Aby zbadać wzrok myszy, przeprowadziliśmy nadciągający test. Myszy umieszczono na dużej kwadratowej arenie z monitorem na suficie. Zbliżający się bodziec wizualny konsekwentnie wywoływał u myszy reakcje zamrożenia lub ucieczki.
Artykuł metodologiczny
Aby zbadać wzrok myszy, przeprowadziliśmy nadciągający test. Myszy umieszczono na dużej kwadratowej arenie z monitorem na suficie. Zbliżający się bodziec wizualny konsekwentnie wywoływał u myszy reakcje zamrożenia lub ucieczki.
Układ wzrokowy w ośrodkowym układzie nerwowym przetwarza różne sygnały wzrokowe. Chociaż ogólna struktura została scharakteryzowana od siatkówki przez jądro kolankowate boczne do kory wzrokowej, system jest złożony. Przeprowadzono badania komórkowe i molekularne w celu wyjaśnienia mechanizmów leżących u podstaw przetwarzania wzrokowego, a co za tym idzie, mechanizmów chorobowych. Badania te mogą przyczynić się do rozwoju sztucznych systemów wizualnych. Aby zweryfikować wyniki tych badań, konieczne jest przeprowadzenie testów wzroku behawioralnego. Tutaj pokazujemy, że zbliżający się eksperyment stymulacji jest niezawodnym testem wzroku myszy, który wymaga stosunkowo prostej konfiguracji. Eksperyment z krosnem przeprowadzono w dużym pomieszczeniu ze schronieniem w jednym rogu i monitorem komputerowym umieszczonym na suficie. Kamera CCD umieszczona obok monitora komputera służyła do obserwacji zachowania myszy. Mysz umieszczono w pomieszczeniu na 10 minut i pozwolono jej zaaklimatyzować się i eksplorować otoczenie. Następnie monitor 10 razy wyświetlał bodziec pochodzący z programu. Mysz reagowała na bodźce albo zastygłem w bezruchu, albo uciekając do kryjówki. Zachowanie myszy przed i po zbliżających się bodźcach zostało nagrane, a wideo przeanalizowano za pomocą oprogramowania do śledzenia ruchu. Prędkość ruchu myszy znacznie się zmieniła po zbliżających się bodźcach. Natomiast u ślepych myszy nie zaobserwowano żadnej reakcji. Nasze wyniki pokazują, że prosty eksperyment z nadciąganiem jest wiarygodnym testem wzroku myszy.
System wzrokowy zaczyna się w siatkówce, gdzie sygnały wzrokowe są przechwytywane przez fotoreceptory, kierowane do komórek dwubiegunowych (neurony 2. rzędu), a na końcu przekazywane do komórek zwojowych (neurony3. rzędu). Uważa się, że neurony siatkówki 2i 3rzędu tworzą wiele ścieżek neuronowych, które przekazują określone aspekty sygnalizacji wizualnej, takie jak kolor, ruch lub kształt. Te różnorodne cechy wzrokowe są przekazywane do jądra kolankowatego bocznego i kory wzrokowej. Natomiast sygnały wzrokowe prowadzące do ruchu gałek ocznych są wysyłane do wzgórka górnego. Klasycznie zidentyfikowano dwa szlaki siatkówkowo-korowe: wielkokomórkowy i parwokomórkowy. Ścieżki te kodują odpowiednio obiekty ruchome i nieruchome, a ich istnienie ucieleśnia podstawową koncepcję przetwarzania równoległego1,2,3,4,5,6. Ostatnio ponad 15 typów komórek dwubiegunowych 7,8,9,10,11 i komórki zwojowe12,13,14,15,16 zgłaszano w siatkówce wielu gatunków, w tym w siatkówce naczelnych. Komórki te różnią się nie tylko aspektami morfologicznymi, ale także ekspresją odrębnych markerów i genów8,10,17,18, co sugeruje, że różne cechy sygnałów wzrokowych są przetwarzane równolegle, co jest bardziej skomplikowane niż pierwotnie przewidywano.
Technologie komórkowe i molekularne przyczyniły się do naszego zrozumienia przetwarzania wzrokowego i potencjalnych mechanizmów chorobowych, które mogą wynikać z nieprawidłowego przetwarzania wzrokowego. Takie zrozumienie może przyczynić się do rozwoju sztucznych oczu. Chociaż badania i analizy komórkowe oferują dogłębną wiedzę na poziomie komórkowym, połączenie eksperymentów behawioralnych i eksperymentów komórkowych znacznie poszerzyłoby nasze obecne zrozumienie drobnych procesów wzrokowych. Na przykład Yoshida i wsp.19 odkryli, że komórki amakrynowe gwiazdowybuchowe są kluczowymi neuronami do wykrywania ruchu w siatkówce myszy. Po eksperymentach komórkowych przeprowadzili eksperyment behawioralny z oczopląsem optokinetycznym (OKN), aby wykazać, że zmutowane myszy, u których komórki amakrynowe gwiazdoskrzydłe były dysfunkcyjne, nie reagowały na poruszające się obiekty, potwierdzając w ten sposób swoje badania komórkowe. Ponadto Pearson i wsp.20 przeprowadzili przeszczep fotoreceptorów w siatkówce myszy w celu przywrócenia wzroku u chorych myszy. Przeprowadzili nie tylko eksperymenty komórkowe, ale także zmierzyli zachowanie myszy za pomocą nagrań reakcji optomotorycznych i zadań w labiryncie wodnym, co pozwoliło Pearsonowi i in. zweryfikować, czy przeszczepione fotoreceptory przywróciły wzrok u wcześniej niewidomych myszy. Podsumowując, eksperymenty behawioralne są silnymi narzędziami do oceny wzroku myszy.
Dostępnych jest wiele metod pomiaru wzroku myszy. Metody te mają zalety i ograniczenia. ERG in vivo dostarcza informacji na temat tego, czy siatkówka myszy, w szczególności fotoreceptory i komórki dwubiegunowe ON, odpowiednio reaguje na bodźce świetlne. ERG można testować zarówno w warunkach skotopowych, jak i fotopowych21,22. ERG wymaga jednak znieczulenia, co może mieć wpływ na wynik pomiaru23. Odruch optokinetyczny (OKR) lub odpowiedź optomotoryczna (OMR) to solidna metoda oceny wrażliwości na kontrast i rozdzielczości przestrzennej, które są funkcjonalnymi składnikami widzenia myszy. Jednak OKR wymaga operacji, aby przymocować urządzenie mocujące do czaszki myszy24. OMR nie wymaga ani operacji, ani szkolenia myszy; Wymaga to jednak treningu, aby umożliwić eksperymentatorowi subiektywne wykrycie subtelnych ruchów głowy myszy w odpowiedzi na poruszającą się siatkę w bębnie optycznym 25,< klasa SUP = "xref">26. Refleks świetlny źrenicy mierzy zwężenie źrenicy w odpowiedzi na bodźce świetlne, które nie wymagają znieczulenia i wykazują obiektywne i solidne odpowiedzi 19. Chociaż odruch źrenicowy symuluje reakcję siatkówki na światło in vivo, odruch ten jest głównie pośredniczony przez wewnętrznie światłoczułe komórki zwojowe siatkówki (ipRGC) 27. Ponieważ ipRGC stanowią niewielką mniejszość RGC i nie służą jako konwencjonalne komórki zwojowe tworzące obraz, pomiar ten nie dostarcza informacji dotyczących większości komórek zwojowych.
Eksperyment z nadciągającym światłem nie był wcześniej uważany za główny test do pomiaru wzroku myszy. Jest to jednak również solidny i niezawodny test wzroku u różnych gatunków, takich jak mouse28,29, danio pręgowany30, locust31,32 i human33,34,35. Co ważne, zbliżający się eksperyment jest jedną z niewielu metod testowania szlaku tworzenia obrazu - nie jest to szlak odruchowy - biorąc pod uwagę, że układ wzrokowy i limbiczny w ośrodkowym układzie nerwowym są zaangażowane w ten obwód36,37,38. Stworzyliśmy zbliżający się system bodźców wizualnych i wykazaliśmy jego zdolność do wywoływania detekcji ruchu w myszy, której używamy jako wskaźnika zastępczego do oceny nienaruszonego systemu wzrokowego myszy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie eksperymenty i opieka nad zwierzętami zostały przeprowadzone zgodnie z protokołem zatwierdzonym przez Instytucjonalne Komitety ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt na Uniwersytecie Stanowym Wayne (nr protokołu 17-11-0399).
1. Przygotowanie do eksperymentu
2. Aklimatyzacja myszy
3. Projekcja bodźców wizualnych
4. Analiza wideo
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Mysz ze zdrowymi oczami została umieszczona w pomieszczeniu i pozwolono jej zaaklimatyzować się przez 10 minut. Arena z monitorem na suficie była utrzymywana w mezopowych warunkach oświetleniowych (7 x 105 fotonów/μm2/s). W okresie aklimatyzacji mysz badała przestrzeń i znalazła nieprzezroczystą kopułę jako schronienie. Gdy mysz oddaliła się od schronienia, rozpoczęło się nagrywanie wideo, a następnie inicjacja bodźca wizualnego. W odpowiedzi na zbliżający się bodziec większość myszy wpadła na kopuł...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wraz z zbliżającym się systemem bodźców wzrokowych większość (97%) zdrowych myszy ocznych wykazywała reakcję ucieczki. Jedna z 29 myszy nie wykazywała wyraźnej reakcji ucieczki. Jednak mysz podeszła do kopuły i pozostała w jej pobliżu, dopóki looming nie zniknął, co wskazuje, że mysz była przynajmniej ostrożna, gdy pojawiły się zbliżające się bodźce. Dlatego zbliżające się bodźce konsekwentnie wywoływały wrodzone reakcje strachu u myszy o zdrowych oczach. Z drugiej strony, trzy ślepe myszy nie wykazywały żadnych reakcji ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez granty NIH R01 EY028915 (TI) i RPB.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Monitor 10,1" (wyświetlacz 2&) | Elecrow | Elecrow 10,1-calowy wyświetlacz Raspberry Pi o rozdzielczości 1920x1080p | |
| wyświetlacz) | Acer | Acer R221Q bid 21,5-calowy wyświetlacz IPS Full HD Kamera | |
| CCD | Lumenera Corporation | Infiniyy3S-1UR | doskonała do badań behawioralnych ze względu na wysoką liczbę klatek na sekundę (60 kl./s) |
| Obudowa (ramy aluminiowe i panele PCV) | 80/20 Inc. | 4x kat.#9010, 4x kat.#9005, 1x kat.#9000, 5x kat.#65-2616 | doskonała, używana zakładka szybkiego budowania do wyszukiwania PCV, połączeń i ramy |
| Etanol | Fisher Scientific | 22-032-601 | |
| Arkusz kalkulacyjny Excel Przyjazny | dla użytkownika Microsoft Office | ||
| Freearm | Amazon | używany do montażu kamery na stole, może użyć dowolnego montowanego wysuwane ramię | |
| ImagePro Premiere 3D | Media Cybernetics | wersja 9.3 | dobry program, przydałaby się aktualizacja z funkcją automatycznego śledzenia |
| Oprogramowanie Matlab (Psychotoolbox 3) | MathWorks | Matlab R2018b 64-bit (9.5.0.944444) | doskonałe oprogramowanie do generowania bodźców wzorcowych w dowolnych warunkach |
| Oprogramowanie sorftware | SteamPix Norpix | StreamPix 7 64-bitowa pojedyncza kamera | działa dobrze, kilka problemów z gubieniem klatek, ale dobra obsługa klienta |
| Zewnętrzny dysk twardy WD My Book Dysk | Western Digital | WDBBGB0080HBK 8 TB USB 3.0 | niezbędny do korzystania z plików .avi bez kodeka kompresji ze względu na duży rozmiar plików |
| Obiektyw szerokokątny | Navitar | NMV-5M23 | doskonały i niezbędny do uchwycenia całej areny |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie