1. Przygotowanie
Poniższe eksperymenty zostały przeprowadzone zgodnie z wytycznymi Holenderskiego Komitetu Etycznego ds. Doświadczeń na Zwierzętach.
- Przygotowanie myszy do wideookulografii. Aby zmierzyć ruchy gałek ocznych myszy, konieczna jest immobilizacja głowy zwierzęcia. W związku z tym na czaszce myszy wykonuje się konstrukcję podstawki (Rysunek 1).
- Przeprowadź anestezję myszy w komorze gazowej, stosując mieszaninę izofluranu (isofluran 1-1,5%; Rhodia Organique Fine LtD, Francja) i tlenu. Nadmiar gazu jest odprowadzany. Utrzymuj znieczulenie za pomocą maski nosowej. Głębokość anestezji potwierdź poprzez ucisk palca u stopy.
- Utrzymuj temperaturę ciała na poziomie 37 °C przy użyciu analnego termosensora i maty grzewczej (FHC, Bowdoinham, ME).
- Zabezpiecz oczy, nakładając maść do oczu (duratears, Alcon, Belgia). Ogol futro na grzbietowej części czaszki i oczyść pole operacyjne, wykonując cykle mycia roztworem betadyny lub chlorheksydyny.
- Wykonaj nacięcie w linii środkowej, aby odsłonić grzbietową powierzchnię czaszki. Oczyść i osusz powierzchnię.
- Nałóż kroplę kwasu fosforowego (żel trawiący z kwasem fosforowym 37,5%; Kerr, CA) na grzbietową powierzchnię czaszki, od punktu bregma do lambda. Usuń trawienie po 15 sekundach, a następnie oczyść powierzchnię czaszki solą fizjologiczną i ponownie osusz.
- Na tak przygotowaną powierzchnię czaszki nałóż kroplę OptiBond prime (Kerr, CA) i susz powietrzem przez 30 sekund.
- Na OptiBond prime nałóż kroplę adhezyjną OptiBond (Kerr, CA) i utwardz światłem przez 1 minutę (urządzenie do utwardzania światłem widzialnym Maxima 480; Henry Schein, USA).
- Warstwę adhezyjną pokryj cienką warstwą kompozytu Charisma (Heraeus Kulzer, Niemcy). W kompozycie osadź dwie połączone nakrętki (średnica: 3 mm). Następnie utwardź kompozyt światłem. W razie potrzeby nałóż dodatkowe warstwy kompozytu i utwardź je światłem.
- Podaj buprenorfinę (0,015 mg/kg, s.c.) w celu zapewnienia analgesji pooperacyjnej. Zwierzę powinno odzyskać sprawność w ciągu około 5 min. Pozostaw mysz do rekonwalescencji w klatce domowej w temperaturze pokojowej przez co najmniej 3 dni po zabiegu.
- Układ do wideookulografii myszy (Rysunek 2).
- Umieść mysz w stabilizatorze i przymocuj jej głowę do stabilizatora za pomocą dwóch śrub (Rysunek 1). Podczas tej procedury mysz nie wymaga znieczulenia. Czas stabilizacji nie powinien przekraczać 1 h/dobę.
- Zamontuj stabilizator głowy i ciała myszy na platformie X-Y, która z kolei jest zamocowana na stole obrotowym (średnica: 60 cm). Dzięki platformie X-Y głowę myszy można ustawić nad środkiem stołu obrotowego. Myszy można przemieszczać w osiach pochylenia, odchylenia i przechylenia. Głowę myszy ustawia się pod odpowiednim kątem pochylenia, odchylenia i przechylenia, centrując oko na podstawie obrazu wideo generowanego przez system ISCAN. Alternatywnie konstrukcję podstawki można umieścić na głowie myszy w ramie stereotaktycznej11.
- Stół obrotowy jest połączony z serwomotorem prądu przemiennego (Harmonic drive AG, Holandia), a jego pozycja jest monitorowana przez potencjometr (Bourns inc., CA) zamocowany do osi stołu.
- Cylindryczny ekran otaczający (średnica: 63 cm; wysokość: 35 cm) z losowym wzorem kropek (każdy element 2°) pokrywa stół obrotowy; bęben ten jest również wyposażony w serwomotor prądu przemiennego (Harmonic drive AG, Holandia). Pozycja ekranu cylindrycznego jest monitorowana przez potencjometr (Bourns inc., CA) zamocowany do jego osi, a ekran może być oświetlany lampą halogenową (20 W). Zarówno ekran otaczający, jak i stół obrotowy są napędzane niezależnie.
- Ruch stołu obrotowego i ekranu otaczającego jest kontrolowany przez komputer podłączony do interfejsu wejścia/wyjścia (CED limited, Cambridge, Wielka Brytania). Sygnały pozycji stołu i ekranu otaczającego są filtrowane (częstotliwość odcięcia: 20 Hz), digitalizowane przez interfejs wejścia/wyjścia i zapisywane w komputerze.
- Oko myszy jest oświetlane przez trzy emitery podczerwieni (600 mW, kąt rozproszenia: 7°, peak długości fali: 880 nm, RS components, Holandia). Dwa emitery podczerwieni są zamocowane do stołu obrotowego, a trzeci do kamery. Ten trzeci emitter wytwarza referencyjne odbicie rogówkowe (CR), które jest wykorzystywane podczas procedury kalibracji oraz podczas rejestracji ruchów oka.
- Kamera CCD z podczerwienią, wyposażona w obiektyw zoom (Zoom 6000, Navitar inc., NY), jest zamocowana do stołu obrotowego i skupiona na głowie myszy w centrum stołu. Kamerę można odblokować i odchylić wokół osi stołu obrotowego o dokładnie 20° podczas procedury kalibracji.
- Sygnał wideo jest przetwarzany przez system śledzenia oczu (ETL-200, ISCAN, Burlington, MA). System ISCAN wykorzystuje algorytm do śledzenia środków źrenicy i referencyjnego CR. System może śledzić źrenicę i referencyjne CR w kierunku poziomym i pionowym z częstotliwością próbkowania 120 Hz.
- Sygnały pozycji referencyjnego CR, pozycji źrenicy oraz wielkości źrenicy są digitalizowane przez interfejs wejścia/wyjścia i zapisywane w tym samym pliku co sygnały pozycji stołu i ekranu otaczającego. Wideo-system śledzenia źrenicy wprowadza opóźnienie sygnałów ruchu oka wynoszące około 27 ms.
2. Kalibracja i pomiar ruchów gałek ocznych przy użyciu wideopupillometrii
System śledzenia wzroku rejestruje ruch źrenicy jako ruch translacyjny. Ruch translacyjny śledzonej źrenicy zawiera komponent translacyjny wynikający z różnicy osiowej między centrum rotacji oka a centrum anatomicznym oka (tj. centrum krzywizny rogówki) oraz komponent rotacyjny wynikający z obrotu kątowego gałki ocznej. Poprzez odjęcie referencyjnego CR od ruchu/pozycji źrenicy, z sygnału usuwany jest niepożądany komponent translacyjny, w wyniku czego otrzymujemy ruch translacyjny wynikający wyłącznie z rotacji gałki ocznej. Choć są one często bardzo małe, odejmowanie to eliminuje również przesunięcia między głową a kamerą. Pozostały izolowany ruch translacyjny jest przeliczany na obrót kątowy gałki ocznej za pomocą następującej metody kalibracji8,12. Kalibrację tę przeprowadzono przed rozpoczęciem jakiegokolwiek eksperymentu z ruchami oczu.
- Dostosuj położenie głowy myszy względem kamery w taki sposób, aby obraz wideo źrenicy znajdował się na środku monitora, a reprezentacja referencyjnego odblasku rogówki (CR) znajdowała się na pionowej osi środkowej oka, najlepiej bezpośrednio nad źrenicą. Zminimalizuj ruchy referencyjnego CR wynikające z kątowych obrotów kamery, co można osiągnąć poprzez umieszczenie centrum krzywizny rogówki na osi kamery/stołu.
- Obracaj kamerę kilkakrotnie o +/- 10° (tj. 20 stopni szczyt-szczyt) wokół osi pionowej obrotowego stołu. Wykorzystaj pozycje śledzonej źrenicy (P) oraz referencyjnego CR zarejestrowane w skrajnych pozycjach obrotu kamery, aby obliczyć promień rotacji źrenicy (Rp; Rp = Δ/sin(20°); gdzie Δ=(CR-P), patrz Rysunek 3A).
- Z uwagi na fakt, że wartość Rp zależy od wielkości źrenicy, konieczne jest wprowadzenie korekty wielkości źrenicy12 (Rysunek 3B). Powtórz krok 2.2 wielokrotnie w różnych warunkach oświetlenia (tj. manipulując wielkością źrenicy; Rysunek 3C), aby określić zależność między wielkością źrenicy a Rp i sporządzić krzywą korekcji Rp (Rysunek 3D). Wartość Rp zależy również od pionowej pozycji oka. W przypadku, gdy eksperyment spowoduje pionowe ruchy oka, wysoce zalecana jest korekta kalibracji dla pionowych pozycji oka13.
- Wyznacz pozycję kątową oka (E), mierząc pozycję referencyjnego CR, pozycję P oraz wielkość źrenicy. Pozycję referencyjnego CR odejmuje się od pozycji źrenicy, generując pozycję źrenicy wolną od translacji. Na podstawie pomiaru wielkości źrenicy można odczytać wartość Rp z krzywej korekcji Rp, a następnie obliczyć E, korzystając z następnego wzoru: E= arcsin {(Δ1)/Rp} (Rysunek 4A; gdzie Δ1=(P2-P1), a P1 i P2 są korygowane poprzez odjęcie referencyjnego CR).
- Można teraz zastosować szeroki zakres obrotów stołu obrotowego i/lub otaczającego ekranu w celu stymulacji systemu okulomotorycznego. Aby przeprowadzić wideookulografię w ciemności, oko myszy musi zostać poddane wstępnej obróbce lekiem miotycznym, aby ograniczyć rozszerzenie źrenicy i umożliwić jej śledzenie w tych warunkach. W naszych eksperymentach stosujemy pilokarpinę (4%, Laboratories Chauvin, Francja), aby ograniczyć rozszerzenie źrenicy w ciemności.
3. Analiza danych
- Pozycje oczu, pozycje stołu oraz pozycje ekranu otaczającego są przeliczane na pozycje kątowe (patrz Rysunek 4B oraz wzór w sekcji 2.4). Sygnały z oczu są korygowane o opóźnienie wynoszące 27 ms, wywołane przetwarzaniem obrazu w systemie śledzenia źrenic.
- Pozycje kątowe oka, stołu i ekranu otaczającego są różniczkowane i filtrowane za pomocą filtru dolnoprzepustowego Butterwortha z częstotliwością odcięcia 20 Hz.
- Sakkady są usuwane z sygnału prędkości oka przy zastosowaniu progu detekcji wynoszącego 40°/s. Dane są usuwane w przedziale od 20 ms przed do 80 ms po przekroczeniu progu detekcji.
- Sygnały prędkości stołu, ekranu otaczającego i oka są uśredniane dla każdego pojedynczego cyklu w próbie (Rysunek 4C).
- Uśrednione sygnały są dopasowywane do odpowiedniej funkcji. Zazwyczaj stosuje się sinusoidalną stymulację prędkości, a uśrednione cykle są dopasowywane do funkcji sinus lub cosinus (Rysunek 4C). Następnie wzmocnienie (gain) można obliczyć jako stosunek prędkości oka do prędkości bodźca, natomiast fazę jako różnicę (w stopniach) między prędkością oka a prędkością bodźca.
4. Reprezentatywne wyniki
Wideookulografii można używać do badania różnych form funkcji okulomotorycznych (np. odruchu optokinetycznego: OKR; odruchu przedsionkowo-ocznego: VOR; wizualnie wzmocnionego odruchu przedsionkowo-ocznego: VVOR), a także uczenia się motorycznego (adaptacja VOR; adaptacja OKR). OKR kompensuje zakłócenia o niskiej częstotliwości, wykorzystując sprzężenie zwrotne z obrazu. OKR można wywołać poprzez obracanie dobrze oświetlonego ekranu otaczającego (Movie 1). Obracanie ekranu otaczającego w zakresie częstotliwości 0,2 -1,0 Hz z amplitudą 1,6° pokazuje, że system optokinetyczny jest bardziej efektywnym mechanizmem kompensacyjnym w zakresie niskich częstotliwości niż w zakresie wysokich częstotliwości (Figure 5A). VOR kompensuje szybkie ruchy głowy o wysokiej częstotliwości, wykorzystując sygnały z organów przedsionkowych. VOR można wywołać poprzez obracanie zwierzęcia (np. na stole obrotowym) w ciemności (Movie 2). Obracanie stołu obrotowego w zakresie częstotliwości 0,2 -1,0 Hz z amplitudą 1,6° demonstruje, że system przedsionkowo-oczny jest bardziej efektywny w generowaniu kompensacyjnych ruchów gałek ocznych w zakresie wysokich częstotliwości niż w zakresie niskich częstotliwości (Figure 5A). Gdy system optokinetyczny i przedsionkowo-oczny działają wspólnie, obrazy mogą być stabilizowane na siatkówce w szerokim zakresie ruchów głowy. Obracanie stołu obrotowego w zakresie częstotliwości 0,2 -1,0 Hz z amplitudą 1,6°, przy jednoczesnym dobrym oświetleniu ekranu otaczającego (Movie 3), pokazuje, jak oko generuje kompensacyjne ruchy o „wysokim wzmocnieniu” (high gain) w całym zakresie częstotliwości (Figure 5A). Wszystkie te wartości wzmocnienia i fazy są typowe dla myszy, choć zgłaszano różnice ze względu na płeć14 i szczep15,16,17.
Niezależna kontrola nad obrotowym stołem i otaczającym ekranem umożliwia nam doprowadzenie do rozbieżności między informacjami wizualnymi a przedsionkowymi u myszy. Po długotrwałej i jednostajnej ekspozycji na niespójne informacje wizualne i przedsionkowe, VOR myszy ulegnie zmianie w celu zrekompensowania zmodyfikowanych bodźców wzrokowych (adaptacja VOR; Film 4). Obracanie stołu w przeciwfazie (tj. 180°) względem otaczającego ekranu (1 Hz, 1,6°) zwiększa wzmocnienie VOR (Rysunek 5B). Maksymalna zmiana wzmocnienia VOR, przy zastosowaniu paradygmatu uczenia się w jednej próbie, jest często osiągana po 30 minutach.

Rycina 1. Schematyczny rysunek unieruchamiacza głowy i ciała myszy. Ciało myszy jest unieruchomione za pomocą plastikowej rurki cylindrycznej o średnicy 35 mm. Głowa myszy jest immobilizowana poprzez połączenie cokołu myszy z żelaznym prętem za pomocą dwóch śrub. Żelazny pręt jest ustawiony pod kątem 30 stopni, aby zapewnić prawidłowe nachylenie głowy myszy podczas poruszania się. *, widok z góry na cokół zawierający dwie nakrętki.

Rycina 2. Schematyczny rysunek układu wideookulografii u myszy.

Rysunek 3. Kalibracja systemu wideozapisu do śledzenia źrenicy. A) Kamera jest obracana kilkukrotnie o +/- 10° (tj. 20 stopni od szczytu do szczytu) wokół osi pionowej obrotowego stołu. Śledzona źrenica (P) oraz referencyjne odbicie rogówkowe (CR), zarejestrowane w skrajnych pozycjach obrotu kamery, służą do obliczenia promienia rotacji źrenicy (Rp). B) Promień średnicy źrenicy zależy od wielkości źrenicy. C) Przykład pokazujący wpływ wielkości źrenicy na jej pozycję podczas procedury kalibracji (obie wartości zmierzone w pikselach (px)). D) Zależność między Rp a średnicą źrenicy zmierzoną u jednej myszy. Trzynaście różnych średnic źrenicy uzyskano poprzez zmianę intensywności światła otoczenia.

Rycina 4. Pomiar i analiza ruchów gałek ocznych za pomocą wideo-trackingu źrenic. A) Kątowa pozycja źrenicy jest obliczana na podstawie promienia źrenicy (Rp) oraz pozycji źrenicy (P; skorygowanej o pozycję CR). B) Przykład kompensacyjnego ruchu oka wywołanego stymulacją systemu przedsionkowego i wzrokowego (wzmocniony wzrokowo VOR). Stół obrotowy był obracany sinusoidalnie z częstotliwością 0.6 Hz i amplitudą 1.6°, podczas gdy otaczający ekran był dobrze oświetlony. C) Analizy rejestracji przedstawionej w B). Wykres przedstawia uśredczoną krzywą prędkości stołu obrotowego (niebieska) i źrenicy (czerwona). Uśrednione krzywe te zostały dopasowane do funkcji sinusoidalnej (czarna).

Rysunek 5. Wydajność i uczenie się układu okulomotorycznego zmierzone u jednej myszy C57Bl6. A) Ruchy gałek ocznych są generowane przez obroty otaczającego ekranu (odruch optokinetyczny: OKR, górne panele), przez obracanie myszy w ciemności (odruch przedsionkowo-oczny: VOR, środkowe panele) oraz przez obracanie myszy przy świetle (wizualnie wzmocniony odruch przedsionkowo-oczny: VVOR, dolny panel) z częstotliwościami od 0,2 do 1,0 Hz przy amplitudzie 1,6°. Wzmocnienie odruchu obliczono jako stosunek prędkości ruchu oka do prędkości bodźca (lewe panele), a fazę odruchu obliczono z różnicy faz między prędkością ruchu oka a prędkością bodźca ( prawe panele). B) Uczenie motoryczne osiągnięto poprzez adaptacyjne zwiększanie VOR przy użyciu paradygmatu treningu w przeciwfazie. Mysz poddano wizualno-przedsionkowemu paradygmatowi treningowemu, w którym obrót myszy odbywał się w przeciwfazie (180°) do obrotu otaczającego ekranu (oba obracały się z częstotliwością 1,0 Hz, 1,6°) przez czterdzieści minut. Co 10 minut testowano VOR (1,0 Hz, 1,6°). U tej myszy trening w przeciwfazie zwiększył wzmocnienie VOR.
Film 1. Animacja przedstawiająca paradygmat indukujący OKR u myszy Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.
Film 2. Animacja przedstawiająca paradygmat indukujący odruch przedsionkowo-oczny (VOR) u myszy. Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.
Film 3. Animacja przedstawiająca paradygmat indukujący VVOR u myszy. Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.
Film 4. Animacja przedstawiająca paradygmat treningu wizuowestykularnego w przeciwfazie, który indukuje adaptację VOR (wzrost) u myszy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić film.