Name: マウスにおける視運動性反射の視覚特徴選択性の定量化 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-23T13:40:00.000+00:00
Duration: 9 min 28 s
Description: 学ぶマウスの視運動性反射定量化法。ビデオ眼動計測と仮想視覚刺激を用いて、視覚系の適応過程と神経可塑性を解析します。正常および病的状態での微妙な差異検出が可能です。

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方向調整のデータを共有してくれたYingtian Heに感謝します。この研究は、Canadian Foundation of Innovation and Ontario Research Fund (CFI/ORF project no. 37597)、NSERC (RGPIN-2019-06479)、CIHR (Project Grant 437007)、Connaught New Researcher Awardsからの助成金によって支援されました。

マウスの視運動反射反応の評価:新しい高精度プロトコル

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</ol>

著者らは、競合する利害関係がないことを宣言します。

ここで紹介するOKR行動アッセイの方法には、いくつかの利点があります。第一に、コンピュータで生成された視覚刺激は、物理的なドラムの本質的な問題を解決します。物理的なドラムが空間周波数、方向、またはコントラストチューニングの体系的な検査をサポートしていないという問題に対処するために8、仮想ドラムはこれらの視覚的パラメータを試行的に変更することを可能にし、OKR動作の特徴選択性の体系的かつ定量的な分析を容易にします(図4A)。物理的なドラムは、外部光源23による不均一な照明に悩まされるが、仮想ドラムは、その表面を横切って均質な輝度を容易に提供することができる。NDフィルターと輝度計の助けを借りて、コンピュータで生成された視覚刺激により、スコトープから明所視まで、適切に制御されたさまざまな輝度レベルでのOKR測定が可能になります(図4B)。慣性質量による物理的なドラムの加速度に制限がなく、仮想視覚刺激は、特に高加速度と高速で、理想...

環境内の視覚刺激に反応して、私たちの目は、視線を移動したり、網膜画像を安定させたり、移動するターゲットを追跡したり、観察者から異なる距離にあるターゲットに2つの目の中心窩を合わせたりするために動きます1,2。動眼行動は、少なくとも部分的には眼球運動系が単純であることから、健康と疾患の神経回路を理解するための感覚運動統合の魅力的なモデルとして広く用いられてきた3。眼球は3対の外眼筋によって制御され、眼窩内で主に3つの対応する軸を中心に回転します:横軸に沿った挙上と下降、垂直軸に沿った内転と外転、前後軸に沿ったねじれと外転1,2。このようなシンプルなシステムにより、研究者は実験室環境でマウスの動眼行動を簡単かつ正確に評価することができます。
主な動眼運動行動の1つは、視運動性反射(OKR)です。この不随意眼球運動は、網膜上の画像のゆっくりとしたドリフトまたはスリップによって引き起こされ、動物の頭部またはその周囲が動くときに網膜画像を安定させるのに役立ちます2,4。行動パラダイムとしてのOKRは、いくつかの理由で研究者にとって興味深いものです。第一に、確実に刺激し、正確に定量することができる5,6。第二に、この行動を定量化する手順は比較的単純で標準化されており、動物の大規模なコホートの視覚機能を評価するために適用することができます7。第三に、この生得的な振る舞いは高度に可塑的である5,8,9。その振幅は、反復的な網膜スリップが長時間発生する場合5,8,9、または前庭入力2によって引き起こされる網膜画像を安定化する別のメカニズムである作業パートナーの前庭眼反射(VOR)が損なわれる場合に増強され得る5。OKR増強のこれらの実験パラダイムは、研究者が眼球運動学習の根底にある回路基盤を明らかにする力を与えます。
以前の研究では、主に 2 つの非侵襲的な方法が OKR の評価に使用されてきました: (1) ビデオ眼球撮影と物理ドラムの組み合わせ 7,10,11,12,13 または (2) 仮想ドラムと組み合わせたヘッドターンの任意の決定 6,14,15,16 .これらのアプリケーションは、眼球運動可塑性の分子および回路メカニズムを理解する上で実りある発見をもたらしましたが、これら2つの方法にはそれぞれいくつかの欠点があり、OKRの特性を定量的に調べる能力が制限されています。第一に、黒と白の縞模様やドットのパターンが印刷された物理的なドラムは、視覚パターンを簡単かつ迅速に変更することができず、空間周波数、方向、移動格子のコントラストなどの特定の視覚的特徴に対するOKRの依存性の測定を大きく制限します8,17。代わりに、これらの視覚的特徴に対する OKR の選択性のテストは、視覚的特徴を試行ごとに便利に変更できるコンピューター化された視覚刺激の恩恵を受けることができます。このようにして、研究者は多次元の視覚パラメータ空間でOKRの挙動を体系的に調べることができます。さらに、OKRアッセイの2番目の方法は、識別可能なOKRをトリガーする視覚パラメータの閾値のみを報告し、目または頭の動きの振幅は報告しません6,14,15,16。したがって、定量的検出力の欠如は、同調曲線の形状と好ましい視覚的特徴の分析、または正常状態と病理学的状態における個々のマウス間の微妙な違いの検出を妨げます。上記の制限を克服するために、ビデオ眼画像とコンピューター化された仮想視覚刺激を組み合わせて、最近の研究でOKRの行動をアッセイしました5,17,18,19,20。しかし、これらの以前に発表された研究は、十分な技術的詳細やステップバイステップの指示を提供しておらず、その結果、研究者が自分の研究のためにそのようなOKRテストを確立することは依然として困難です。
ここでは、ビデオ眼球撮影とコンピュータ化された仮想視覚刺激の組み合わせにより、明所視またはスコトープ条件下でのOKR行動の視覚特徴選択性を正確に定量化するプロトコルを提示します。マウスは、前庭刺激によって引き起こされる眼球運動を避けるために頭を固定します。高速度カメラを使用して、視覚パラメータを変化させた移動する格子を見ているマウスの眼球の動きを記録します。個々のマウスの眼球の物理的大きさは、眼球運動の角度を導出する精度を確保するために較正される21。この定量的手法により、年齢や遺伝的背景の異なる動物間でOKRの行動を比較したり、薬理学的治療や視覚運動学習によって引き起こされる変化をモニタリングしたりすることができます。

<table><tbody><tr><td>2D並進ステージ</td><td>Thorlabs</td><td>XYT1</td><td></td></tr><tr><td>アクリル樹脂</td><td>Lang Dental</td><td>B1356</td><td>頭蓋骨にヘッドプレートを固定し、頭蓋骨を保護するため</td></tr><tr><td>ブピバカイン</td><td>STERIMAX</td><td>ST-BX223</td><td>ブピバカイン注射 BP 0.5%。局所麻酔</td></tr><tr><td>カルプロフェン</td><td>リマディル</td><td>8507-14-1</td><td>鎮痛剤</td></tr><tr><td>圧縮空気</td><td>ダストオフ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>目の軟膏</td><td>アルコン</td><td>シスタン</td><td>目の水分を維持するため</td></tr><tr><td>グラフィックカード</td><td>NVIDIA</td><td>Geforce GTX 1650 または Quadro P620.</td><td>3台のモニター間で1つの画面を生成するため</td></tr><tr><td>ヒーティングパッド</td><td>ケント・サイエンティフィック</td><td>HTP-1500</td><td>体温維持用</td></tr><tr><td>高速赤外線(IR)カメラ</td><td>テレダイン・ダルサ</td><td>G3-GM12-M0640</td><td>眼球回転記録用</td></tr><tr><td>IR LED</td><td>Digikey</td><td>PDI-E803-ND</td><td>CRリファレンスと眼の照明用</td></tr><tr><td>IRミラー</td><td>エドモンド光学</td>系 <td>64-471</td> 眼のイソフルラン<td>の反射像用</td></tr><tr><td></td><td>フレゼニウス KABI</td><td>CP0406V2</td><td></td></tr><tr><td>Labview</td><td>国立楽器</td><td>バージョン 2014</td><td>アイトラッキング</td></tr><tr><td>乳酸リンガー</td><td>バクスター</td><td>JB2324</td><td>水とエネルギー供給</td></tr><tr><td>リドカインとエピネフリンの混合物</td><td>デンツプライ シロナ</td><td>82215-1</td><td>キシロカイン。モニター</td></tr><tr><td>のキャリブレーションのための</td>局所麻酔<td>輝度計コ</td><td>ニカミノルタ</td><td>LS-150</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>MathWorks</td><td>バージョンxxx</td>眼<td>球運動のxxx分析</td></tr><tr><td>Meyhoefer Curette</td><td>World Precision Instruments</td><td>501773</td><td>頭蓋骨をこすり、筋膜を除去するため</td></tr><tr><td>顕微鏡キャリブレーションスライド</td><td>Amscope</td><td>MR095</td><td>の倍率を測定するビデオオキュログラフィー</td></tr><tr><td>モニター</td><td>Acer&nbsp;</td><td>B247W</td><td>視覚刺激</td></tr><tr>暗所視視<td>刺激を発生させる</td><td>低濃度フィルター</td><td>Lee</td><td>フィルター299</td> 暗所</tr>視<tr>OKR用<td>ナイビジョンゴーグル</td><td>α光学</td>系 <td>AO-3277</td> 暗<td>所視OKR</td></tr><tr><td>フォトダイオード</td> 視覚<td>刺激とビデオ眼鏡を同期させる</td><td>Digikey</td><td>TSL254-R-LF-ND</td></tr> ピ<tr><td>ロカルピン塩酸塩</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P6503</td><td></td></tr><tr><td>ポスト</td><td>Thorlabs</td><td>TR1.5</td><td></td></tr><tr><td>ポストホルダー</td><td>Thorlabs</td><td>PH1</td><td></td></tr><tr><td>PsychoPy</td><td>オープンソースソフトウェア</td><td>バージョン xxx</td><td>視覚刺激ツールキット</td></tr><tr><td>はさみ</td><td>RWD</td><td>S12003-09</td><td>皮膚除去用</td></tr><tr><td>瞬間接着剤</td><td>Krazy 接着剤</td><td></td><td>タイプ:万能。頭蓋骨へのヘッドプレートの接着に</td></tr></tbody></table>

マウスにおける視運動性反射の視覚特徴選択性の定量化

Quantification of Visual Feature Selectivity of the Optokinetic Reflex in Mice

視運動性反射(OKR)は、視覚環境の全体的な動きによって引き起こされ、網膜画像を安定させるのに役立つ重要な先天的な眼球運動です。OKRは、その重要性と堅牢性から、視覚運動学習の研究や、遺伝的背景、年齢、薬物治療の異なるマウスの視覚機能の評価に使用されてきました。ここでは、頭部固定マウスのOKR応答を高精度に評価するための手順を紹介します。頭部固定は、前庭刺激が眼球運動に寄与することを除外することができ、視覚運動のみによって引き起こされる眼球運動を測定することが可能になります。OKRは、3台のコンピュータモニターに表示される垂直グレーティングが、水平方向に振動的に、または一方向に等速でドリフトする仮想ドラムシステムによって引き出されます。このバーチャルリアリティシステムにより、空間周波数、時間/振動周波数、コントラスト、輝度、回折格子の方向などの視覚パラメータを体系的に変更し、視覚特徴選択性のチューニング曲線を定量化することができます。高速赤外線ビデオ眼球撮影により、眼球運動の軌跡を正確に測定できます。個々のマウスの目は、年齢、性別、遺伝的背景の異なる動物間でOKRを比較する機会を提供するように調整されています。この手法の定量的な力により、この行動が加齢、感覚経験、または運動学習によって可塑的に適応するときの OKR の変化を検出できます。したがって、この手法は、眼の行動の可塑性を調査するために使用されるツールのレパートリーに貴重な追加になります。

上記の手順で、いくつかの視覚的特徴に対する OKR の依存関係を評価しました。ここに示すトレース例は、補足コーディング・ファイル1で提供されている分析コードを使用して導出されたもので、トレースのrawファイルの例は、補足コーディング・ファイル2にあります。ドラムグレーティングが正弦波軌道(0.4Hz)で漂流すると、動物の目は自動的に同様の振動方法でグレーティングの動きに追従し(図3B上パネル)、これはOKR挙動の特徴である2,5,8。横軸のOKR眼球運動の振幅は高速フーリエ変換で導出され(図3C&amp;D)、OKR利得は眼球運動の振幅と格子運動の振幅の比として計算されました(図3C)。<strong...

ここでは、視運動性反射を定量化するための標準プロトコルについて説明します。仮想ドラム刺激とビデオ眼球撮影を組み合わせることで、行動の特徴選択性とその適応可塑性を正確に評価することができます。

The optokinetic reflex (OKR) is an essential innate eye movement that is triggered by the global motion of the visual environment and serves to stabilize ...

私たちは、健康と病気のマウスモデルにおける網膜系の容量に興味を持っています。現在、私たちは視運動性反射またはOKR保険を使用しており、これは網膜画像を安定させるのに役立つ不随意眼球運動であり、網膜系が網膜の生得的行動の適応可塑性にどのように寄与しているかを理解します。OKRモデル研究は、網膜への刺激が長引いたり、同様の眼反射によって障害が生じたりすると、行動の振幅が大きくなる可能性があることを実証することで、先天的な行動の可塑性の理解を深めました。そして、根底にある分子シナプスと分泌のメカニズムを調査することによって。ビデオ眼球とコンピュータ化された仮想視覚刺激を組み合わせて、自由に変化するパラメータで切り捨てることにより、OKRの行動呼び出しを正確に定量化しました。この手順は比較的単純であり、大規模な研究に対応するために標準化することができます。私たちのプロトコルは、形状や視覚的特徴を含むように正確に分析し、正常状態と病理学的状態の微妙な違いを検出し、薬理学的治療や視覚運動学習によるOKRの変化を監視することもできます。高精度と定量的検出力により、縦断的研究とその異なる薬理学的治療、または神経超越下での同じ眼の反復的なOKR測定を比較することができます。また、OKR可塑性の神経サープレと回路メカニズムを研究する機会も提供します。

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神経科学

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マウスにおける視運動性反射の視覚特徴選択性の定量化

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