Здесь мы опишем стандартный протокол количественной оценки оптокинетического рефлекса. Он сочетает в себе виртуальную стимуляцию барабана и видеоокулографию, что позволяет точно оценить селективность поведения и его адаптивную пластичность.
Method Article
Здесь мы опишем стандартный протокол количественной оценки оптокинетического рефлекса. Он сочетает в себе виртуальную стимуляцию барабана и видеоокулографию, что позволяет точно оценить селективность поведения и его адаптивную пластичность.
Оптокинетический рефлекс (OKR) — это важнейшее врожденное движение глаз, которое запускается глобальным движением зрительной среды и служит для стабилизации изображений сетчатки. Благодаря своей важности и надежности, OKR используется для изучения зрительно-моторного обучения и оценки зрительных функций мышей с разным генетическим фоном, возрастом и лекарственным лечением. Здесь мы представляем процедуру оценки OKR-ответов мышей с фиксированной головой с высокой точностью. Фиксация головы может исключить влияние вестибулярной стимуляции на движения глаз, что позволяет измерять движения глаз, вызванные только зрительным движением. OKR вызывается виртуальной барабанной системой, в которой вертикальная решетка, представленная на трех компьютерных мониторах, дрейфует горизонтально колебательно или в одном направлении с постоянной скоростью. С помощью этой системы виртуальной реальности мы можем систематически изменять визуальные параметры, такие как пространственная частота, временная/колебательная частота, контрастность, яркость и направление решеток, а также количественно оценивать кривые настройки селективности визуальных признаков. Высокоскоростная инфракрасная видеоокулография обеспечивает точное измерение траектории движений глаз. Глаза отдельных мышей откалиброваны, чтобы обеспечить возможность сравнения OKR между животными разного возраста, пола и генетического происхождения. Количественная сила этого метода позволяет обнаруживать изменения в OKR, когда это поведение пластически адаптируется из-за старения, сенсорного опыта или моторного обучения; Таким образом, это делает этот метод ценным дополнением к репертуару инструментов, используемых для исследования пластичности поведения глаз.
В ответ на визуальные раздражители в окружающей среде наши глаза двигаются, чтобы переместить наш взгляд, стабилизировать изображения на сетчатке, отслеживать движущиеся цели или выровнять ямки двух глаз с мишенями, расположенными на разном расстоянии от наблюдателя, что жизненно важно для правильного зрения 1,2. Глазодвигательное поведение широко использовалось в качестве привлекательных моделей сенсомоторной интеграции для понимания нейронных цепей в норме и при болезнях, по крайней мере, отчасти из-за простоты глазодвигательнойсистемы. Управляемый тремя парами экстраокулярных мышц, глаз вращается в глазнице преимущественно вокруг трех соответствующих осей: возвышение и впадина вдоль поперечной оси, приведение и отведение вдоль вертикальной оси и инторсия и разгибание вдоль переднезадней оси 1,2. Такая простая система позволяет исследователям легко и точно оценивать глазодвигательное поведение мышей в лабораторных условиях.
Одним из основных глазодвигательных движений является оптокинетический рефлекс (OKR). Это непроизвольное движение глаз вызывается медленным дрейфом или проскальзыванием изображений на сетчатке и служит для стабилизации изображений сетчатки при движении головы животного или его окружения 2,4. OKR, как поведенческая парадигма, интересен исследователям по нескольким причинам. Во-первых, его можно надежно стимулировать и точно количественно определить 5,6. Во-вторых, процедуры количественной оценки этого поведения относительно просты и стандартизированы и могут быть применены для оценки зрительных функций большой когортыживотных. В-третьих, это врожденное поведение очень пластично 5,8,9. Его амплитуда может быть потенцирована, когда повторяющиеся соскальзывания сетчатки происходят в течение длительного времени 5,8,9, или когда его рабочий партнер вестибулярный глазной рефлекс (VOR), другой механизм стабилизации изображений сетчатки, запускаемый вестибулярным входом2, нарушен5. Эти экспериментальные парадигмы потенцирования OKR дают исследователям возможность раскрыть схемную основу, лежащую в основе глазодвигательного обучения.
В предыдущих исследованиях для оценки OKR в основном использовались два неинвазивных метода: (1) видеоокулография в сочетании с физическим барабаном 7,10,11,12,13 или (2) произвольное определение поворотов головы в сочетании с виртуальным барабаном6,14,15,16. Несмотря на то, что их применение привело к плодотворным открытиям в понимании молекулярных и схемных механизмов глазодвигательной пластичности, каждый из этих двух методов имеет некоторые недостатки, которые ограничивают их возможности в количественном исследовании свойств OKR. Во-первых, физические барабаны, с напечатанными узорами из черно-белых полос или точек, не позволяют легко и быстро менять визуальные паттерны, что в значительной степени ограничивает измерение зависимости OKR от некоторых визуальных признаков, таких как пространственная частота, направление и контрастность движущихся решеток 8,17. Вместо этого тесты селективности OKR к этим визуальным признакам могут быть полезны с помощью компьютеризированной зрительной стимуляции, при которой зрительные признаки могут быть легко изменены от испытания к испытанию. Таким образом, исследователи могут систематически изучать поведение OKR в многомерном пространстве визуальных параметров. Более того, второй метод анализа OKR сообщает только пороговые значения визуальных параметров, которые вызывают различимые OKR, но не амплитуды движений глаз или головы 6,14,15,16. Таким образом, недостаток количественной мощности не позволяет анализировать форму кривых настройки и предпочтительные визуальные признаки, а также обнаруживать тонкие различия между отдельными мышами в нормальных и патологических условиях. Чтобы преодолеть вышеуказанные ограничения, видеоокулография и компьютеризированная виртуальная визуальная стимуляция были объединены для анализа поведения OKR в недавних исследованиях 5,17,18,19,20. Тем не менее, эти ранее опубликованные исследования не предоставили достаточно технических подробностей или пошаговых инструкций, и, следовательно, исследователям по-прежнему сложно установить такой тест OKR для своих собственных исследований.
Здесь мы представляем протокол для точной количественной оценки селективности зрительных признаков поведения OKR в фотопических или скотопических условиях с комбинацией видеоокулографии и компьютеризированной виртуальной визуальной стимуляции. Мышей фиксируют голову, чтобы избежать движения глаз, вызванного вестибулярной стимуляцией. Высокоскоростная камера используется для записи движений глаз мышей, рассматривающих движущиеся решетки с изменяющимися визуальными параметрами. Физический размер глазных яблок отдельных мышей калибруется для обеспечения точности определения угла движения глаз21. Этот количественный метод позволяет сравнивать поведение OKR у животных разного возраста или генетического фона, а также отслеживать его изменение, вызванное фармакологическим лечением или зрительно-моторным обучением.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Все экспериментальные процедуры, выполненные в этом исследовании, были одобрены Местным комитетом по уходу за животными биологических наук в соответствии с руководящими принципами, установленными Комитетом по уходу за животными Университета Торонто и Канадским советом по уходу за животными.
1. Имплантация перекладины на голову на верхней части черепа
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы избежать влияния поведения VOR на движения глаз, голова мыши обездвиживается во время теста OKR. Поэтому в верхней части черепа хирургическим путем имплантируется перекладина.
2. Настройка виртуального барабана и видео-окулографии


3. Калибровка движений глаз
ПРИМЕЧАНИЕ: Вращательные движения глаз рассчитываются на основе движений зрачка и радиуса орбиты движений зрачка (Rp, расстояние от центра зрачка до центра глазного яблока). Для каждой отдельной мыши этот радиус измеряется экспериментально21.

4. Записывайте движения глаз OKR

5. Анализ движений глаз OKR с помощью программного обеспечения для анализа глаз
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
С помощью процедуры, описанной выше, мы оценили зависимость OKR от нескольких визуальных признаков. Примеры трассировок, показанные здесь, были получены с использованием кодов анализа, приведенных в дополнительном файле кодирования 1, а необработанный файл примеров трассировки можно найти в дополнительном файле кодирования 2. Когда барабанная решетка дрейфовала по синусоидальной траектории (0,4 Гц), глаз животного автоматически следовал за движением решетки аналогичным колебательным обра...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Представленный здесь метод поведенческого анализа OKR дает ряд преимуществ. Во-первых, компьютерная визуальная стимуляция решает проблемы, присущие физическим барабанам. Решая проблему, связанную с тем, что физические барабаны не поддерживают систематическое исследование пространственной настройки частоты, направления или контраста8, виртуальный барабан позволяет изменять эти визуальные параметры на пробной основе, тем самым способствуя систематическому и количественному анализу селективности хара...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Мы благодарны Yingtian He за то, что он поделился данными настройки направления. Эта работа была поддержана грантами Канадского фонда инноваций и Исследовательского фонда Онтарио (проект CFI/ORF No 37597), NSERC (RGPIN-2019-06479), CIHR (Project Grant 437007) и Connaught New Researcher Awards.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 2D трансляционная сцена | Thorlabs | XYT1 | |
| Акриловая смола | Lang Dental | B1356 | Для фиксации оголовья на черепе и защиты черепа |
| Бупивакаин | STERIMAX | ST-BX223 | Бупивакаин для инъекций BP 0,5%. Местная анестезия |
| Карпрофен | RIMADYL | 8507-14-1 | Анальгезия |
| Сжатый воздух | Dust-Off | ||
| Глазная мазь | Alcon | Systane | Для поддержания влажности глаз |
| Видеокарта | NVIDIA | GeForce GTX 1650 или Quadro P620. | Для создания одного экрана среди трех мониторов |
| Грелка | Kent Scientific | HTP-1500 | Для поддержания температуры тела |
| Высокоскоростная инфракрасная (ИК) камера | Teledyne Dalsa | G3-GM12-M0640 | Для регистрации вращения глаз |
| ИК светодиод | Digikey | PDI-E803-ND | Для КР опорного и подсветки глаза |
| ИК зеркало | Edmund optics | 64-471 | Для отражения изображения глаза |
| Изофлуран | FRESENIUS KABI | CP0406V2 | |
| Labview | National instruments | версия 2014 | |
| отслеживание глаз Лактатный звонарь | BAXTER | JB2324 | Водоснабжение и энергоснабжение |
| Лидокаин и адреналин смесь | Dentsply Sirona | 82215-1 | XYLOCAINE. Измеритель |
| яркости | Konica Minolta | LS-150 | для калибровки мониторов |
| Matlab | MathWorks | версия xxx | анализ движений глаз |
| Meyhoefer Curette | World Precision Instruments | 501773 | Для соскабливания черепа и удаления фасций |
| Калибровочный предметный знак микроскопа | Amscope | MR095 | для измерения увеличения видеоокулографические |
| мониторы | Acer | B247W | Визуальная стимуляция |
| Фильтр нейтральной плотности | Фильтры Ли | 299 | для генерации скотопической визуальной |
| стимуляции Очки ночного зрения | Альфа-оптика | AO-3277 | для скотопического OKR |
| Фотодиод | Digikey | TSL254-R-LF-ND | для синхронизации визуальной стимуляции и видеоокулографии |
| Пилокарпина гидрохлорид | Sigma-Aldrich | P6503 | |
| Post | Thorlabs | TR1.5 | |
| Держатель для столбов | Thorlabs | PH1 | |
| PsychoPy | программного обеспечения с открытым исходным кодом | xxx | набор инструментов для визуальной стимуляции |
| Ножницы | RWD | S12003-09 | Для удаления кожи |
| Суперклей | Крейзи Тип клея | : Все назначение. Для наклеивания налобной пластины на череп |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission