VisioTracker, גישה אוטומטית חדשנית לניתוח oculomotor
12 באוקטובר 2011
VisioTracker היא מערכת אוטומטית לניתוח הכמותי של ביצועים חזותיים של דגים בוגרים וזחל קטנים המבוססים על ההקלטה של תנועות עיניים. הוא כולל שליטה מלאה על תכונות גירוי חזותיים וניתוח בזמן אמת, המאפשר מחקר תפוקה גבוהה בתחומים כגון פיתוח מערכת ראייה ותפקוד, פרמקולוגיה, מחקרי מעגלים עצביים ואינטגרציה חושית.
המטרה הכוללת של הליך זה היא להעריך התנהגותית את תפקוד מערכת הראייה בזחלים ובדגי זברה בוגרים על מנת לזהות במהירות זחלים מוטנטיים עם פגמים במערכת הראייה או להשוות את תכונות מערכת הראייה של בעלי חיים מסוג בר ובעלי חיים מוטנטיים או מורפים. זה מושג על ידי ריסון תנועות הגוף של חיית הניסוי. הזחלים משובצים במתיל צלולוז ודגים בוגרים מורדמים ומותאמים למכשיר אימוביליזציה.
במקום הבא, הגוף בעל החיים המרוסן בגשש Vizio במרכז מסך בצורת תוף. פסים אנכיים בשחור ולבן מוקרנים על החלק הפנימי של מסך זה באמצעות מקרן אור דיגיטלי. לאחר מכן, מיקומי העיניים נרשמים ומנותחים באופן אוטומטי על ידי חבילת התוכנה Vizio Tracker, שמחשבת גם את מהירויות העיניים בזמן אמת.
השלב האחרון הוא לעבד את הנתונים המתקבלים, לקשר את מהירויות העיניים לתכונות הגירוי החזותי ולחשב את מהירות העין הממוצעת ואת שגיאת התקן עבור כל תנאי ניסוי. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי תכונות מערכת הראייה של זחלים ודגי זברה בוגרים, ניתן ליישם אותה גם על אורגניזמים מודלים אחרים כגון מדיקה, kpi ולמעשה כל מיני T קטנים אחרים. הרעיון לשיטה זו עלה לי לראשונה כאשר השתמשנו בתגובה הקינטית האופטית כדי לסנן זחלי צמחים ומהר מאוד התחלנו להתעניין בנתוני זחלים, לא עיוורים לחלוטין, אלא לקויי ראייה.
זחלי ניוטון כאלה עשויים להשפיע על היבטים של עיבוד חזותי. המערכת כוללת מכשיר אימוביליזציה לדגים קטנים הממוקם תחת מצלמת וידאו איכותית, המצויד בעדשת זום. מיכל הדגים מוקף במסך תוף שעליו מוקרנים דפוסי גירוי שנוצרו על ידי מחשב.
תנועות העיניים מוקלטות באמצעות המצלמה ומנותחות אוטומטית על ידי חבילת התוכנה Vizio Tracker בזמן אמת. על מנת למנוע תנועת גוף במהלך ההקלטה, יש להטמיע זחלי דגים חמישה ימים לאחר ההפריה ב-3% מתיל צלולוז שחומם ל-28 מעלות צלזיוס. יוצקים את המתיל צלולוז החם לתבנית תרבית תאים בגודל 35 מילימטר ואז מעבירים את הזחלים בעזרת פיפטה בסרום עם וו גדול.
מערבבים את הזחלים לתוך המתיל צלולוז, ואז משתמשים במחט קטנה כדי להסיר בועות אוויר ולמקם את הזחל ניתן להכין עד שמונה זחלים לניסויים בו זמנית. לאחר שהזחלים משותקים, הניחו את צלחת תרבית התאים במדף לשמונה מנות. לאחר מכן התחל להקרין את פסי הגירוי על התוף שמסביב כדי לשתק דגים בוגרים.
ראשית, יש להרדים אותם בקצרה עם 300 מיליגרם לליטר MS 2 22 במיכל נפרד. לאחר ההרדמה, הכניסו את הדג למכשיר הגיוס על ידי הידוק עדין של גוף הדג בין שתי חתיכות ספוג כראוי. ריסון תנועות הגוף של דגים בוגרים הוא השלב הקשה ביותר בהליך זה.
כדי להקל על ההחדרה למכשיר הקיבוע, יש לייצב את הספוג על ידי שני צינורות עגל מפלסטיק. לאחר שהדג משותק, הכנס את המכשיר לגשש Vizio ואפשר לדג להתאושש במשך דקה עד שתיים לפני ההקלטה. כדי לספק גירוי לפרויקט תנועת עיניים, תוכנה יצרה דפוס גירוי המורכב מדירוגי גלי סינוס אנכיים בשחור ולבן על מסך התוף.
באמצעות מקרן האור הדיגיטלי הכלול בגשש Vizio, האירו את הדגים מלמטה באור אינפרא אדום, ולאחר מכן השתמשו בחבילת התוכנה כדי לתעד את תנועות העיניים בתגובה לדפוס הגירוי. מוטציות פגוש הזחל הפחיתו את גודל העדשה ואת המיקום החוץ רחמי של העדשה, ושינויים מורפולוגיים אלה באים לידי ביטוי בהפחתה משמעותית של רגישות הניגודיות בהשוואה לסוג פראי. כפי שמוצג כאן, מוטציות פגוש נכשלות יותר ויותר בהתאמת מהירות העיניים ככל שניגודיות הגירוי יורדת.
בנוסף, כאשר התדירות המרחבית של הגירוי מוגברת על ידי הקטנת רוחב הגירוי, מוטציות פגוש פסים מפגינים גם חדות ראייה מופחתת בהשוואה לאחים מסוג בר. דגי זברה בוגרים מראים ירידה ניכרת ברגישות לניגודיות כאשר הם נשמרים בריכוזי אלכוהול הולכים וגדלים במשך 30 דקות לפני ההקלטה. ירידה דומה תלוית מינון של מהירות העיניים הכוללת נראית בטווח רחב של תדרים מרחביים כאשר הדגים טופלו בריכוזי אלכוהול הולכים וגדלים.
טיפול באלכוהול גם מפחית באופן עצמאי את ביצועי העיניים-מוטוריים במשימות תובעניות יותר כפי שמוצג כאן בתגובה למהירויות גירוי מוגברות לאחר התפתחותו. טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום חקר הראייה לחקור את ההתפתחות והתפקוד של מערכת הראייה בדגי סברה, דגי זהב רפואיים ואורגניזמים מודלים אחרים באמצעות מודלים גנטיים ופרמקולוגיים כאחד.
סקירה
ה-VisioTracker הוא מערכת אוטומטית המתוכננת לניתוח כמותי של ביצועים ויזואליים בדגיגים ודגים בוגרים קטנים על ידי הקלטת תנועות עיניים. מערכת זו מאפשרת ניתוח ובקרה בזמן אמת על מאפייני גירויים ויזואליים, ומסייעת במחקר בתפוקה גבוהה בנושאי התפתחות מערכת ראייה, פרמקולוגיה ומחקרים על מעגלים עצביים.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מדעי המוח
- ניתוח התנהגות
- מחקר מערכת ראייה
רקע
- ה-VisioTracker מעריך את תפקוד מערכת הראייה בדגי זברה.
- הוא יכול לזהות פגמים במערכת הראייה בדגיגים מוטציה.
- המערכת יכולה להיות מותאמת למיני דגים קטנים שונים.
- תנועות עיניים מוקלטות ומנותחות בזמן אמת.
מטרת המחקר
- להעריך את הביצועים הויזואליים בדגי זברה בוגרים ודגיגים.
- להשוות מאפיינים ויזואליים בין דגים מסוג בר ומוטציה.
- לחקור את ההשפעות של טיפולים פרמקולוגיים על תפקוד הראייה.
שיטות בשימוש
- דגים משותקים באמצעות מתילצלולוז או הרדמה.
- גירויים ויזואליים מוקרנים על מסך תוף.
- תנועות עיניים מוקלטות עם מצלמה באיכות גבוהה.
- הנתונים מעובדים לחישוב מהירויות עיניים וניתוח תגובות ויזואליות.
תוצאות עיקריות
- מוטציות Bumper מראות רגישות ניגודיות מופחתת בהשוואה לסוג בר.
- טיפול באלכוהול מוריד את מהירות העין ורגישות הניגודיות.
- חדות הראייה מושפעת מהתדר המרחבי של הגירוי במוטציות.
- השיטה מאפשרת תובנות על עיבוד ויזואלי במיני דגים שונים.
מסקנות
- ה-VisioTracker הוא כלי חשוב למחקר ראייה.
- הוא מאפשר את המחקר של השפעות גנטיות ופרמקולוגיות על מערכות ראייה.
- הטכניקה יכולה להיות מיושמת על מספר רב של אורגניזמים מודל.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
VisioTracker provides a high-throughput, automated platform for quantitative assessment of visual system function in zebrafish larvae and adults, enabling rapid phenotypic screening of genetic mutants and pharmacological compounds. By delivering real-time, objective measurements of oculomotor parameters such as slow-phase gain, visual acuity, and contrast sensitivity, the system supports mechanistic de-risking in early discovery by linking visual behavior to underlying neural and retinal function. This capability enhances target validation and assay development pipelines where visual system integrity is a key biomarker or safety readout.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of visual pathway integrity in genetic models, supporting functional validation of targets involved in retinal development and neural processing.
- Operational Value: Facilitates high-throughput screening of mutant lines or compound libraries with automated eye movement quantification.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, reproducible readouts of visual performance including contrast sensitivity and acuity, suitable for assay standardization.
- Operational Value: Supports scalable screening workflows through automated data acquisition and real-time analysis via VisioTracker software.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Provides disease-relevant functional readouts in adult zebrafish models, enabling assessment of pharmacological and toxicant effects on visual processing.
- Operational Value: Bridges discovery and preclinical evaluation by offering a consistent behavioral assay across life stages.
Pipeline & Workflow Integration
VisioTracker fits within the discovery continuum from target validation through lead identification, where visual system phenotypes inform mechanism of action and safety profiling.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of visual gene function by quantifying alterations in eye movement dynamics in mutant versus wild-type larvae.
- Screening: Delivers standardized, quantitative outputs for compound library screening, enabling detection of subtle visual deficits induced by pharmacological or toxicological agents.
- Analytics: Provides measurable parameters such as slow-phase gain and spatial frequency response, allowing comparative analysis across experimental conditions.
- Translational Research: Enables continuity from larval defect detection to adult pharmacological response modeling, supporting risk-adjusted advancement decisions.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for visual phenotyping across multiple projects in neuroscience, toxicology, and sensory drug development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing ambiguity in visual system phenotypes through objective, quantifiable metrics.
- Operational Value: Enhances reproducibility and throughput via automated immobilization, stimulus control, and real-time software analysis.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making by providing early, mechanism-linked behavioral data that de-risks investment in visual or neuroscience targets.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds or genetic targets based on visual safety and functional readouts.
Implementation Considerations
- Requires expertise in zebrafish handling, behavioral assay design, and video-based eye tracking.
- Dependent on specialized instrumentation including immobilization devices, drum screens, digital light projectors, and high-resolution cameras.
- Necessitates standardization of stimulus parameters (e.g., spatial frequency, contrast, velocity) across labs and studies for data comparability.
- Adaptation to non-zebrafish species may require adjustments in immobilization protocols and stimulus scaling.
- Performance sensitivity to environmental factors such as temperature and anesthetic recovery time must be controlled for reliable results.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:47
A Tour of the VisioTracker System Equipment
2:16
Immobilization of Zebrafish Larvae and Adults
3:47
Recording Eye Movement in Response to Stimulus Patterns
4:13
The Effects of Mutation and Environmental Conditions on Visual Performance
5:23
Conclusion
