Methodenartikel

Een nieuwe optokinetische testmethode om het gezichtsvermogen van ratten te meten

DOI:

10.3791/63357

27 juli 2022

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De gedragstestmethode Optokinetische Nystagmus (OKN) wordt gebruikt voor de beoordeling van de gezichtsscherpte bij knaagdieren. Hier wordt een eenvoudige methode gedemonstreerd die gemakkelijk in onderzoekslaboratoria kan worden opgezet voor een betrouwbare beoordeling van de visuele functie bij zowel normale als experimentele ratten.

Samenvatting

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Optokinetische nystagmus (OKN) is een reflexieve oogbeweging die wordt geïnitieerd door de beweging van visuele stimuli in het gezichtsveld. De hoofdvolgbeweging die bij OKN hoort, wordt vaak gebruikt als maat voor de visuele functie bij knaagdieren. Om OKN-responsen bij normale en experimentele ratten vast te leggen, is een eenvoudig en goedkoop apparaat ontwikkeld. Deze opstelling maakt gebruik van twee tabletschermen om de visuele stimulus van OKN weer te geven, bestaande uit zwart-witte strepen met een hoog contrast die zijn gegenereerd met behulp van de OKN Stripes Visualization Web Application, een gratis beschikbare software. De rat is geplaatst in een doorzichtige plexiglashouder die de beweging beperkt, zodat de kop van de rat continu naar het OKN-scherm is gericht. De positie van de rattenhouder kan worden gewijzigd om de afstand tussen de rat en het scherm aan te passen. Een microcamera boven de rattenhouder wordt gebruikt om de visuele activiteiten van de rat vast te leggen. Deze opnames kunnen worden gebruikt voor kwantitatieve beoordelingen. Op basis van de aan- of afwezigheid van duidelijke head-tracking kunnen de OKN-responsen op verschillende ruimtelijke frequenties worden bepaald. De verzamelde gegevens demonstreren een nieuwe techniek voor het betrouwbaar meten van de gezichtsscherpte bij normale en retinaal gedegenereerde ratten.

Inleiding

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wanneer het oog wordt blootgesteld aan aanhoudende visuele beweging van het hele veld, ontstaat er een duidelijk patroon van snelle en soepele volgbewegingen van de ogen en hoofdbewegingen met lage versnelling in de richting van de visuele beweging, optokinetische nystagmus (OKN)1,2 genoemd. De neurologische route van OKN loopt van het netvlies naar het laterale geniculaire lichaam, de occipitale kwab en de cerebellaire flocculus en staat in verbinding met de oculaire motorneuronen3. Neurale schade overal langs deze neurale paden kan leiden tot veranderingen in de OKN-reacties. De OKN-respons wordt gebruikt als een hulpmiddel om cerebrale symmetrie, psychogene blindheid en gezichtsscherpte bij menselijke patiënten te beoordelen 4,5. De gezichtsscherpte wordt beoordeeld door functionele reacties te kwantificeren, die een integraal onderdeel kunnen zijn van het succes van behandelingen en experimenten die gericht zijn op het herstellen van het gezichtsvermogen dat verloren is gegaan als gevolg van neurodegeneratieve ziekten 3,6,7. Bij dieren kunnen OKN-responsen worden gebruikt om de gezichtsscherpte nauwkeurig te beoordelen, wat onderzoekers de mogelijkheid biedt om zowel kwantitatieve als kwalitatieve gegevens over de visuele functie te verzamelen. Bij knaagdieren is het mogelijk om de gezichtsscherpte van het linker- en rechteroog onafhankelijk te meten op basis van de draairichting van de strepen, zowel met de klok mee als tegen de klok in8. Deze beweging tegen de klok in en met de klok mee stelt elk oog bloot aan respectievelijk naso-temporele (NT) of tempo-nasale (TN) beweging9. De TN-stimulus resulteert in een significant hogere respons in vergelijking met de NT-stimulus, omdat knaagdieren gevoeliger zijn voor de gevaren die van achteren of van de zijkant komen.

Eerder werd de visuele functie bij normale laboratoriumratten en retinaal gedegenereerde ratten getest met behulp van verschillende OKN-testmethoden 6,10,11,12,13. Er worden echter bepaalde verschillen in de gezichtsscherptescores waargenomen tussen verschillende onderzoeken, met inbegrip van de gegevens die in dit onderzoek worden getoond. Deze variabiliteit kan grotendeels worden toegeschreven aan de verschillen in de gebruikte testopstelling. Verschillen in de grootte van de testruimte en het type van de gebruikte OKN-visuele stimuli 6,10 kunnen de belangrijkste factoren zijn. De stimuli die in deze experimenten worden gebruikt, zijn onder meer sinusroosters voor het verschijnen van een virtuele cilinder14, verwisselbare roterende cilinders15 en strepen met een hoog contrast (zwart en wit) die worden weergegeven op vier computerschermen10. Belangrijke beperkingen in verband met deze OKN-testapparatuur en -methoden zijn onder meer de grote omvang van de apparatuur, de beweging van de dieren in de testarena en de frequente incidentie van het vallen van het dier van het testplatform 7,11,12.

Om bovenstaande beperkingen te minimaliseren is een nieuw apparaat voor OKN-testen bij ratten ontwikkeld. Dit apparaat is relatief goedkoop, bewezen efficiënt, eenvoudig te bedienen en maakt beoordeling van de visuele functie mogelijk (Figuur 1). Het apparaat maakt gebruik van twee tabletschermen om de OKN visuele stimuli (visualisatiesoftware) op verschillende ruimtelijke frequenties weer te geven. Een microcamera wordt gebruikt om de activiteiten van het dier tijdens het testen vast te leggen voor latere analyse van de gegevens. Met het doel om een eenvoudig in te stellen OKN-apparaat te maken in onderzoekslaboratoria, worden in deze nieuwe opzet kritische aanpassingen aan het bestaande OKN-testapparaat geschetst. De OKN-stimuli die hier worden gebruikt, bestaan uit zwarte en witte strepen met verschillende ruimtelijke frequenties en verschillende draairichtingen (van links naar rechts of van rechts naar links). Het belangrijkste onderdeel van het OKN-testapparaat omvat twee touchscreen-tabletschermen (7,9 inch) die worden gebruikt om de OKN-stimuli weer te geven (Figuur 2). Twee verstelbare houders worden gebruikt om de tabletschermen in de gewenste positie te houden. De houders zijn stevig bevestigd aan de rand van een proceduretafel, waardoor de hoogte en hoek kunnen worden aangepast. De ratten worden in een rattenhouder geplaatst die naar de beeldschermen is gericht. De rattenhouders zijn gemaakt van een doorzichtige kunststof (polymethylmethacrylaat) buis. De houder is bevestigd aan een voetstuk en een metalen standaard om een stabiele plaatsing op de proceduretafel te garanderen. De grootte van de bevestigingsbuizen varieert van 4 tot 6 inch lang en 2.5 tot 3 inch in diameter, afhankelijk van de grootte van de gebruikte ratten. De afstand tussen de rat en het scherm wordt aangepast door de positie van de rathouder te veranderen. De rattenhouder helpt om de kop van de rat continu naar de beeldschermen te sturen en vermindert zijn bewegingen tijdens het testen. Een microcamera wordt gebruikt om de reacties van het hoofd vast te leggen. De tekortkomingen van deze nieuwe opstelling zijn onder meer verschillende verversingsfrequenties voor het scherm en de mogelijkheid van optische illusies bij het gebruik van smalle strepen. Deze kunnen echter worden beschouwd als veelvoorkomende problemen die verband houden met een computergebaseerde OKN-configuratie. Naast de bovenstaande problemen worden ratten in de huidige opstelling niet getest met behulp van een virtuele cilinder14 die van invloed is op de optimale OKN-respons. De nieuwigheid van deze methode ligt in de techniek en het apparaat waarin de methode wordt toegepast. Deze techniek kan eenvoudig worden opgezet in onderzoekslaboratoria voor betrouwbare meting van de gezichtsscherpte bij knaagdieren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle dierproeven werden uitgevoerd in overeenstemming met de experimentele richtlijnen die zijn goedgekeurd door de regionale autoriteiten en zijn geaccepteerd door het Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van de University of Southern California (USC), en in overeenstemming met de Association for Research in Vision and Ophthalmology (ARVO) Statement for the Use of Animals in Ophthalmic and Vision Research en de Europese richtlijn 2010/63/EU betreffende de bescherming van dieren die voor wetenschappelijke doeleinden worden gebruikt.

OPMERKING: De ratten die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn gepigmenteerde retinale gedegenereerde ratten van het Royal College of Surgeons (RCS) en Long Evans (LE) ratten. Figuur 3 toont een schematische illustratie van de verschillende stadia van OKN-testen en -analyse.

1. Procedures

  1. Voorbereiding van de opstelling
    1. Houd de rat in de kooi en gedurende 30 minuten in de testruimte met de kamerlichten uitgeschakeld.
      OPMERKING: Dit helpt de stress die optreedt tijdens het transport te minimaliseren en zorgt voor een uniforme lichtomstandigheden voor alle experimenten.
    2. Stel de positie van de tabletschermen tegenover elkaar in op 155° om de OKN Stripes Visualization-webapplicatie weer te geven.
    3. Plaats de rattenhouder in het midden van twee tabletschermen op 4.5 inch van het midden.
      OPMERKING: Op deze positie bevindt het hoofd van de rat zich op ongeveer 3.5 inch afstand van het scherm.
    4. Klik op OKN Stripes Visualization Web Application vanaf het bureaublad van de tablet om visuele stimuli (zwarte en witte strepen) weer te geven, te beginnen met de laagste ruimtelijke frequentie.
      OPMERKING: Ruimtelijke frequenties 0,08, 0,15, 0,2, 0,24, 0,28, 0,33, 0,38 cycli per graad (c/d) worden gebruikt, beginnend bij de laagste ruimtelijke frequentie (0,08c/d) en overgaand naar hogere ruimtelijke frequenties (tot 0,38 c/d). Bij elke ruimtelijke frequentie worden ratten getest op zowel met de klok mee als tegen de klok in in rotatie van strepen (elk 1 minuut).
  2. OKN-testprocedure
    1. Kies een rattenhouder van een geschikt formaat.
    2. Breng de rat naar de opening van de rattenhouder en leid de rat voorzichtig naar binnen.
    3. Laat de rat zich in de houder nestelen (1-2 minuten) voordat u gaat testen.
      OPMERKING: Door de juiste behandeling is het in de meeste gevallen mogelijk om de rat in de houder te houden; Indien nodig wordt de rattenhouder een paar seconden hoog gehouden (tot 2 voet boven de tafel) totdat de rat tot rust komt. De angst voor de hoogte blijkt de neiging van de rat om uit de rattenhouder naar beneden te klimmen te verminderen. Indien nodig krijgt de rat extra tijd (1-2 min) om tot rust te komen.
    4. Plaats het voetstuk van de rattenhouder in de metalen standaard voor een stabiele plaatsing.
      OPMERKING: Met deze opstelling kan de kijkafstand van de rat vanaf het tabletscherm worden gewijzigd.
    5. Schakel de camera in om de video-opname te starten.
    6. Klik op OKN Stripes Visualization Web Application vanaf het bureaublad van het tabletscherm en start het programma te starten.
    7. Laat de OKN-stimuli van links naar rechts of van rechts naar links lopen.
      OPMERKING: Rotatie van de strepen met de klok mee activeert het linkeroog, terwijl rotatie tegen de klok in het rechteroog activeert. De initiële draairichting werd willekeurig gekozen om mogelijke gewenning te voorkomen.
    8. Observeer het volggedrag van de rat.
    9. Begin met testen met de laagste ruimtelijke frequentie (0,08 c/d) en verhoog vervolgens de ruimtelijke frequentie in een stapsgewijze (in oplopende) volgorde.
    10. Let op de aan- of afwezigheid van OKN-antwoorden.
    11. Ga door met testen, er wordt geen rustperiode gegeven tussen verschillende ruimtelijke frequenties.
    12. Stop de video-opname nadat alle ruimtelijke frequenties zijn voltooid en sla de gegevens op met behulp van het rattenidentificatienummer.
    13. Haal de rat uit de houder en plaats hem in de kooi gedurende ongeveer 30 minuten rustperiode tussen de opeenvolgende tests.
    14. Herhaal de testen driemaal per rat.

2. Gegevensanalyse

  1. Bekijk de opgenomen video en bepaal de gezichtsscherpte van elke rat door de ruimtelijke frequenties te vinden waarop de rat reageerde.
  2. Noteer alle reacties (aan- of afwezigheid van een duidelijke head-tracking) in een spreadsheet.
  3. Zoek de hoogste ruimtelijke frequentie waarop een rat reageerde op de drie tests. Dit wordt beschouwd als de uiteindelijke gezichtsscherpte.
    OPMERKING: Aangezien het meten van de gezichtsscherpte subjectief is, zullen de gegevens worden geëvalueerd door twee onafhankelijke onderzoeksmedewerkers om de gezichtsscherptescore voor elke ratte bevestigen 12. De resultaten worden gecontroleerd totdat er overeenstemming is bereikt over de eindscore. Een positieve OKN-respons wordt gedefinieerd als de aanwezigheid van een duidelijke en aanhoudende head-tracking-activiteit. Willekeurige head-tracking (niet gerelateerd aan de visuele stimuli van OKN) of de afwezigheid van enige hoofdbeweging wordt beschouwd als een negatieve OKN-respons.
  4. Voer statistische analyses uit om groepen of tussen de twee ogen te vergelijken (linkeroog versus rechteroog).
    OPMERKING: Bekijk de video-opnamen om te verduidelijken dat positieve of negatieve reacties worden uitgevoerd als dat nodig is.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De OKN-test werd uitgevoerd met behulp van retinaal gedegenereerde (RD) ratten van het Royal College of Surgeons (RCS) en normale Long Evans (LE) ratten van dezelfde leeftijd. De LE-ratten (n = 4) werden gebruikt voor het vaststellen van de basislijngegevens om de gezichtsscherptescores te bepalen bij normale ratten met behulp van de nieuwe opstelling. De statistische analyse werd uitgevoerd met behulp van Microsoft Excel (gemiddelde ± standaarddeviatie). LE-ratten vertoonden een robuust...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

OKN is een reflexieve zaagtandbeweging van de ogen als reactie op een afdrijvende stimulus, die wordt gebruikt als een hulpmiddel om de gezichtsscherpte bij menselijke proefpersonen te beoordelen3. Bij dieren, waaronder primaten en knaagdieren, wordt OKN-testen gebruikt als een kwantitatieve meting van de visuele functie. De huidige studie beschrijft een nieuw, goedkoop OKN-apparaat dat gemakkelijk in onderzoekslaboratoria kan worden opgesteld voor OKN-gedragstest...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Dankbetuigingen

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie werd ondersteund door de CIRM (California Institute for Regenerative Medicine) subsidies (DISC1-09912 PI-Thomas, DR3-07438-PI-Humayun), onbeperkte subsidie aan de afdeling Oogheelkunde van Research to Prevent Blindness, New York, NY, en steun van Bright Focus Foundation (M2016186, Thomas, PI). Het onderzoek dat in deze publicatie wordt gerapporteerd, werd ondersteund door het National Eye Institute van de National Institutes of Health onder Award Number P30EY029220.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
iPad MiniAppleA1489Twee iPad Mini's worden gebruikt om de OKN Stripes Visualisatie Software weer te geven.
Micro-camera/Micro-Camera AttachmentLanonB097H6WWDSDe micro-camera wordt gebruikt om het experiment op te nemen. De micro-camera-aansluiting maakt verbinding met het bureau en houdt de camera gericht op de rat. De hoofdtrackingreacties worden opgenomen en beoordeeld op verschillende afstanden, ruimtelijke frequenties en richtingen. 
Plexiglass Tube/Rat HolderBest AcrylicsB07KMF31MCDe Plexiglass Tube wordt gebruikt om de rat te beperken, met hun hoofd blootgesteld, gedurende de duur van het experiment. De buis is bevestigd aan een andere verticale plexiglasbuis-aansluiting om de rathouder tijdens het experiment te stabiliseren. Het hele apparaat is ontworpen en gebouwd in het lab.
Plexiglass Tube AttachmentBest AcrylicsB07KMF31MCDeze aansluiting houdt de rathouder voor de iPad-schermen en maakt het mogelijk de afstand tussen de rat en iPads te manipuleren. 
Screen HoldersKabconB08JLRPKQ1Twee schermhouders worden gebruikt om de iPads omhoog te houden om de OKN Stripes Visualisatie Software aan de rat weer te geven. 
OKN Stripes Visualisatie Web ApplicatieThe MIT License (MIT) Copyright (c) 2016 Anton Yakushinhttps://antonyakushin.github.io/okn-stripes-visualization/Deze applicatie is een vrij beschikbare software om visuele stimuli (zwart-witte strepen) op verschillende frequenties weer te geven

Referenties

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Mustari, M. J., Ono, S. Optokinetic eye movements. Encyclopedia of Neuroscience. , Academic Press. 285-293 (2009).
  2. Gottlob, I. Ups and downs of optokinetic nystagmus. British Journal of Ophthalmology. 84, 445-447 (2000).
  3. Wester, S. T., Rizzo, J. F., Balkwill, M. D., Wall, C. Optokinetic nystagmus as a measure of visual function in severely visually impaired patients. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (10), 4542-4548 (2007).
  4. Daroff, R., Aminoff, M. Encyclopedia of the Neurological Sciences. , Elsevier, Academic Press. (2014).
  5. Squire, L., et al. Fundamental Neuroscience. , Elsevier, Academic Press. Amsterdam, Boston. (2008).
  6. Thomas, B. B., Seiler, M. J., Sadda, S. R., Coffey, P. J., Aramant, R. B. Optokinetic test to evaluate visual acuity of each eye independently. Journal of Neuroscience Methods. 138 (1-2), 7-13 (2004).
  7. Cahill, H., Nathans, J. The optokinetic reflex as a tool for quantitative analyses of nervous system function in mice: Application to genetic and drug-induced variation. PLOS One. 3 (4), 2055(2008).
  8. Segura, F., et al. Development of optokinetic tracking software for objective evaluation of visual function in rodents. Scientific Reports. 8, 10009(2018).
  9. Lev-Ari, T., Katz, H., Lustig, A., Katzir, G. Visual acuity and optokinetic directionality in the common chameleon (Chamaeleo chamaeleon). , Available from: https://www.semanticscholar.org/paper/Visual-Acuity-and-Optokinetic-Directionality-in-the-Lev-Ari-Katz/7bae131729f31f005cf64516ad7285904363c2e9 (2017).
  10. Thomas, B. B., Shi, D., Khine, K., Kim, L. A., Sadda, S. R. Modulatory influence of stimulus parameters on optokinetic head-tracking response. Neuroscience Letters. 479 (2), 92-96 (2010).
  11. Shi, D. S., et al. Characterization of optokinetic response in normal and retinal degenerate rats and mice using a computer-based testing apparatus. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 49 (13), 4422(2008).
  12. Thomas, B. B., et al. Co-grafts of human embryonic stem cell derived retina organoids and retinal pigment epithelium for retinal reconstruction in immunodeficient retinal degenerate royal college of surgeons rats. Frontiers in Neuroscience. 15, 752958(2021).
  13. Thomas, B. B., et al. A new immunodeficient retinal dystrophic rat model for transplantation studies using human-derived cells. Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 256 (11), 2113-2125 (2018).
  14. Prusky, G. T., Alam, N. M., Beekman, S., Douglas, R. M. Rapid quantification of adult and developing mouse spatial vision using a virtual optomotor system. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 45 (12), 4611-4616 (2004).
  15. Cameron, D., et al. The optokinetic response as a quantitative measure of visual acuity in zebrafish. Journal of Visualized Experiments. (80), e50832(2013).
  16. Tabata, H., Shimizu, N., Wada, Y., Miura, K., Kawano, K. Initiation of the optokinetic response (OKR) in mice. Journal of Vision. 10 (1), 13(2010).
  17. Huang, Y. -Y., Neuhauss, S. C. F. The optokinetic response in zebrafish and its applications. Frontiers in Bioscience: A Journal and Virtual Library. 13, 1899-1916 (2008).
  18. Sirkin, D. W., Hess, B. J., Precht, W. Optokinetic nystagmus in albino rats depends on stimulus pattern. Experimental Brain Research. 61 (1), 218-221 (1985).
  19. Dietrich, M., et al. Using optical coherence tomography and optokinetic response as structural and functional visual system readouts in mice and rats. Journal of Visualized Experiments. (143), e58571(2019).
  20. Rajendran Nair, D. S., et al. Long-term transplant effects of iPSC-RPE monolayer in immunodeficient RCS rats. Cells. 10 (11), 2951(2021).
  21. Kretschmer, F., Sajgo, S., Kretschmer, V., Badea, T. C. A system to measure the Optokinetic and optomotor response in mice. Journal of Neuroscience Methods. 256, 91-105 (2015).
  22. Lin, T. -C., et al. Assessment of safety and functional efficacy of stem cell-based therapeutic approaches using retinal degenerative animal models. Stem Cells International. 2017, 9428176(2017).
  23. Ryals, R. C., et al. Long-term characterization of retinal degeneration in Royal College of Surgeons Rats using spectral-domain optical coherence tomography. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 58 (3), 1378-1386 (2017).
  24. Di Pierdomenico, J., et al. Early events in retinal degeneration caused by rhodopsin mutation or pigment epithelium malfunction: Differences and similarities. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 14(2017).
  25. McGill, T. J., Douglas, R. M., Lund, R. D., Prusky, G. T. Quantification of spatial vision in the Royal College of Surgeons Rat. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 45 (3), 932-936 (2004).
  26. Hetherington, L., Benn, M., Coffey, P., Lund, R. Sensory capacity of the Royal College of Surgeons rat. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 41, 3979-3983 (2000).
  27. Sauvé, Y., Pinilla, I., Lund, R. D. Partial preservation of rod and cone ERG function following subretinal injection of ARPE-19 cells in RCS rats. Vision Research. 46 (8), 1459-1472 (2006).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Optokinetisch nystagmusgezichtsscherptehoofdtrackingvisuele stimulusruimtelijke frequentieplexiglas houdermicrocameraretinale degeneratievisuele functie
Video binnenkort beschikbaar

Gerelateerde artikelen