マウスのビデオ眼球運動記録法
2012年7月19日
ビデオ眼球運動記録法は、眼球運動性能だけでなく、運動学習を調査するために非常に定量的な方法です。ここでは、マウスでビデオ眼球運動記録法を測定する方法について説明します。通常、薬理学的に処理または遺伝子改変マウスで、この手法を適用すると、モーターの動作の基本的な生理機能を探索する強力な研究ツールです。
この手順の全体的な目標は、マウスでビデオo図像を作成することです。これは、最初にマウスに頭蓋骨に台座構造を装備することで達成され、これにより、特別なヘッドボディ拘束装置で頭を固定できます。2番目のステップは、マウスをビデオoculセットアップに置き、ビデオ瞳孔追跡システムをキャリブレーションすることです。
次に、眼球運動は、前庭および視運動刺激の大きなレパートリーを使用して眼球運動系が活性化されている間に記録されます。最後のステップは、これらの眼球運動を分析することです。最終的には、正常なマウス、薬理学的に処理されたマウス、または遺伝子組み換えマウスのビデオO図像を使用して、運動行動の生理学を探求することができます。
この方法は眼の運動系に関する洞察を提供することができますが、ヒトの病状を模倣するマウス変異体を使用して、小脳前庭または眼起源の疾患の研究にも適用できます。この手順を開始するには、アイソフ、フッ素、および酸素の混合物を含むガスチャンバー内でマウスに麻酔をかけます。次に、マスクを通してガスを送達することにより、麻酔を維持します。
次に、加熱パッドとアナルサーモセンサーを使用して、マウスの体温を摂氏37度に保ちます。その後、眼の軟膏を塗布して眼を乾燥から保護し、背側の頭蓋毛を剃り、手術部位を清掃します。その後、頭蓋骨の背側頭蓋面を露出させるために正中線を切開し、表面をきれいにして乾かします。
次に、bgmaからラムダにリン酸を一滴加えます。15秒後、エッチングを取り外し、食塩水で頭蓋表面を洗浄し、再度乾燥させます。エッチングされた頭蓋表面と空気の上部にオプティボンドプライムを一滴塗布します。
30秒間乾燥させます。次に、オプティボンドプライムの上にオプティボンド接着剤を一滴加えます。UVライトで1分間硬化させます。
その後、接着剤層をカリスマ複合材料の薄い層で覆います。マグネットネジ穴のあるコネクタと取り付け部位は、複合材料に埋め込まれています。次に、UVライトで複合材料を硬化させます。
繰り返しになりますが、必要に応じて、複合材の追加層を適用し、光で硬化させます。手術後少なくとも3日間はマウスが回復するのを待ちます。次のステップは、マウスを拘束装置に置き、磁石と1本のネジでマウスの頭と本体の拘束装置をXYプラットフォームに取り付けて、マウスの頭を拘束
装置に固定することです。XYプラットフォームを使用して、マウスの頭をターンテーブルの中央より上に置き、マウスをピッチYa軸とロール軸上に移動できるようにします。次に、アイスキャンシステムによって生成された目の視覚画像を使用してアイを位置合わせすることにより、ヘッドを正しいピッチyaとロール角度に配置します。これで、ターンテーブルはACサーボ制御モーターに取り付けられました。
ターンテーブルの位置は、ターンテーブルの軸に取り付けられたポテンショメータで監視されます。ターンテーブルは、ランダムなドットパターンの円筒形の周囲スクリーンで覆われており、ACサーボ制御モーターも装備されています。円筒形スクリーンの位置は、その軸に取り付けられたポテンショメータによって監視されます。
画面はハロゲンライトで照らすことができます。ターンテーブルとその周囲の画面の動きは、入力出力インターフェースに接続されたコンピューターによって制御されます。ターンテーブルと周囲の画面位置信号は、入力出力インターフェースによってデジタル化された20ヘルツのカットオフ周波数によってフィルタリングされ、このコンピューターに保存されます。
マウスの目は、3つの赤外線エミッターによって照らされています。2つはターンテーブルに固定され、3つ目はカメラに取り付けられています。この3番目のエミッターは、キャリブレーション手順中および眼球運動の記録中に使用される参照角膜反射を生成します。
ズームレンズを搭載した赤外線CCDカメラがターンテーブルに取り付けられており、マウスヘッドにピントを合わせています。ターンテーブルの中央にあります。カメラのロックを解除して、ターンテーブルの軸を中心に正確に20度移動できます。
キャリブレーション手順中。次に、ビデオ信号はアイトラッキングシステムによって処理され、120ヘルツのサンプルレートで瞳孔と基準角膜の水平方向および垂直方向の反射を追跡できます。次に、基準角膜基準位置、瞳孔位置、および人物サイズ信号は、入力出力インターフェースによってデジタル化され、テーブルおよび周囲の画面位置信号と同じファイルに格納され、眼球運動を較正し、瞳孔のビデオ画像がモニターの中央に位置し、基準角膜基準の表現が瞳孔の真上の目の垂直正中線上にあります。
次に、カメラをピーク20度ずつ数回動かします。ターンテーブルの垂直軸の周りをピークします。追跡された瞳孔の位置と、カメラの極端な位置に記録された参照角膜参照を使用して、瞳孔の回転半径を計算します。
さまざまな照明条件下でこれらの手順を何度も繰り返して、瞳孔のサイズと瞳孔の回転の関係を判断します。次に、瞳孔の回転補正曲線を作成します。次に、参照角膜の参照位置、瞳孔の位置、および瞳孔のサイズを測定することにより、目の角度位置を計算します。
瞳孔の回転補正曲線から瞳孔の回転値を抽出し、次の式を使用して目の角度位置を計算できます。ここでは、VVOR眼球運動の実験を実演しています。次に、目の位置、テーブルの位置、および周囲の画面の位置を角度位置に変換します。
次に、Butterworth Lowpassフィルターを使用して、アイテーブルと周囲の画面の角度位置を区別してフィルタリングします。20 ヘルツのサブのカットオフ周波数を使用して、毎秒 40 度の検出しきい値を使用して、眼球速度信号から secod を削除します。次に、試行の個々のサイクルを使用してテーブルと目の速度信号を平均化し、平均化された信号を適切な関数で適合させます。
一般に、正弦波速度刺激が使用され、平均サイクルには符号または余弦関数が適合します。この動画では、周囲のスクリーンが回転することで視線運動が発生し、0.2〜1ヘルツの周波数範囲で1.6度の振幅で周囲のスクリーンを回転させる視運動反射が引き起こされる様子を捉えています。マウスの光学運動システムは、低周波数範囲では高周波範囲よりも効率的であることが示されています。
こちらも、眼球運動がどのように生成されるかを示す動画です。暗闇でマウスを回転させて前庭眼反射を引き起こすことにより、ターンテーブルを0.2〜1ヘルツの周波数範囲で1.6度の振幅で回転させます。マウスの前庭眼系は、低周波領域よりも高周波領域でより効率的であることが示されています。
ここでは、光の中でマウスを回転させて視覚的に強化された前庭眼球反射を引き起こすことによって眼球運動がどのように生成されるかについての別の動画を示しています 周囲の画面が十分に照らされている間、ターンテーブルを0.2〜1ヘルツの周波数範囲で回転させ、周囲の画面が十分に照らされている間、マウスは全周波数範囲にわたって効率的な補償眼球運動を生成することが示されています。そして、この動画は、前庭眼反射を適応的に増加させることで運動学習がどのように達成されたかを示しています。位相がずれたトレーニング パラダイムを使用すると、ターンテーブルを周囲の画面と位相をずらして回転させると、このマウスの VOR ゲインが増加します。
このビデオを見た後、マウスでビデオoculを実行する方法をよく理解しているはずです。
概要
この記事では、眼球運動の性能と運動学習を調査するための定量的方法であるマウスのビデオ眼球描記の実施手順について説明します。この技術は、正常、薬理学的治療、または遺伝子組み換えされたマウスに適用して、運動行動の生理学を探ることができます。
主要な研究要素
科学の分野
- 神経科学
- 眼球運動性能
- 運動学習
背景
- ビデオ眼球描記は眼球運動を研究するための方法です。
- この技術は眼球運動系への洞察を提供します。
- 小脳または前庭器官起源の疾患を研究するためにも使用できます。
- マウスモデルは研究目的でヒトの病理を模倣できます。
研究目的
- マウスの眼球運動を測定・分析すること。
- 運動行動の基礎となる生理学を調査すること。
- 疾患研究のために様々なマウスモデルにこの方法を適用すること。
使用した方法
- 頭部固定用台座をマウスに装着する。
- ビデオ瞳孔トラッキングシステムを調整する。
- 前庭および視覚刺激を使用して眼球運動を記録する。
- 記録された眼球運動を生理学的洞察のために分析する。
主要な結果
- 眼球追跡システムの成功的な調整。
- 様々な刺激条件下での眼球運動の記録。
- 運動行動の生理学に関する洞察を明らかにするデータ分析。
- 眼球運動系疾患の研究にこの方法を適用すること。
結論
- ビデオ眼球描記は眼球運動を研究するための強力なツールです。
- この方法は運動学習と性能の理解を深めることができます。
- 眼球運動系に影響を与える疾患を調査する潜在性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Video-oculography in mice provides a quantitative behavioral readout for assessing oculomotor function, enabling mechanistic de-risking of targets involved in vestibular, cerebellar, and ocular motor pathways. The method supports target validation by linking genetic or pharmacological manipulations to measurable changes in reflexive eye movements, offering predictive confidence in early discovery. Its applicability to disease-relevant models enhances translational continuity for neuropsychiatric and neurodegenerative disorder pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses targeting vestibular, cerebellar, and ocular motor systems through quantifiable behavioral phenotypes.
- Operational Value: Provides a reproducible, high-throughput compatible assay for screening genetic and pharmacological modifiers of motor behavior.
- Scientific Value: Supports biological de-risking by isolating oculomotor circuit function from confounding motor or motivational variables.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative dependent variable measurements (eye velocity, gain, phase) enabling dose-response and genotype-phenotype correlation.
- Operational Value: Standardized calibration and tracking protocols ensure cross-lab reproducibility and assay readiness for compound evaluation.
- Scientific Value: Outputs support mechanistic de-risking by distinguishing vestibular, optokinetic, and visually-enhanced VOR contributions to motor control.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Disease-relevant system: mouse models mimicking human vestibular, cerebellar, or ocular pathologies allow direct translational biomarker alignment.
- Operational Value: Enables longitudinal tracking of motor learning and adaptive plasticity, supporting preclinical validation of cognitive and motor therapeutics.
- Scientific Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions by quantifying functional recovery or deficit progression in genetic models.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows as a phenotypic screening tool for target validation, with outputs informing lead identification and preclinical progression decisions based on oculomotor system integrity.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by isolating vestibular and optokinetic contributions to eye movement control.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized head fixation, calibration, and stimulus delivery enabling reliable compound or genotype evaluation.
- Analytics: Provides quantitative readouts (angular eye position, velocity, gain) filtered and fitted to sinusoidal stimuli for comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity via disease-model applicability, allowing assessment of therapeutic impact on motor behavior phenotypes.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for cross-functional teams studying motor learning, balance disorders, and neuropsychiatric indications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target engagement through measurable changes in VOR, OKR, and VVOR gain and phase.
- Operational Value: Standardized surgical preparation, head immobilization, and infrared tracking ensure reproducibility across laboratories and timepoints.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling early detection of motor circuit dysfunction in genetic or pharmacological models.
- Portfolio Impact: Informs go/no-go decisions by quantifying oculomotor performance as a biomarker of neural circuit integrity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in murine surgery, headplate implantation, and infrared oculomotor tracking systems.
- Dependent on specialized equipment including XY platforms, servo-controlled turntables, infrared emitters, and high-speed CCD cameras.
- Necessitates cross-team standardization of surgical protocols, calibration procedures, and stimulus parameters for reproducible outcomes.
- Adaptation considerations include model-specific adjustments for mouse strain, weight, and ocular pigmentation affecting infrared tracking accuracy.
- Practical limitations include post-surgical recovery time and potential confounds from anesthesia or inflammation affecting baseline oculomotor function.
