糖尿病ラットにおけるY-迷路を介した視運動応答と認知機能の行動評価
October 23rd, 2020
糖尿病の結果としての目と脳の両方の神経変性は、げっ歯類に対して行われる行動検査を通じて観察することができる。Y迷路、空間認知の尺度、および視機能の尺度である光運動応答は、両方とも潜在的な診断と治療に関する洞察を提供する。
視運動反応とY迷路は、さまざまな疾患モデルで視覚機能と認知機能をそれぞれ測定するのに役立つ行動テストです。これらのテストの利点には、感度、テストの速さ、トレーニングを必要としないような自然反応の使用、および麻酔をかけていない覚醒した動物でテストを実行する能力が含まれます。OMRとY迷路は、糖尿病などの疾患における網膜および脳機能障害の時間的外観を特定するために、他の検査と一緒に使用でき、早期診断を目標としています。
Y字迷路のデモンストレーションは、私の研究室の研究技術者であるStephen Phillips氏です。視運動反応または OMR 手順を実証するのは、Allen and Viola Labs の研究技術者である Amber Douglass です。OMR装置のセットアップには、まず使用する実験動物種に適したサイズのプラットフォームを選択し、OMRソフトウェアを開きます。
必要に応じてビデオカメラでズームインまたはズームアウトしてプラットフォームとその周辺が見えるようにし、アスタリスクと回転ストライプのアイコンをクリックして、緑色のアスタリスクと緑色の回転ストライプの両方がライブフィードから消えるようにします。コンパス アイコンをクリックすると、緑色の円と 2 本の垂直線が表示され、緑色の円がプラットフォーム上の黒い円と完全に揃うように引き伸ばします。OMRが完全に位置合わせされたら、コンパス、アスタリスク、および回転ストライプのアイコンを再度クリックします。
緑色のストライプは、ドラムのストライプと同じ方向に回転することに注意してください。[テスト]タブで、[心理物理学]タブをクリックします。空間周波数を測定するには、しきい値の下で周波数を選択します。
テストで、[プリセット]をクリックし、使用する実験動物のデフォルト設定を選択します。[ブランキング]タブをクリックし、[トラッキング時の空白]ボックスをオンにすると、マウスが右クリックされるたびにストライプが一時停止し、ドラム内のコンピューター画面が空白になります。次に、[結果]タブをクリックして、テストの結果が表示されるウィンドウを開きます。
空間周波数を評価するには、4つのコンピューターモニターで構成されるバーチャルリアリティチャンバーの中央にある円形のプラットフォームにげっ歯類を配置し、毎秒12度の速度でチャンバーを周回する垂直正弦波のグレーディングを示します。チャンバーの上部に配置されたビデオカメラは、げっ歯類の行動をコンピューターのモニターにライブで投影する必要があります。グレーディングが時計回りまたは反時計回りに移動するときに、げっ歯類の頭による反射行動の有無を探します。
図解されたバーは、採点の動きの方向を示すため、プログラムに表示されていることを確認してください。げっ歯類の頭がグレーディングと同じ方向に動くのを見てください。頭の動きの不規則なバーストではなく、スムーズな追跡がある場合は、この動きを追跡としてカウントします。
必要に応じて、[はい]または[いいえ]をクリックします。空間周波数は0.042サイクルまたは度で始まり、はいといいえのクリックごとに調整され、簡単になったり難しくなったりします。げっ歯類がテストされるときは、アスタリスクをげっ歯類の頭の上に配置し、げっ歯類の空間周波数しきい値に達したときにシステムが完了と言うのを監視してください。
「はい」ボタンと「いいえ」ボタンはクリックできなくなりますのでご注意ください。次に、結果タブを開いて、左目、右目、および結合目の空間周波数を表示します。コントラスト感度を測定するには、テストタブと心理物理学タブで、コントラストシングルを選択します。
[スティミュラス]タブと[グレーディング]タブを開き、[空間周波数]ボックスに適切な値を入力して、コントラスト感度曲線のピークに空間周波数定数でグレーディングを開始します。コントラストを 100% から開始し、空間周波数テストで観察されたのと同じ反射的な頭の動きを探します。テストが進むにつれてコントラストが減少し、げっ歯類が刺激に反応して反射的に頭を動かさなくなることに注意してください。
コントラスト感度のしきい値に達したら、結果タブを開いて、左目、右目、および結合目のコントラスト感度値を表示します。Y 迷路解析を行うには、まず Y 迷路の最初のアームを B とラベル付けし、他の 2 つのアームを A と C とラベル付けし、迷路の中心近くの B アームにげっ歯類を配置します。すぐにタイマーを開始し、げっ歯類がY迷路を8分間探索できるようにします。
迷路から数フィート離れた場所に座り、迷路が見えるようにし、録音をしたり観察したりするときに音を立てないようにします。開始位置をBとして記録します。げっ歯類が新しいアームに入るたびに、げっ歯類の新しい位置を記録します。げっ歯類が 60 秒以上同じ場所に留まり、探索的な行動を示さないように思われる場合は、げっ歯類を Y 迷路の中心に向かって移動し、試行を続行します。
各試験の終了後、糞便を取り除き、消毒液で迷路を清掃します。探索的動作を、試行の 8 分間に行われたエントリの合計数として計算します。空間認知は、成功した交代の数をエントリの総数で割ったものとして計算されます。
ここでは、空間周波数を評価するためのOMRの使用が、ナイーブ制御されたブラウンノルウェーラットとロングエバンスラットで示されています。茶色のノルウェーラットは、通常、Long-Evansラットよりも高いベースライン空間周波数を示します。さらに、空間周波数に対する老化効果がLong-Evansラットで観察されます。
OMRを使用してコントラスト感度を評価すると、1型糖尿病ラットのコントラスト感度に有意な欠損が明らかになります。運動治療はこれらの欠損を減少させ、OMRが介入の有無にかかわらず、網膜欠損の経時的な検出と追跡の両方に有用であることを示しています。Y迷路を用いて、糖尿病の2型モデルにおける認知機能と探索行動を評価すると、自発的な交代によって測定される空間認知と、7週齢から開始するWistar対照動物と比較した後藤柿崎ラットのエントリー数によって測定される探索行動に有意な欠損が見られる。
ステップ3.4でトラッキングヘッドの動きを識別する方法を学ぶことは、OMRの最も難しい部分です。スムーズな追跡運動がどのようなものかを学ぶことは非常に重要です。OMRとY-mazeは、IMの脳研究者が訓練を受けずに、動物へのストレスを最小限に抑えて、視覚機能と認知機能を迅速かつ確実に測定する道を開きました。
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概要
この記事では、糖尿病性げっ歯類における神経変性を評価するために、Y-mazeおよび光運動反応（OMR）などの行動テストの使用について議論します。これらのテストは、空間認知と視覚機能に関する貴重な洞察を提供し、糖尿病関連機能障害の診断と治療に役立ちます。
主要な研究構成要素
科学分野
- 神経科学
- 行動テスト
- 糖尿病研究
背景
- 神経変性は糖尿病において眼と脳の両方に影響を与える可能性があります。
- 行動テストは認知機能と視覚障害を明らかにすることができます。
- 早期診断は効果的な治療にとって重要です。
- Y-mazeやOMRのようなテストは敏感で迅速です。
研究目的
- Y-mazeとOMRを使用して認知機能と視覚機能を評価すること。
- 網膜および脳機能障害の時間的出現を特定すること。
- 糖尿病関連合併症の早期診断を改善すること。
使用された方法
- 空間認知を測定するためのY-maze。
- 視覚機能を評価するための光運動反応。
- 覚醒した非麻酔げっ歯類でテストを実施。
- トレーニング要件を排除するために生来の反応を使用。
主要な結果
- 両方のテストは糖尿病が神経機能に与える影響に関する洞察を提供します。
- テストの実演は訓練を受けた技術者によって行われました。
- 結果は治療戦略に関する将来の研究の指針となります。
- テストは様々な疾患段階での機能障害を識別するのに効果的です。
結論
- Y-mazeとOMRは神経科学研究において貴重なツールです。
- これらは糖尿病関連の神経変性の理解を促進します。
- これらの方法は早期診断と介入につながる可能性があります。
よくある質問
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
