通过视运动反应进行视觉功能的行为评估，通过Y迷宫对糖尿病大鼠的认知功能进行行为评估
2020年10月23日
糖尿病导致的眼睛和大脑的神经变性可以通过对啮齿动物进行的行为测试来观察。Y迷宫（空间认知的量度）和光运动反应（视觉功能的度量）都提供了对潜在诊断和治疗的洞察。
视运动反应和 Y 迷宫是行为测试，分别可用于测量各种疾病模型中的视觉功能和认知功能。这些测试的优点包括灵敏度、测试速度、使用先天反应因此不需要训练，以及能够对清醒的非麻醉动物进行测试。OMR 和 Y 迷宫可以与其他测试一起使用，以识别糖尿病等疾病中视网膜和脑功能障碍的时间外观，目的是早期诊断。
演示 Y 迷宫的是我实验室的研究技术员 Stephen Phillips。演示视运动反应或 OMR 程序的是 Allen 和 Viola 实验室的研究技术员 Amber Douglass。要设置 OMR 设备，首先为要使用的实验动物物种选择一个合适大小的平台，然后打开 OMR 软件。
根据需要使用摄像机进行放大或缩小，以便可以看到平台及其周围环境，然后单击星号和旋转条纹图标，以便绿色星号和绿色旋转条纹从实时源中消失。单击指南针图标，以显示绿色圆圈和两条垂直线，并拉伸绿色圆圈，使其与平台上的黑色圆圈完美对齐。当 OMR 完全对齐后，重新点击罗盘、星号和旋转条纹图标。
请注意，绿色条纹的旋转方向与滚筒中的条纹相同。在 testing 选项卡下，单击 psychophysics 选项卡。要测量空间频率，请在阈值下选择频率。
在 testing （测试） 下，单击 presets （预设） 并选择正在使用的实验动物的默认设置。点击消隐选项卡并勾选 blank on tracking 框，以便在鼠标右击时暂停条带并遮挡硒鼓中的计算机屏幕。然后单击 results 选项卡以打开将显示测试结果的窗口。
为了评估空间频率，将啮齿动物放在虚拟现实室中心的圆形平台上，该平台由四个计算机监视器组成，显示以每秒 12 度的速度环绕房间的垂直正弦波分级。位于房间顶部的摄像机应在计算机显示器上实时投射啮齿动物的行为。当分级沿顺时针或逆时针方向移动时，寻找啮齿动物头部是否存在反射动作。
确保图示的横道在程序中可见，因为它们将显示放坡移动的方向。注意啮齿动物的头部是否与分级方向相同。当有一个平稳的追逐，而不是不稳定的头部运动爆发时，将此运动视为跟踪。
根据需要单击 Yes （是） 或 No （否）。空间频率将从 0.042 个周期或度数开始，并随着每次 yes 和 no 的点击进行调整，以变得更容易或更困难。在测试啮齿动物时，请确保将星号保持在啮齿动物的头上，并在达到啮齿动物的空间频率阈值时观察系统是否显示 done。
请注意，是和否按钮将无法再单击。然后打开 results 选项卡，查看左眼、右眼和组合眼的空间频率。要测量对比敏感度，请在 testing （测试） 和 Psychophysics （心理物理学） 选项卡中，选择 contrast single （对比单一）。
打开 激励 和 分级 选项卡，然后在空间频率框中输入适当的值，以从对比敏感度曲线峰值处的空间频率常数开始分级。从 100% 开始对比，并寻找与空间频率测试期间观察到的相同的反射性头部运动。请注意，对比度会随着测试的进行而降低，直到啮齿动物不再响应刺激而反射性头部运动。
达到对比敏感度阈值后，打开 results 选项卡以查看左眼、右眼和组合眼的对比敏感度值。要进行 Y 迷宫分析，首先将 Y 迷宫的初始臂标记为 B，将其他两个臂标记为 A 和 C，然后将啮齿动物放在迷宫中心附近的 B 臂中。立即启动计时器，让啮齿动物探索 Y 型迷宫八分钟。
坐在离迷宫几英尺远的地方，让它在视线范围内，避免在录音和记录任何观察结果时发出任何声音。将起始位置记录为 B。每次啮齿动物进入新臂时，记录啮齿动物的新位置。如果啮齿动物在同一位置停留超过 60 秒并且似乎没有表现出探索行为，请将啮齿动物移向 Y 迷宫的中心并继续试验。
每次试验结束后，清除所有粪便并用消毒液清洁迷宫。将探索性行为计算为在试用的 8 分钟内输入的条目总数。空间认知的计算方法是成功交替的次数除以条目的总数。
在这里，使用 OMR 评估空间频率在幼稚对照的 Brown Norway 和 Long-Evans 大鼠中得到了说明。Brown Norway 大鼠通常比 Long-Evans 大鼠表现出更高的基线空间频率。此外，在 Long-Evans 大鼠中观察到对空间频率的衰老影响。
使用 OMR 评估对比敏感度揭示了 1 型糖尿病大鼠对比敏感度的显着缺陷。运动治疗减少了这些缺陷，表明 OMR 可用于检测和跟踪随时间变化的视网膜缺陷，无论是否进行干预。使用 Y 迷宫评估 2 型糖尿病模型中的认知功能和探索行为显示，与 Wistar 对照动物相比，从 7 周龄开始，Goto-Kakizaki 大鼠的空间认知存在显着缺陷，通过自发交替和探索行为（通过条目数量衡量）。
在步骤 3.4 中学习如何识别跟踪头运动是 OMR 最困难的部分。了解平稳的追逐动作是什么样的至关重要。OMR 和 Y 迷宫为 IM 大脑研究人员铺平了道路，无需训练即可快速可靠地测量视觉和认知功能，并且对动物的压力最小。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本文讨论了使用行为测试，特别是Y型迷宫和光运动反应（OMR），来评估糖尿病啮齿动物的神经变性。这些测试为空间认知和视觉功能提供了宝贵的见解，有助于诊断和治疗糖尿病相关的功能障碍。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为测试
- 糖尿病研究
背景
- 神经变性可能影响糖尿病中的眼睛和大脑。
- 行为测试可以揭示认知和视觉障碍。
- 早期诊断对于有效治疗至关重要。
- 像Y型迷宫和OMR这样的测试是敏感和快速的。
研究目的
- 利用Y型迷宫和OMR来评估认知和视觉功能。
- 识别视网膜和大脑功能障碍的时间出现。
- 改善糖尿病相关并发症的早期诊断。
使用的方法
- Y型迷宫用于测量空间认知。
- 光运动反应用于评估视觉功能。
- 在清醒、未麻醉的啮齿动物上进行测试。
- 使用先天反应来消除训练要求。
主要结果
- 这两个测试都提供了糖尿病对神经功能影响的见解。
- 测试的演示由经过培训的技术人员进行。
- 结果可以指导未来的治疗策略研究。
- 测试能够在各种疾病阶段有效识别功能障碍。
结论
- Y型迷宫和OMR是神经科学研究中的宝贵工具。
- 它们有助于理解糖尿病相关的神经变性。
- 这些方法可以导致更早的诊断和干预。
常见问题
Executive Industry Relevance
Behavioral assessment of visual and cognitive function via optomotor response and Y-maze provides early detection of retinal and neural dysfunction in diabetic models, supporting target validation and mechanistic de-risking in diabetes drug discovery. These assays enable quantitative tracking of disease progression and intervention effects without anesthesia or training, improving translational predictability and reducing late-stage attrition in CNS and sensory complication programs.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Measures spatial frequency and contrast sensitivity thresholds to interrogate visual pathway integrity in diabetic retinopathy models.
- Scientific Value: Quantifies spontaneous alternation and exploratory behavior to assess hippocampal-dependent spatial cognition in type 2 diabetes models.
- Operational Value: Uses innate reflexive responses, eliminating training requirements and reducing variability in behavioral readouts.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates dose-responsive data on visual and cognitive endpoints for compound screening in diabetes complication models.
- Operational Value: Enables high-throughput, repeated testing on awake animals to monitor temporal onset of dysfunction.
- Operational Value: Provides automated output thresholds for spatial frequency and contrast sensitivity, supporting assay standardization.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Links retinal and cognitive deficits to disease stage, enabling biomarker-aligned preclinical evaluation.
- Operational Value: Supports continuity from discovery through preclinical validation by tracking functional decline over time.
- Strategic Value: Informs risk-adjusted advancement decisions by identifying early functional deficits predictive of clinical complications.
Pipeline & Workflow Integration
The optomotor response and Y-maze function as discovery-phase behavioral assays that feed into lead identification and preclinical evaluation by providing functional readouts on visual and cognitive pathways affected in diabetes.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of retinal and hippocampal pathway modulation via quantitative visual and cognitive thresholds.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs on spatial frequency, contrast sensitivity, and alternation behavior for compound effect assessment.
- Analytics: Enables statistical comparison of threshold shifts and alternation ratios across treatment and control groups.
- Translational Research: Connects functional visual and cognitive readouts to disease progression models, supporting preclinical continuity.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable behavioral platform for cross-program evaluation of sensory and cognitive liability in metabolic disease.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by detecting early-stage retinal and cognitive dysfunction before structural changes manifest.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized apparatus alignment and automated threshold detection.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by identifying mechanistically relevant functional deficits linked to diabetes pathology.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of compounds that demonstrate rescue of visual or cognitive performance in diabetic models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience and visual system physiology to interpret tracking movements and alternation patterns.
- Dependent on video tracking hardware, virtual reality stimulus display, and maze sanitation infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of testing protocols, lighting conditions, and animal handling to reduce inter-lab variability.
- Adaptation across rodent strains requires baseline characterization of spatial frequency and alternation performance, as seen in Brown Norway vs. Long-Evans rats.
- Limited to functional assessment; does not replace histopathological or electrophysiological validation of retinal or neural integrity.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
1:01
Optomotor Response (OMR) Apparatus Setup
2:24
Spatial Frequency Evaluation
3:51
Contrast Sensitivity Evaluation
4:41
Y-Maze Evaluation
5:54
Results: Representative OMR and Y-Maze Analyses of Diabetic Rat Visual and Cognitive Function and Exploratory Behavior Over Time
7:05
Conclusion
