反射眼部图像 |
| 异氟烷 | FRESENIUS KABI | CP0406V2 | |
| Labview | National instruments | 版本 2014 | 眼动追踪 |
| 乳酸林格液 | BAXTER | JB2324 | 提供水分和能量 |
| 利多卡因与肾上腺素混合液 | Dentsply Sirona | 82215-1 | 利多卡因。局部麻醉 |
| 亮度计 | Konica Minolta | LS-150 | 用于显示器校准 |
| Matlab | MathWorks | 版本 xxx | 眼动分析 |
| 梅霍弗刮匙 | World Precision Instruments | 501773 | 用于刮除颅骨及去除筋膜 |
| 显微镜校准载玻片 | Amscope | MR095 | 用于测量视频眼动图的放大倍数 |
| 显示器 | Acer | B247W | 视觉刺激 |
| 中性密度滤光片 | Lee filters | 299 | 用于生成暗视觉条件下的视觉刺激 |
| 夜视镜 | Alpha optics | AO-3277 | 用于暗视觉OKR实验 |
| 光电二极管 | Digikey | TSL254-R-LF-ND | 用于同步视觉刺激与视频眼动记录 |
| 盐酸毛果芸香碱 | Sigma-Aldrich | P6503 | |
| 支架杆 | Thorlabs | TR1.5 | |
| 支架夹持器 | Thorlabs | PH1 | |
| PsychoPy | 开源软件 | 版本 xxx | 视觉刺激工具包 |
| 剪刀 | RWD | S12003-09 | 用于去除皮肤 |
| 超级胶水 | Krazy Glue | 类型：通用型。用于将头固定板粘附在颅骨上 |
参考文献
- Gerhard, D. Neuroscience. 5th Edition. Yale Journal of Biology and Medicine. , (2013).
- Distler, C., Hoffmann, K. P. The Oxford Handbook of Eye Movement. , Oxford University Press. 65-83 (2011).
- Sereno, A. B., Bolding, M. S.
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重印与许可
