당뇨병 쥐의 Y-미로를 통한 광운동 반응 및 인지 기능을 통한 시각 기능의 행동 평가
October 23rd, 2020
당뇨병의 결과로 눈과 두뇌 둘 다에 있는 신경 변성은 설치류에 행해진 행동 시험을 통해 관찰될 수 있습니다. Y-미로, 공간 인식의 측정, 및 광운동 반응, 시각 기능의 측정, 둘 다 잠재적인 진단 및 치료에 대 한 통찰력을 제공.
광운동 반응(optomotor response)과 Y-미로(Y-maze)는 다양한 질병 모델에서 시각 기능과 인지 기능을 각각 측정하는 데 유용한 행동 테스트입니다. 이러한 테스트의 장점으로는 민감도, 테스트 속도, 훈련이 필요하지 않은 선천적 반응 사용, 깨어 있는 마취되지 않은 동물에 대한 테스트를 수행할 수 있는 능력 등이 있습니다. OMR 및 Y-maze는 다른 검사와 함께 사용하여 당뇨병과 같은 질병에서 망막 및 뇌 기능 장애의 시간적 모양을 식별하여 조기 진단을 목표로 할 수 있습니다.
Y-미로를 시연할 사람은 제 연구실의 연구 기술자인 스티븐 필립스(Stephen Phillips)입니다. 광운동 반응 또는 OMR 절차를 시연하는 것은 Allen and Viola Labs의 연구 기술자인 Amber Douglass가 맡을 것입니다. OMR 장치를 설정하려면 먼저 사용할 실험 동물 종에 적합한 크기의 플랫폼을 선택하고 OMR 소프트웨어를 엽니다.
필요에 따라 비디오 카메라로 확대 또는 축소하여 플랫폼과 주변 환경이 표시되도록 하고 별표 및 회전 줄무늬 아이콘을 클릭하여 녹색 별표와 녹색 회전 줄무늬가 모두 라이브 피드에서 사라지도록 합니다. 나침반 아이콘을 클릭하여 녹색 원과 두 개의 수직선이 나타나도록 하고 녹색 원이 플랫폼의 검은색 원과 완벽하게 정렬되도록 늘립니다. OMR이 완전히 정렬되면 나침반, 별표 및 회전하는 줄무늬 아이콘을 다시 클릭합니다.
녹색 줄무늬는 드럼의 줄무늬와 같은 방향으로 회전합니다. testing(테스트) 탭에서 psychophysics(정신물리학) 탭을 클릭합니다. 공간 주파수를 측정하려면 threshold(임계값)에서 frequency(주파수)를 선택합니다.
테스트에서 사전 설정을 클릭하고 사용 중인 실험 동물에 대한 기본 설정을 선택합니다. 블랭킹 탭을 클릭하고 트래킹 박스의 블랭크를 체크하면 스트라이프가 일시 중지되고 마우스를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭할 때마다 드럼의 컴퓨터 화면이 지워집니다. 그런 다음 결과 탭을 클릭하여 테스트 결과가 표시되는 창을 엽니다.
공간 주파수를 평가하기 위해 설치류를 초당 12도의 속도로 챔버를 도는 수직 사인파 등급을 보여주는 4개의 컴퓨터 모니터로 구성된 가상 현실 챔버 중앙의 원형 플랫폼에 놓습니다. 챔버 상단에 위치한 비디오 카메라는 설치류의 행동을 컴퓨터 모니터에 실시간으로 투사해야 합니다. 등급이 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 이동할 때 설치류의 머리에 반사 작용이 있는지 확인하십시오.
그림이 표시된 막대가 정지 작업 이동의 방향을 보여주므로 프로그램에서 볼 수 있는지 확인하십시오. 설치류의 머리가 등급 지정과 같은 방향으로 움직이는지 관찰하십시오. 머리 움직임의 불규칙한 폭발이 아닌 부드러운 추격이 있을 때 이 움직임을 추적으로 간주하십시오.
필요에 따라 예 또는 아니오를 클릭합니다. 공간 주파수는 0.042 사이클 또는 도에서 시작하여 각 예 및 아니오 클릭에 따라 조정되어 더 쉬워지거나 더 어려워집니다. 설치류를 테스트할 때 설치류의 머리 위에 별표를 놓고 설치류의 공간 주파수 임계값에 도달했을 때 시스템이 완료되었다고 말하는지 확인하십시오.
yes 및 no 버튼은 더 이상 클릭할 수 없습니다. 그런 다음 결과 탭을 열어 왼쪽, 오른쪽 눈 및 결합된 눈의 공간 주파수를 확인합니다. 대비 민감도를 측정하려면 testing(테스트) 및 psychophysics(정신물리학) 탭에서 contrast single(대비 단일)을 선택합니다.
stimulus 및 gradings 탭을 열고 spatial frequency 상자에 적절한 값을 입력하여 대비 감도 곡선의 정점에서 공간 주파수 상수로 그레이딩을 시작합니다. 100%에서 대비를 시작하고 공간 주파수 테스트에서 관찰된 것과 동일한 반사적 머리 움직임을 찾습니다. 설치류가 자극에 반응하여 더 이상 반사적인 머리 움직임을 갖지 않을 때까지 테스트가 진행됨에 따라 대비가 감소합니다.
대비 민감도 임계값에 도달하면 결과 탭을 열어 왼쪽, 오른쪽 및 결합된 눈에 대한 대비 민감도 값을 확인합니다. Y-미로 해석을 수행하려면 먼저 Y-미로의 초기 암을 B로, 다른 두 암을 A와 C로 레이블을 지정한 다음 설치류를 미로 중앙 근처의 B 암에 배치합니다. 즉시 타이머를 시작하고 설치류가 8분 동안 Y-미로를 탐험하도록 합니다.
미로에서 몇 피트 떨어진 곳에 앉아서 미로를 시야에 두고 녹음하고 관찰 사항을 기록하는 동안 소음을 내지 마십시오. 시작 위치를 B로 기록하십시오.설치류가 새 팔에 들어갈 때마다 설치류의 새 위치를 기록하십시오. 설치류가 60초 이상 같은 지점에 머물러 있고 탐색 행동을 보이지 않는 것 같으면 설치류를 Y-미로 중앙으로 이동하고 실험을 계속합니다.
각 시험이 끝나면 대변을 제거하고 살균 용액으로 미로를 청소하십시오. 탐색 행동을 시험판의 8분 동안 이루어진 총 항목 수로 계산합니다. 공간 인지는 성공적인 교대 횟수를 총 항목 수로 나눈 값으로 계산됩니다.
여기에서 공간 주파수를 평가하기 위한 OMR의 사용은 순진한 통제 브라운 노르웨이 쥐와 Long-Evans 쥐에서 설명됩니다. 갈색 노르웨이 쥐는 일반적으로 Long-Evans 쥐보다 더 높은 기준선 공간 주파수를 보여줍니다. 또한, 공간 주파수에 대한 노화 효과는 Long-Evans 쥐에서 관찰됩니다.
OMR을 사용하여 대비 감도를 평가하면 제1형 당뇨병이 있는 쥐에서 대비 감도에 상당한 결함이 있음을 알 수 있습니다. 운동 치료는 이러한 결핍을 감소시키며, OMR이 중재 유무에 관계없이 시간이 지남에 따라 망막 결손을 감지하고 추적하는 데 유용하다는 것을 보여줍니다. Y-미로를 사용하여 제2형 당뇨병 모델에서 인지 기능과 탐색 행동을 평가한 결과, 고토-카키자키 쥐의 진입 횟수로 측정한 공간 인지에 상당한 결함이 있는 것으로 나타났으며, 이는 생후 7주령부터 시작하는 위스타 대조 동물과 비교하여 자발적인 교대로 측정된 공간 인지와 탐색 행동에서 상당한 결핍을 보여줍니다.
3.4단계에서 트래킹 헤드 움직임을 식별하는 방법을 배우는 것은 OMR에서 가장 어려운 부분입니다. 부드러운 추격 동작이 어떤 것인지 배우는 것이 중요합니다. OMR과 Y-미로는 IM 뇌 연구자들이 훈련 없이, 동물에게 최소한의 스트레스를 주면서 시각 및 인지 기능을 빠르고 안정적으로 측정할 수 있는 길을 열었습니다.
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개요
이 기사에서는 행동 검사, 특히 Y-미로와 광운동 반응(OMR)을 사용하여 당뇨병 설치류의 신경 퇴행을 평가하는 방법에 대해 논의합니다. 이러한 검사는 공간 인지 및 시각 기능에 대한 귀중한 통찰력을 제공하여 당뇨병 관련 기능 장애의 진단 및 치료에 도움이 됩니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 행동 검사
- 당뇨병 연구
배경
- 신경 퇴행은 당뇨병에서 눈과 뇌에 영향을 줄 수 있습니다.
- 행동 검사는 인지 및 시각 장애를 밝힐 수 있습니다.
- 조기 진단은 효과적인 치료에 중요합니다.
- Y-미로 및 OMR과 같은 검사는 민감하고 빠릅니다.
연구 목적
- 인지 및 시각 기능을 평가하기 위해 Y-미로 및 OMR을 사용합니다.
- 망막 및 뇌 기능 장애의 시간적 출현을 식별합니다.
- 당뇨병 관련 합병증의 조기 진단을 개선합니다.
사용된 방법
- 공간 인지를 측정하기 위한 Y-미로.
- 시각 기능을 평가하기 위한 광운동 반응.
- 깨어 있는, 마취하지 않은 설치류에 대한 검사 수행.
- 훈련 요구를 제거하기 위한 타고난 반응의 사용.
주요 결과
- 두 검사 모두 당뇨병이 신경 기능에 미치는 영향에 대한 통찰력을 제공합니다.
- 검사의 시연은 훈련된 기술자가 수행했습니다.
- 결과는 치료 전략에 대한 향후 연구를 안내할 수 있습니다.
- 검사는 다양한 질병 단계에서 기능 장애를 식별하는 데 효과적입니다.
결론
- Y-미로 및 OMR은 신경과학 연구에서 귀중한 도구입니다.
- 당뇨병 관련 신경 퇴행의 이해를 촉진합니다.
- 이러한 방법은 더 빠른 진단 및 개입으로 이어질 수 있습니다.
자주 묻는 질문
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
