Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

القياس الكمي لانتقائية الميزة البصرية لمنعكس الحركة البصرية في الفئران

Published: June 23, 2023 doi: 10.3791/65281
Automatic Translation
1,2, 1,2
1Department of Biology, University of Toronto Mississauga, 2Department of Cell and Systems Biology, University of Toronto

Summary

هنا ، نصف بروتوكولا قياسيا لقياس المنعكس البصري. فهو يجمع بين تحفيز الأسطوانة الافتراضية وتصوير العين بالفيديو ، وبالتالي يسمح بتقييم دقيق لانتقائية الميزة للسلوك ومرونته التكيفية.

Abstract

المنعكس البصري (OKR) هو حركة عين فطرية أساسية يتم تشغيلها بواسطة الحركة العالمية للبيئة المرئية وتعمل على تثبيت صور الشبكية. نظرا لأهميته وقوته ، فقد تم استخدام OKR لدراسة التعلم البصري الحركي وتقييم الوظائف البصرية للفئران ذات الخلفيات الوراثية المختلفة والأعمار والعلاجات الدوائية. هنا ، نقدم إجراء لتقييم استجابات OKR للفئران الثابتة الرأس بدقة عالية. يمكن أن يستبعد تثبيت الرأس مساهمة التحفيز الدهليزي في حركات العين ، مما يجعل من الممكن قياس حركات العين الناتجة عن الحركة البصرية فقط. يتم استنباط OKR بواسطة نظام أسطوانة افتراضي ، حيث ينجرف صريف عمودي مقدم على ثلاث شاشات كمبيوتر أفقيا بطريقة تذبذبية أو أحادية الاتجاه بسرعة ثابتة. باستخدام نظام الواقع الافتراضي هذا ، يمكننا تغيير المعلمات المرئية بشكل منهجي مثل التردد المكاني ، والتردد الزمني / التذبذب ، والتباين ، والنصوع ، واتجاه الشبكات ، وتحديد منحنيات ضبط انتقائية الميزة المرئية. يضمن تصوير العين بالفيديو بالأشعة تحت الحمراء عالي السرعة قياسا دقيقا لمسار حركات العين. تتم معايرة عيون الفئران الفردية لتوفير فرص لمقارنة OKRs بين من مختلف الأعمار والأجناس والخلفيات الوراثية. تسمح القوة الكمية لهذه التقنية باكتشاف التغييرات في OKR عندما يتكيف هذا السلوك بشكل بلاستيكي بسبب الشيخوخة أو التجربة الحسية أو التعلم الحركي. وبالتالي ، فإنه يجعل هذه التقنية إضافة قيمة إلى ذخيرة الأدوات المستخدمة للتحقيق في مرونة سلوكيات العين.

Introduction

استجابة للمنبهات البصرية في البيئة ، تتحرك أعيننا لتحويل نظرتنا ، أو تثبيت صور الشبكية ، أو تتبع الأهداف المتحركة ، أو محاذاة نقرة العينين مع أهداف تقع على مسافات مختلفة من المراقب ، والتي تعتبر حيوية للرؤية المناسبة 1,2. تم استخدام السلوكيات الحركية للعين على نطاق واسع كنماذج جذابة للتكامل الحسي الحركي لفهم الدوائر العصبية في الصحة والمرض ، على الأقل جزئيا بسبب بساطة النظام الحركي للعين3. يتم التحكم في العين بواسطة ثلاثة أزواج من عضلات العين الخارجية ، وتدور العين في التجويف بشكل أساسي حول ثلاثة محاور مقابلة: الارتفاع والاكتئاب على طول المحور العرضي ، والتقريب والاختطاف على طول المحور الرأسي ، و intorsion و extorsion على طول المحور الأماميالخلفي 1,2. يسمح هذا النظام البسيط للباحثين بتقييم السلوكيات الحركية للفئران بسهولة ودقة في بيئة المختبر.

أحد السلوكيات الحركية الأولية للعين هو المنعكس البصري الحركي (OKR). يتم تشغيل حركة العين اللاإرادية هذه عن طريق الانجرافات البطيئة أو انزلاق الصور على شبكية العين وتعمل على تثبيت صور الشبكية عندما يتحرك رأس أو محيطه 2,4. إن OKR ، كنموذج سلوكي ، مثير للاهتمام للباحثين لعدة أسباب. أولا ، يمكن تحفيزه بشكل موثوق وكمي بدقة 5,6. ثانيا ، إجراءات القياس الكمي لهذا السلوك بسيطة نسبيا وموحدة ويمكن تطبيقها لتقييم الوظائف البصرية لمجموعة كبيرة من7. ثالثا ، هذا السلوك الفطري شديد البلاستيك5،8،9. يمكن تعزيز اتساعها عند حدوث زلات شبكية متكررة لفترة طويلة 5،8،9 ، أو عندما يكون شريكها في العمل منعكس العين الدهليزي (VOR) ، وهي آلية أخرى لتثبيت صور الشبكية الناتجة عن الإدخال الدهليزي2 ، ضعيفا5. تمكن هذه النماذج التجريبية لتقوية OKR الباحثين من الكشف عن أساس الدائرة الكامنة وراء التعلم الحركي للعين.

تم استخدام طريقتين غير جراحيتين بشكل أساسي لتقييم OKR في الدراسات السابقة: (1) تصوير العين بالفيديو جنبا إلى جنب مع طبل مادي7،10،11،12،13 أو (2) التحديد التعسفي لدوران الرأس جنبا إلى جنب مع طبل افتراضي6،14،15،16. على الرغم من أن تطبيقاتها قد حققت اكتشافات مثمرة في فهم الآليات الجزيئية والدوائر للدونة الحركية للعين ، إلا أن لكل من هاتين الطريقتين بعض العيوب التي تحد من قدراتهما في الفحص الكمي لخصائص OKR. أولا ، لا تسمح الطبول المادية ، ذات الأنماط المطبوعة من الخطوط أو النقاط بالأبيض والأسود ، بإجراء تغييرات سهلة وسريعة للأنماط المرئية ، مما يقيد إلى حد كبير قياس اعتماد OKR على ميزات بصرية معينة ، مثل التردد المكاني والاتجاه وتباين حواجز شبكية متحركة 8,17. بدلا من ذلك ، يمكن أن تستفيد اختبارات انتقائية OKR لهذه الميزات المرئية من التحفيز البصري المحوسب ، حيث يمكن تعديل الميزات المرئية بسهولة من تجربة إلى أخرى. بهذه الطريقة ، يمكن للباحثين فحص سلوك OKR بشكل منهجي في مساحة المعلمات المرئية متعددة الأبعاد. علاوة على ذلك ، فإن الطريقة الثانية لفحص OKR تشير فقط إلى عتبات المعلمات المرئية التي تؤدي إلى OKRs يمكن تمييزها ، ولكن ليس سعة حركات العين أو الرأس6،14،15،16. وبالتالي ، فإن الافتقار إلى القوة الكمية يمنع تحليل شكل منحنيات الضبط والميزات المرئية المفضلة ، أو اكتشاف الاختلافات الدقيقة بين الفئران الفردية في الظروف العادية والمرضية. للتغلب على القيود المذكورة أعلاه ، تم الجمع بين تصوير العين بالفيديو والتحفيز البصري الافتراضي المحوسب لفحص سلوك OKR في الدراسات الحديثة5،17،18،19،20. ومع ذلك ، لم تقدم هذه الدراسات المنشورة سابقا تفاصيل فنية كافية أو تعليمات خطوة بخطوة ، وبالتالي لا يزال من الصعب على الباحثين إنشاء اختبار OKR لأبحاثهم الخاصة.

هنا ، نقدم بروتوكولا لتحديد انتقائية الميزة المرئية بدقة لسلوك OKR في ظل الظروف الضوئية أو scotopic مع مزيج من تصوير العين بالفيديو والتحفيز البصري الافتراضي المحوسب. يتم تثبيت رأس الفئران لتجنب حركة العين التي يثيرها التحفيز الدهليزي. يتم استخدام كاميرا عالية السرعة لتسجيل حركات العين من الفئران التي تشاهد حواجز شبكية متحركة مع تغيير المعلمات البصرية. تتم معايرة الحجم المادي لمقل العيون للفئران الفردية لضمان دقة اشتقاق زاوية حركات العين21. تسمح هذه الطريقة الكمية بمقارنة سلوك OKR بين من مختلف الأعمار أو الخلفيات الوراثية ، أو مراقبة تغيره الناجم عن العلاجات الدوائية أو التعلم البصري الحركي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تمت الموافقة على جميع الإجراءات التجريبية التي أجريت في هذه الدراسة من قبل لجنة رعاية المحلية للعلوم البيولوجية ، وفقا للمبادئ التوجيهية التي وضعتها لجنة رعاية بجامعة تورنتو والمجلس الكندي لرعاية.

1. زرع شريط الرأس أعلى الجمجمة

ملاحظة: لتجنب مساهمة سلوك VOR في حركات العين ، يتم تثبيت رأس الماوس أثناء اختبار OKR. لذلك ، يتم زرع شريط الرأس جراحيا أعلى الجمجمة.

  1. تخدير فأر (أنثى وذكور C57BL / 6 يبلغان من العمر 2-5 أشهر) بمزيج من 4٪ إيزوفلوران (v / v) و O2 في غرفة الغاز. نقل الماوس إلى منصة جراحة مخصصة وتقليل تركيز الأيزوفلوران إلى 1.5٪ -2٪. راقب عمق التخدير عن طريق التحقق من استجابة إصبع القدم ومعدل التنفس طوال الجراحة.
  2. ضع وسادة تدفئة أسفل جسم للحفاظ على درجة حرارة جسمه. ضع طبقة من مرهم العين المزلق على كلتا العينين لحمايتهما من الجفاف. قم بتغطية العينين بورق الألمنيوم لحمايتهما من الإضاءة الخفيفة.
  3. حقن كاربروفين تحت الجلد بجرعة 20 ملغ/كغ لتقليل الألم. بعد ترطيب الفراء بمنظف الجلد غلوكونات الكلورهيكسيدين ، احلق الفراء أعلى الجمجمة. تطهير فروة الرأس المكشوفة مع 70 ٪ من الكحول الأيزوبروبيل وكحول الكلورهيكسيدين مرتين.
  4. حقن بوبيفاكايين (8 ملغ / كغ) تحت الجلد في موقع الشق ، ثم قم بإزالة فروة الرأس (~ 1 سم2) بالمقص لكشف السطح الظهري للجمجمة ، بما في ذلك العظم الجبهي الخلفي والعظم الجداري والعظم بين الجداري.
  5. ضع عدة قطرات من 1٪ يدوكائين و 1: 100000 إبينفرين على الجمجمة المكشوفة لتقليل الألم والنزيف الموضعي. اكشط الجمجمة باستخدام مكشطة Meyhoefer لإزالة اللفافة وتنظيفه بمحلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS).
    ملاحظة: يتم فصل العضلة الصدغية عن الجمجمة لزيادة مساحة السطح لربط قضيب الرأس.
  6. جفف الجمجمة عن طريق نفخ الهواء المضغوط برفق نحو سطح الجمجمة حتى تختفي الرطوبة ويتحول العظم إلى اللون الأبيض. ضع طبقة رقيقة من الغراء الفائق على السطح المكشوف للجمجمة ، بما في ذلك حافة فروة الرأس المقطوعة ، متبوعة بطبقة من راتنج الأكريليك.
    ملاحظة: يجب أن يكون سطح الجمجمة خاليا من الدم أو الماء قبل تطبيق superglue.
  7. ضع قضيب رأس من الفولاذ المقاوم للصدأ (انظر الشكل 1 أ) على طول خط الوسط أعلى الجمجمة. ضع المزيد من راتنج الأكريليك ، بدءا من حافة شريط الرأس حتى يتم تضمين قاعدة قضيب الرأس بالكامل في راتنج الأكريليك. ضع راتنج الأكريليك مرتين أو ثلاث مرات لبناء السماكة.
  8. انتظر لمدة 15 دقيقة حتى يصلب راتنج الأكريليك. حقن تحت الجلد 1 مل من محلول الجرس المرضع. ثم أعد الماوس إلى قفص يوضع على وسادة تدفئة حتى يصبح متحركا بالكامل.
  9. اسمح للماوس بالتعافي في قفص المنزل لمدة 5 أيام على الأقل بعد الجراحة. بمجرد أن يصبح في حالة جيدة ، ثبت رأسه بشريط الرأس في إعداد OKR لمدة 15-30 دقيقة لتعريفه بتثبيت الرأس والبيئة التجريبية. كرر التعريف مرة واحدة يوميا لمدة 3 أيام على الأقل.

2. إعداد الطبل الافتراضي وتصوير العين بالفيديو

  1. قم بتركيب ثلاث شاشات بشكل متعامد مع بعضها البعض لتشكيل حاوية مربعة تغطي ~ 270 درجة من السمت و 63 درجة من الارتفاع في الفضاء البصري (الشكل 1B على اليسار).
  2. باستخدام بطاقة رسومات منفصلة ، ادمج الشاشات الثلاث في شاشة بسيطة لضمان المزامنة عبر جميع الشاشات.
  3. قم بمعايرة إضاءة الشاشات كما هو موضح أدناه.
    1. قم بتشغيل الكمبيوتر الذي تتصل به الشاشات وانتظر لمدة 15 دقيقة. الإحماء ضروري للحصول على إضاءة مستقرة.
    2. قم بتغيير إعداد السطوع على الشاشة بشكل منهجي من 0 إلى 100 بخطوات 25.
    3. لكل قيمة سطوع ، قم بقياس نصوع الشاشات تحت قيم بكسل مختلفة (0-255 ، خطوات 15) باستخدام مقياس الإضاءة.
    4. قم بملاءمة العلاقة بين النصوع والسطوع لقيمة البكسل 255 مع الانحدار الخطي وقم بتقدير قيمة السطوع التي تؤدي إلى 160 cd / m2.
    5. لكل قيمة بيكسل مستخدمة في قياس النصوع (الخطوة 2.3.3)، قم بتقدير النصوع لقيمة السطوع المشتقة في الخطوة 2.3.4 بناء على الانحدار الخطي. استخدم دالة الطاقة lum = A * pixel γ لتناسب العلاقة بين المجموعة الجديدة من قيم النصوع (تحت قيمة السطوع المشتقة في 2.3.4) وقيم البكسل المقابلة لها لاشتقاق عامل جاما γوالمعامل A. سيتم استخدام هذه لتوليد حواجز شبكية جيبية لقيم النصوع المطلوبة.
    6. اضبط سطوع جميع الشاشات الثلاثة على القيم المشتقة في الخطوة 2.3.4 للتأكد من أن قيم النصوع الخاصة بها هي نفسها لنفس قيمة البكسل.
  4. قم بإنشاء أسطوانة افتراضية ، والتي تستخدم لتحفيز سلوك OKR ، باستخدام مجموعة أدوات التحفيز البصري ، كما هو موضح أدناه.
    1. قم بتقديم شبكة جيبية رأسية على الشاشات واضبط الفترة (التباعد بين الخطوط) على طول السمت لضمان أن يكون لإسقاط الشبكة على العين تردد مكاني ثابت (صريف الأسطوانة ؛ الشكل 1B الأوسط واليمين).
    2. تأكد من تثبيت رأس في وسط العلبة بحيث يرى أن الشبكة لها تردد مكاني ثابت عبر سطح الأسطوانة الافتراضية.
    3. قم بتعديل معلمات الشبكة المتحركة ، مثل السعة التذبذبية ، والتردد المكاني ، والتردد الزمني / التذبذب ، والاتجاه ، والتباين ، وما إلى ذلك ، في رموز التحفيز البصري. استخدم نوعين من الحركة البصرية: (1) تنحرف الشبكة في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة بطريقة تذبذبية تتبع وظيفة جيبية:
      Equation 1
      هنا ، Amp هو سعة مسار الأسطوانة ، f هو تردد التذبذب ، و t هو الوقت (سعة التذبذب: 5 ° ؛ التردد المكاني للشبك: 0.04-0.45 CPD ؛ تردد التذبذب: 0.1-0.8 هرتز ، المقابلة لسرعة الذروة للتحفيز من 3.14-25.12 درجة / ثانية [سرعة الأسطوانة = أمبير × 2π × و × كوس (2π × و × ر) ؛ التباين: 80%-100%; متوسط الإنارة: 35-45 شمعة / م2 ؛ (2) تنحرف الشبكة في اتجاه واحد بسرعة ثابتة:
      Equation 2
      (التردد المكاني: 0.04-0.64 CPD ؛ التردد الزمني: 0.25-1 هرتز ؛ سرعة الأسطوانة = التردد الزمني / التردد المكاني.)
  5. قم بإعداد تصوير العين بالفيديو كما هو موضح أدناه.
    1. لتجنب انسداد المجال البصري للحيوان ، ضع مرآة الأشعة تحت الحمراء (IR) 60 درجة من خط الوسط لتشكيل صورة للعين اليمنى.
    2. ضع كاميرا الأشعة تحت الحمراء على الجانب الأيمن خلف الماوس (الشكل 1C على اليسار) لالتقاط صورة للعين اليمنى.
    3. قم بتركيب كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية السرعة على ذراع الكاميرا الذي يسمح للكاميرا بالدوران بمقدار ± 10 درجات حول صورة العين اليمنى (الشكل 1C على اليمين).
    4. استخدم الصمام الثنائي الضوئي المتصل بإحدى الشاشات لتوفير إشارة كهربائية لمزامنة توقيت تصوير العين بالفيديو والتحفيز البصري.
    5. ضع أربعة صمامات ثنائية باعثة للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LEDs) مدعومة بأذرع معقوفة حول العين اليمنى لتوفير إضاءة الأشعة تحت الحمراء للعين.
    6. ضع اثنين من مصابيح LED للأشعة تحت الحمراء على الكاميرا لتوفير مراجع انعكاس القرنية (CR): أحدهما مثبت فوق الكاميرا (X-CR) ، بينما الآخر على الجانب الأيسر من الكاميرا (Y-CR; الشكل 1 د).
    7. قم بقياس التكبير البصري لنظام تصوير العين بالفيديو باستخدام شريحة معايرة.
      ملاحظة: يتم استخدام CRs المرجعية لإلغاء حركات العين الانتقالية عند حساب زاوية العين بناء على حركات العين الدورانية.
  6. ثبت رأس في وسط العلبة التي شكلتها الشاشات ، كما هو موضح أدناه.
    1. ثبت رأس بلوحة الرأس في وسط الحفارة واجعله مواجها للأمام. اضبط إمالة الرأس بحيث يتم تسوية العينين اليسرى واليمنى ، ويتم محاذاة الزوايا الأنفية والزمنية للعينين أفقيا (الشكل 1E).
    2. حرك رأس أفقيا عن طريق الضبط الخشن الذي يوفره جهاز تثبيت الرأس والتعديل الدقيق الذي توفره مرحلة الترجمة 2D ، وعموديا من خلال جهاز تثبيت الرأس وزوج حامل آخر / آخر ، حتى تظهر العين اليمنى للحيوان في الفيديو المباشر للكاميرا. قبل معايرة وقياس حركات العين ، قم بتراكب صورة العين اليمنى للحيوان المنعكسة بواسطة المرآة الساخنة مع النقطة المحورية لذراع الكاميرا (انظر التفاصيل في الخطوة 3.4 أدناه).
  7. قم ببناء حاوية مخصصة حول منصة OKR لحجب ضوء الغرفة (الشكل 1F).

3. معايرة حركات العين

ملاحظة: يتم حساب حركات العين الدورانية بناء على حركات التلميذ ونصف قطر مدار حركات الحدقة (Rp ، المسافة من مركز التلميذ إلى مركز مقلة العين). لكل فأر فردي ، يتم قياس نصف القطر هذا تجريبيا21.

  1. ثبت رأس في وسط العلبة التي شكلتها الشاشات الثلاثة ، كما هو موضح في الخطوة 2.6.1.
  2. قم بتشغيل الكاميرا واضبط مصابيح LED الأربعة المحيطة بالعين اليمنى لتحقيق إضاءة موحدة بالأشعة تحت الحمراء.
  3. ضمن التوجيه البصري، اضبط موضع العين اليمنى حتى تظهر في وسط الفيديو، كما هو موضح في الخطوة 2.6.2.
  4. قم بمحاذاة الصورة الافتراضية للعين اليمنى مع النقطة المحورية لذراع الكاميرا، كما هو موضح أدناه.
    1. قم بتدوير ذراع الكاميرا يدويا إلى الطرف الأقصى الأيسر (-10 درجة). حرك موضع العين اليمنى للحيوان يدويا على المستوى الأفقي عموديا على المحور البصري مع ضبط دقيق للمرحلة الانتقالية 2D (الشكل 1C ، السهم الأخضر) ، حتى يكون X-CR في المركز الأفقي للصورة.
    2. قم بتدوير ذراع الكاميرا يدويا إلى الطرف الآخر (+10 درجات). إذا هرب X-CR من مركز الصورة ، فحرك العين اليمنى على طول المحور البصري مع ضبط دقيق حتى يصل X-CR إلى المركز (الشكل 1C ، السهم الأزرق).
    3. كرر الخطوات من 3.4.1 إلى 3.4.2 عدة مرات حتى يظل X-CR في المركز عندما يتأرجح ذراع الكاميرا إلى اليسار واليمين. إذا تحركت العين اليمنى في منتصف تكرار واحد ، فأعد تشغيل عملية الضبط.
  5. قم بقياس المسافة الرأسية بين Y-CR وX-CR بعد قفل ذراع الكاميرا في الموضع المركزي. قم بتشغيل مؤشر Y-CR LED وسجل موضعه على الفيديو ، ثم قم بالتبديل إلى X-CR LED وسجل موضعه.
    ملاحظة: سيتم استخدام المسافة الرأسية بين Y-CR و X-CR لاشتقاق موضع Y-CR أثناء قياس حركات العين التي يتم فيها تشغيل X-CR LED فقط.
  6. قم بقياس نصف قطر دوران التلميذ Rp ، كما هو موضح أدناه.
    1. قم بتدوير ذراع الكاميرا إلى الطرف الأيسر (-10 درجة) وسجل مواضع التلميذ (Pp1) و X-CR (PCR1) على الفيديو.
    2. بعد ذلك ، قم بتدوير ذراع الكاميرا إلى الطرف الأيمن (+10 درجات) وسجل مواضع التلميذ (Pp2) و X-CR (PCR2) على الفيديو. كرر هذه الخطوة عدة مرات.
      ملاحظة: يجب أن تظل العين اليمنى للحيوان ثابتة أثناء كل تكرار بحيث يعكس مقدار حركات التلميذ في الفيلم بدقة درجة تأرجح ذراع الكاميرا.
    3. بناء على القيم المسجلة أعلاه ، احسب نصف قطر دوران التلميذ Rp (الشكل 2A) بالصيغة التالية:
      Equation 3
      ملاحظة: يتم حساب المسافة بين انعكاس القرنية ومركز التلميذ في المساحة المادية بناء على المسافة بينهما في الفيلم:
      PCR - Pp = عدد وحدات البكسل في الفيلم × حجم بكسل شريحة الكاميرا × التكبير
  7. تطوير العلاقة بين Rp وقطر التلميذ ، كما هو موضح أدناه. يتغير Rp عندما يتوسع التلميذ أو يضيق ؛ تقريبا ، تتناسب قيمته عكسيا مع حجم التلميذ (الشكل 2B أعلى).
    1. قم بتغيير إضاءة الشاشات بشكل منهجي من 0 إلى 160 شمعة / م2 لتنظيم حجم التلميذ.
    2. لكل قيمة نصوع ، كرر الخطوة 3.6 8-10 مرات وسجل قطر التلميذ.
    3. قم بتطبيق الانحدار الخطي على العلاقة بين Rp وقطر التلميذ بناء على القيم المقاسة أعلاه لاشتقاق المنحدر والتقاطع (الشكل 2B السفلي).
      ملاحظة: تتم إزالة القيم المتطرفة الناتجة عن حركات العين العرضية قبل التركيب الخطي. بالنسبة للقياسات المتكررة في جلسات متعددة ، يجب إجراء المعايرة مرة واحدة فقط لحيوان واحد ، ما لم تكبر عينه أثناء التجربة.

4. سجل حركات العين من OKR

  1. قم بإصلاح الماوس في الجهاز باتباع الخطوات 3.1-3.4. تخطي هذه الخطوة إذا حدث التسجيل مباشرة بعد الانتهاء من المعايرة. قفل ذراع الكاميرا في الموضع المركزي.
  2. قم بإعداد الشاشات ل scotopic OKR كما هو موضح أدناه. تخطي هذه الخطوة ل OKR الضوئية.
    1. قم بتغطية شاشة كل شاشة بمرشح مخصص ، وهو مصنوع من خمس طبقات من فيلم الكثافة المحايدة (ND) 1.2. تأكد من عدم تسرب الضوء من خلال الفجوة بين المرشح والشاشة.
    2. أطفئ ضوء الغرفة. تتم الخطوات التالية بمساعدة نظارة الأشعة تحت الحمراء.
    3. ضع قطرة واحدة من محلول بيلوكاربين (2٪ في محلول ملحي) على العين اليمنى وانتظر 15 دقيقة. تأكد من بقاء القطرة على العين وعدم مسحها بواسطة الماوس. إذا تم مسح المحلول من قبل ، ضع قطرة أخرى من محلول بيلوكاربين. هذا يقلص التلميذ إلى الحجم المناسب لتتبع العين في ظل حالة scotopic.
      ملاحظة: في ظل الحالة المنظارية ، يتوسع التلميذ بشكل كبير بحيث تكون حافته مخفية جزئيا خلف الجفن. هذا يؤثر على دقة تقدير مركز التلميذ عن طريق تصوير العين بالفيديو. يؤدي تقليص بؤبؤ العين اليمنى دوائيا إلى تقليل مدخلاته البصرية ، وبالتالي يتم تقديم المحفزات البصرية إلى العين اليسرى.
    4. شطف العين اليمنى بمحلول ملحي لغسل محلول بيلوكاربين جيدا. اسحب الستارة لأسفل لإغلاق العلبة تماما ، مما يمنع الضوء الشارد من التدخل في الرؤية السكوتوبية.
    5. امنح 5 دقائق للتكيف تماما مع البيئة السكوبية قبل بدء اختبار OKR.
  3. قم بتشغيل برنامج التحفيز البصري وبرنامج تتبع العين. لقياس OKR الضوئي ، تأكد من تذبذب شبكة الأسطوانة أفقيا مع مسار جيبي ؛ لقياس OKR scotopic ، تأكد من أن شبكة الأسطوانة تنجرف بسرعة ثابتة من اليسار إلى اليمين ، وهو الاتجاه الصدغي الأنفي في إشارة إلى العين اليسرى.
    ملاحظة: عندما يتقلص بؤبؤ العين اليمنى ، ولكن ليس العين اليسرى ، بواسطة بيلوكاربين تحت حالة scotopic ، فإن OKR المستنبط من تحفيز الأسطوانة التذبذبية يكون غير متماثل للغاية. وبالتالي ، لقياس OKR scotopic ، يتم تحفيز العين اليسرى أثناء مراقبة حركة العين اليمنى.
  4. يقيس برنامج تتبع العين تلقائيا حجم التلميذ وموضع CR وموضع التلميذ لكل إطار ، ويحسب زاوية موضع العين بناء على الصيغة التالية (الشكل 2C):
    Equation 4
    هنا ، P CR هو موضعCR ، Pp هو موضع التلميذ ، و Rp هو نصف قطر دوران التلميذ. يتم حساب المسافة بين انعكاس القرنية ومركز التلميذ في الفضاء المادي بناء على المسافة بينهما في الفيلم:
    PCR - Pp = عدد وحدات البكسل في الفيلم × حجم بكسل شريحة الكاميرا × التكبير
    يتم اشتقاق Rp من حجم التلميذ المقابل بناء على نموذج الانحدار الخطي في الخطوة 3.7.3 (الشكل 2B السفلي).

5. تحليل حركات العين من OKR مع برنامج تحليل العين

  1. قم بمعالجة آثار العين باستخدام مرشح متوسط (نافذة المرشح = 0.05 ثانية) لإزالة الضوضاء عالية التردد (الشكل 3 أ الأوسط).
  2. قم بإزالة الأكياس أو الرأرأة كما هو موضح أدناه.
    1. تقدير سرعة العين عن طريق حساب مشتق الدرجة الأولى لحركات العين (الشكل 3A أسفل). حدد الأكياس أو الرأرأة من خلال تطبيق عتبة سرعة تبلغ 50 درجة / ثانية (الشكل 3 أ أسفل).
    2. استبدل الأكياس أو الرأرأة باستقراء مواضع العين أثناء حركات العين السريعة هذه من الجزء قبل الأكياس أو الرأرأة بناء على الانحدار الخطي (الشكل 3 ب).
  3. احسب سعة حركات العين OKR عن طريق تحويل فورييه السريع (خوارزمية Goertzel) إذا تذبذبت شبكة الأسطوانة (الشكل 3C) ، أو احسب متوسط سرعة حركات العين أثناء التحفيز البصري إذا تحركت شبكة الأسطوانة بسرعة ثابتة في اتجاه واحد (الشكل 3B أسفل).
    ملاحظة: تتشابه سعة حركات العين التذبذبية المشتقة من تحويل فورييه مع السعة المشتقة من تركيب مسار العين بوظيفة جيبية (الشكل 3D).
  4. احسب كسب OKR. بالنسبة لحركة الأسطوانة التذبذبية ، يتم تعريف كسب OKR على أنه نسبة سعة حركات العين إلى سعة حركات الأسطوانة (الشكل 3C على اليمين). بالنسبة لحركة الأسطوانة أحادية الاتجاه ، يتم تعريف كسب OKR على أنه نسبة سرعة العين إلى سرعة صريف الأسطوانة (الشكل 3B السفلي).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

من خلال الإجراء المفصل أعلاه ، قمنا بتقييم اعتماد OKR على العديد من الميزات المرئية. تم اشتقاق أمثلة الآثار الموضحة هنا باستخدام رموز التحليل المتوفرة في ملف الترميز التكميلي 1 ، ويمكن العثور على مثال تتبع الملف الخام في ملف الترميز التكميلي 2. عندما انجرفت شبكة الأسطوانة في مسار جيبي (0.4 هرتز) ، اتبعت عين تلقائيا حركة الشبكة بطريقة تذبذبية مماثلة (اللوحة العلوية الشكل 3B) ، والتي تتميز بسلوك OKR2،5،8. تم اشتقاق سعة حركات العين OKR في المحور الأفقي بتحويل فورييه السريع (الشكل 3C &D) ، وتم حساب كسب OKR كنسبة سعة حركات العين إلى سعة حركة الشبكة (الشكل 3C). اختلف كسب OKR باختلاف قيم التردد المكاني وتردد التذبذب واتجاه صريف الحركة (الشكل 4 أ). أولا ، كان لمنحنى ضبط التردد المكاني لسلوك OKR شكل V مقلوب وبلغ ذروته عند تردد مكاني متوسط يبلغ 0.16 cpd (الشكل 4A على اليسار). ثانيا ، انخفض منحنى ضبط تردد التذبذب بشكل رتيب مع زيادة تردد التذبذب لشبكة الأسطوانة (الشكل 4A الأوسط) ، مما يشير إلى أن سلوك OKR يعمل بشكل أفضل استجابة للحركة المرئية منخفضة السرعة4. اختلفت سعة وشكل منحنى ضبط تردد التذبذب عند تقديم حواجز شبكية بترددات مكانية مختلفة17. ثالثا ، يمكن أيضا تحفيز OKR الأفقي عن طريق حواجز شبكية تتحرك في اتجاهات مختلفة (الشكل 4A على اليمين). تم استنباط أقوى سلوك أفقي OKR من خلال الحركة الصدغية الأنفية (0 درجة). انخفض كسب OKR إلى ~ 80٪ ، أو ~ 30٪ من الحد الأقصى ، عندما تحركت الشبكة بزوايا مائلة 30 درجة أو 60 درجة انحرفت عن الاتجاه الصدغي الأنفي (لأعلى ولأسفل) ، على التوالي ، واختفى OKR الأفقي عندما تحركت الشبكة عموديا لأعلى أو لأسفل (90 درجة و 270 درجة). علاوة على ذلك ، تأثرت أشكال منحنيات الضبط بمستوى الإضاءة. على سبيل المثال ، قامت بأداء سلوك OKR بشكل جيد استجابة للترددات المكانية 0.16 و 0.32 cpd في ظل الحالة الضوئية ، لكن منحنى ضبط التردد المكاني تحول إلى اليسار تحت الحالة scotopic (الشكل 4B). لتحليل شكل منحنيات الضبط ، نقوم بملاءمتها مع الوظائف الرياضية المناسبة. على سبيل المثال ، تم استخدام وظيفة Gaussian لتقدير ذروة وعرض النطاق لضبط التردد المكاني (الشكل 4C). من خلال هذا التحليل ، وجدنا أن منحنى الضبط تحت الشرط scotopic كان له قيمة أقل في التردد المكاني المفضل مقارنة بالحالة الضوئية. يمكن أيضا استخدام الإجراء المفصل أعلاه لتحديد مرونة سلوك OKR. بعد 45 دقيقة من التحفيز المستمر ل OKR ، تم تعزيز سعة سلوك OKR بشكل كبير (الشكل 4D) ، بما يتفق مع التقارير السابقة. توضح هذه النتائج تطبيقات هذا البروتوكول في فحص السلوكيات والقدرات الحركية للعين في فهم دوائر الدماغ المشاركة في هذه السلوكيات.

Figure 1
الشكل 1: إعداد جهاز OKR . (أ) أبعاد قضيب الرأس. (B) منظر خلفي (يسار) ومنظر علوي (منتصف) لنظام الأسطوانة الافتراضية. يتم تركيب ثلاث شاشات بشكل متعامد مع بعضها البعض. يتم وضع رأس الماوس في وسط العلبة المربعة ويواجه للأمام. تختلف فترة التحفيز البصري (المسافة بين الخطوط) بناء على السمت إلى عين لضمان أن يكون لإسقاط الشبكة على العين تردد مكاني ثابت. بمعنى آخر ، ينظر إلى التردد المكاني للشبكة على أنه ثابت في جميع أنحاء المجال البصري ، كما لو أن الشبكة تنجرف على طول سطح أسطوانة افتراضية (يمين). (ج) إعداد تصوير العين بالفيديو بالأشعة تحت الحمراء. اليسار: موضع الكاميرا عند تثبيتها في المركز أثناء تسجيل OKR. السهم الأزرق: على طول المحور البصري. السهم الأخضر: عمودي على المحور الأصلي. على اليمين: دوران الكاميرا أثناء معايرة العين. ( د) موضع مصابيح LED X-CR وY-CR المثبتة على الكاميرا. (ه) محاذاة مستويات العينين اليسرى واليمنى (على اليسار)، والزاويتين الأنفية والزمنية للعينين أفقيا (على اليمين) عن طريق تدوير القضيب الأفقي أو مهايئ لوح الرأس، على التوالي (الأسهم الحمراء). (و) صورة لمحطة الأهداف والنتائج الرئيسية. لاحظ أن جهاز OKR يتم وضعه داخل حاوية مخصصة مع ستارة سوداء. الاختصارات: IR = الأشعة تحت الحمراء. CR = انعكاس القرنية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: معايرة وقياس مواضع العين في تصوير العين بالفيديو. أ: رسم تخطيطي للمعايرة. يتم تقدير نصف قطر دوران التلميذ (Rp) عن طريق تدوير الكاميرا إلى الموضع الموجود في أقصى اليسار (-10 درجة ، اللوحة اليسرى) وإلى الموضع الموجود في أقصى اليمين (10 درجات ، اللوحة اليمنى). تشير النقاط الحمراء إلى مواضع انعكاس القرنية X-CR عند وضع الكاميرا في أقصى اليسار وأقصى اليمين. تشير النقاط الزرقاء إلى مراكز التلاميذ. تشير الأشرطة الخضراء إلى المسافات بين انعكاس القرنية ومركز التلميذ الذي تم عرضه في فيديو الكاميرا (P CR - PP). (ب) اعتماد Rp على حجم حدقة العين. أعلى: مخططات مقل العيون مع تلميذ صغير أو كبير. أسفل: العلاقة بين Rp وقطر تلميذ مثال الماوس. يتم تغيير حجم التلميذ عن طريق تغيير النصوع (10 قيم في نطاق 0-160 cd / m2) إلى الماوس. النقاط السوداء: البيانات المستخدمة للتركيب الخطي. النقاط الزرقاء: القيم المتطرفة المستبعدة من التركيب الخطي. المنحنى الأحمر: الخط الأنسب في الانحدار الخطي. لاحظ أن Rp يتناسب عكسيا مع قطر التلميذ. ج: حساب زاوية موضع العين عند تحرك العين إلى الجانبين الأيمن أو الأيسر من المحور البصري. النقاط الحمراء والنقاط الزرقاء والأشرطة الخضراء لها نفس المعاني كما في A. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: حساب كسب OKR. (A) أعلى: لقطات لمواضع العين الأنفية (N ؛ اليسار) والصدغية (T ؛ اليمنى) التي تم التقاطها أثناء تحفيز OKR. علامات الحذف الحمراء: مناسبة لملف تعريف التلميذ. الصلبان الحمراء: مراكز التلاميذ. الأسهم البيضاء: انعكاس القرنية لمصباح LED مرجعي. الوسط: مسارات حركات العين مع مرشح متوسط (أسود) أو بدون (أحمر) (نافذة المرشح = 0.05 ثانية) لإزالة الضوضاء عالية التردد. أسفل: تقدير سرعة العين عن طريق حساب مشتق الدرجة الأولى لحركات العين. تم الكشف عن الأكياس (الأسهم الحمراء) بعتبة سرعة 50 درجة / ثانية. (ب) مسار حركات العين البطيئة ل OKR بعد إزالة الأكياس / الرأرأة (السوداء) المتراكبة مع مسار الأسطوانة22. أعلى: حركة أسطوانة تذبذبية بسعة 5 درجات وتردد تذبذب 0.4 هرتز. أسفل: حركة أسطوانة أحادية الاتجاه (صدغي-أنفي) بسرعة ثابتة تبلغ 6.25 درجة / ثانية. (C) يسار: متوسط دورة مسار العين في الجزء العلوي B. اليمين: تحليل تردد حركات صريف العين أو الأسطوانة عن طريق تحويل فورييه السريع. وتجدر الإشارة إلى أن شبكة الأسطوانة تتذبذب عند 0.4 هرتز ، وبالتالي تبلغ سعة حركة صريف العين والأسطوانة ذروتها عند 0.4 هرتز (علامات النجوم). كسب OKR هو نسبة سعة حركة صريف العين والأسطوانة عند 0.4 هرتز. (D) أعلى: تركيب منحنى لمسار العين في الجزء العلوي B مع وظيفة الجيوب الأنفية. القاع: علاقة سعة حركات العين المشتقة من طريقة تحويل فورييه السريعة والمشتقة من تركيب المنحنى الجيبي. النقطة الصفراء: مثال في الأعلى. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: انتقائية الميزة المرئية ومرونة سلوكيات OKR. (أ) انتقائية الميزة البصرية لاكتساب OKR تحت الحالة الضوئية. اليسار: منحنى ضبط التردد المكاني من واحد (تردد التذبذب: 0.4 هرتز ؛ المسار: يتأرجح أفقيا ؛ متوسط الإضاءة: 40 شمعة / م2 ؛ ن = 15). الوسط: منحنى ضبط تردد التذبذب من واحد (التردد المكاني: 0.08 أو 0.16 cpd ؛ المسار: يتذبذب أفقيا ؛ متوسط الإضاءة: 40 شمعة / م2 ؛ ن = 15). اليمين: منحنى ضبط الاتجاه من واحد (التردد المكاني: 0.16 cpd ؛ التردد الزمني: 1 هرتز ؛ متوسط الإضاءة: 45 cd / m2 ؛ n = 24). يشير السهم الأحمر والشريط إلى الاتجاه الصدغي الأنفي. لضبط التردد المكاني والزماني / التذبذب ، تتحرك شبكة الأسطوانة الرأسية المعروضة على ثلاث شاشات أفقيا بسرعة ثابتة أو بطريقة تذبذبية. لضبط الاتجاه ، تتحرك الشبكة المعروضة على الشاشة اليمنى فقط في أحد الاتجاهات ال 12 بسرعة ثابتة. السماكة: الخطأ المعياري للمتوسط (SEM). (ب) منحنى ضبط التردد المكاني لاكتساب OKR من واحد تحت الحالة المنظارية أو الضوئية. فوتوبيكي: حركة تذبذبية. تردد التذبذب: 0.2 هرتز ؛ متوسط الإنارة: 40 شمعة / م2 ؛ ن = 15. Scotopic: حركة خطية بسرعة ثابتة ؛ التردد الزمني: 0.25 هرتز ؛ متوسط الإنارة: 8 × 10-5 شمعة / م2 ؛ ن = 16. يتم تحقيق حالة scotopic من خلال تغطية الشاشات بخمس طبقات من مرشح Lee (299 1.2 ND). السماكة: SEM. (C) الملاءمة الغاوسية لضبط التردد المكاني لاكتساب OKR في ظل الظروف الضوئية والسطوبية. فوتوبيكي: حركة تذبذبية. تردد التذبذب: 0.2 هرتز ؛ متوسط الإنارة: 40 شمعة / م2 ؛ ن = 15. Scotopic: حركة خطية بسرعة ثابتة ؛ التردد الزمني: 0.25 هرتز ؛ متوسط الإنارة: 8 × 10-5 شمعة / م2 ؛ ن = 16. (د) تقوية OKR لفأر واحد مستحث ب 45 دقيقة من التحفيز المستمر ل OKR. التردد المكاني: 0.1 CPD ؛ تردد التذبذب: 0.4 هرتز ؛ متوسط الإنارة: 35 شمعة / م2 ؛ ن = 40. أعلى: متوسط مسارات OKR للدورة قبل وبعد تقوية OKR. السماكة: SEM. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

ملف الترميز التكميلي 1: رمز التحليل المستخدم لإنشاء آثار المثال. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 2: مثال على آثار تم إنشاؤها باستخدام البرنامج. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

توفر طريقة الفحص السلوكي OKR المعروضة هنا العديد من المزايا. أولا ، يحل التحفيز البصري الذي يتم إنشاؤه بواسطة الكمبيوتر المشكلات الجوهرية للطبول المادية. التعامل مع مسألة أن الطبول المادية لا تدعم الفحص المنهجي للتردد المكاني أو الاتجاه أو ضبط التباين8 ، تسمح الأسطوانة الافتراضية بتغيير هذه المعلمات المرئية على أساس كل تجربة على حدة ، وبالتالي تسهيل التحليل المنهجي والكمي لانتقائية الميزة لسلوك OKR (الشكل 4 أ) ؛ بينما تعاني الأسطوانات المادية من إضاءة غير منتظمة بواسطة مصدر ضوء خارجي23 ، يمكن للأسطوانة الافتراضية أن توفر بسهولة إضاءة متجانسة عبر سطحها ؛ بمساعدة مرشحات ND ومقياس النصوع ، يسمح التحفيز البصري الذي تم إنشاؤه بواسطة الكمبيوتر بقياس OKR عند مستويات إضاءة مختلفة يتم التحكم فيها جيدا من scotopic إلى photopic (الشكل 4B) ، وهو أمر يصعب القيام به باستخدام الطبول المادية. بدون قيود في تسارع الطبول المادية بسبب كتلتها بالقصور الذاتي ، يمكن للتحفيز البصري الافتراضي تحقيق مسارات دقيقة بشكل مثالي ، خاصة عند التسارع العالي والسرعة العالية. علاوة على ذلك ، يسمح التحفيز البصري الذي يتم إنشاؤه بواسطة الكمبيوتر بالتصميم الإبداعي لأنواع أخرى من التحفيز البصري ، مثل النقاط المتحركة بشكل متماسك ، مما يساعد على التحقيق في آليات السلوكيات الحركية المختلفة للعين. ثانيا ، إجراءاتنا موحدة وبالتالي تتطلب الحد الأدنى من الجهود لمراقبة تقدم التسجيل السلوكي ، مما يوفر فرصة لفحص الفئران المتعددة في وقت واحد. لذلك ، فهي مناسبة للدراسات التي تشمل مجموعة كبيرة من (عشرات إلى مئات). ثالثا ، تتيح الدقة العالية والقوة الكمية مقارنة قياسات OKR المتكررة لنفس الفئران في الدراسات الطولية24 ، تحت العلاجات الدوائية المختلفة10 ، أو تحت اضطرابات الدائرة العصبية5. أخيرا ، يعطي تحليل فورييه القائم على التحويل في مجال التردد5،7،9 نتائج مكافئة في سعة حركات العين التذبذبية للتحليل القائم على التركيب في المجال الزمني12،25،26 (الشكل 3D أسفل) ، مما يدل على أن طريقة التحليل المعروضة هنا دقيقة ودقيقة.

توفر طريقتنا أيضا فرصة لدراسة مرونة OKR ، وهو نموذج يستخدم على نطاق واسع للتحقيق في آليات التعلم الحركي. عند تقديم تحفيز OKR المستمر للفأر أو الآفة الجراحية لعضوه الدهليزي ، يمكن تعزيز سعة OKR 8,9. مقايسة OKR المعروضة هنا حساسة بما يكفي لالتقاط التغييرات الصغيرة في حركات العين التي تحدث في تقوية OKR (الشكل 4D). القوة الكمية لهذه الطريقة تجعل من الممكن ربط التغيرات السلوكية بديناميكيات الدوائر العصبية ، وهو أمر ضروري للكشف عن الآليات الكامنة وراء التعلم الحركي للعين5،8،9،13.

لضمان دقة قياس OKR ، هناك بعض الخطوات الحاسمة. أولا ، أثناء الجراحة ، هناك حاجة إلى عناية إضافية لتجنب لمس الغراء الفائق والأكريليك السني للجفن ، مما قد يؤدي إلى تلف القرنية أو سد فتحة العين جزئيا. ثانيا ، تتأثر قوة OKR بالحالة السلوكية للفئران27,28. وبالتالي ، يوصى ببضع جولات من الإقامة لتقليل تأثير الإجهاد على قياس الأهداف والنتائج الرئيسية. أيضا ، يجب منع الاضطراب الناجم عن الروائح أو الضوضاء أو الضوء أثناء التسجيل. أخيرا ، يجب توجيه رؤوس الفئران بشكل صحيح بحيث يكون الخط الذي يربط بين زاويتي العينين موازيا للمحور الأفقي. هذا يضمن محاذاة اتجاه الحركة البصرية مع محور التقريب وحركات العين الاختطاف. ثالثا ، تعد الإضاءة الموحدة للعين أمرا أساسيا لتوليد صورة حادة للتلميذ وبالتالي ضمان تتبع العين عالي الجودة.

تجدر الإشارة إلى أن هناك بعض القيود على الأساليب المعروضة هنا. أولا ، عندما تومض عين أو تحجب إفرازات العين المعتمة التلميذ ، يفقد تصوير العين بالفيديو مسار العين مؤقتا أو دائما. وبالمثل ، لا يمكن استخدامه لمراقبة حركات العين عند خياطة الجفون. ثانيا ، تقتصر الدقة الزمنية لتصوير العين بالفيديو على معدل إطارات الكاميرات إلى نطاق يتراوح بين 4 و 20 مللي ثانية. أخيرا ، لا يسمح التحضير الثابت للرأس بمراقبة سلوكيات العين للحيوانات التي تتحرك بحرية.

تم تطبيق تصوير العين بالفيديو والأسطوانة الافتراضية المعروضة هنا بنجاح لتوصيف انتقائية الميزة البصرية ومرونة سلوك OKR ، وفهم الدوائر الشبكية والمركزية المشاركة في التوسط وتعديل هذا السلوك بشكل تكيفي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تفيد أيضا الدراسات التي تكون فيها سلوكيات العين الأخرى إما موضوعات أو حتى عوامل مربكة للظواهر العصبية. على سبيل المثال ، يمكن استخدام تصوير العين بالفيديو لمراقبة توسع حدقة العين29 وحركات العين الشبيهة بsaccade 30,31 ، والتي تدل على اليقظة وحالة الدماغ32,33,34,35. علاوة على ذلك ، فإن إجراءات المعايرة والقياس الموضحة هنا قابلة للتطبيق عالميا لمراقبة حركات العين باستخدام كاميرا مثبتة على الرأس في الفئران التي تتحرك بحرية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

Acknowledgments

نحن ممتنون ل Yingtian He لمشاركة بيانات ضبط الاتجاه. تم دعم هذا العمل بمنح من المؤسسة الكندية للابتكار وصندوق أبحاث أونتاريو (مشروع CFI / ORF رقم 37597) ، NSERC (RGPIN-2019-06479) ، CIHR (Project Grant 437007) ، وجوائز كونوت للباحثين الجدد.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2D translational stage Thorlabs XYT1
Acrylic resin Lang Dental B1356 For fixing headplate on skull and protecting skull
Bupivacaine STERIMAX ST-BX223 Bupivacaine Injection BP 0.5%. Local anesthesia
Carprofen RIMADYL 8507-14-1 Analgesia
Compressed air Dust-Off
Eye ointment Alcon Systane For maintaining moisture of eyes
Graphic card NVIDIA Geforce GTX 1650 or Quadro P620. For generating single screen among three monitors
Heating pad Kent Scientific HTP-1500 For maintaining body temperature
High-speed infrared (IR) camera Teledyne Dalsa G3-GM12-M0640 For recording eye rotation
IR LED Digikey PDI-E803-ND For CR reference and the illumination of the eye
IR mirror Edmund optics 64-471 For reflecting image of eye
Isoflurane FRESENIUS KABI CP0406V2
Labview National instruments version 2014 eye tracking
Lactated ringer BAXTER JB2324 Water and energy supply
Lidocaine and epinephrine mix Dentsply Sirona 82215-1 XYLOCAINE. Local anesthesia
Luminance Meter Konica Minolta LS-150 for calibration of monitors
Matlab MathWorks version xxx analysis of eye movements
Meyhoefer Curette World Precision Instruments 501773 For scraping skull and removing fascia
Microscope calibration slide Amscope MR095 to measure the magnification of video-oculography
Monitors Acer  B247W Visual stimulation
Neutral density filter Lee filters 299 to generate scotopic visual stimulation
Nigh vision goggle Alpha optics AO-3277 for scotopic OKR
Photodiode Digikey TSL254-R-LF-ND to synchronize visual stimulation and video-oculography
Pilocarpine hydrochloride Sigma-Aldrich P6503
Post Thorlabs TR1.5
Post holder Thorlabs PH1
PsychoPy open source software version xxx visual stimulation toolkit
Scissor RWD S12003-09 For skin removal
Superglue Krazy Glue Type: All purpose. For adhering headplate on the skull

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gerhard, D. Neuroscience. 5th Edition. Yale Journal of Biology and Medicine. , (2013).
  2. Distler, C., Hoffmann, K. P. The Oxford Handbook of Eye Movement. , Oxford University Press. 65-83 (2011).
  3. Sereno, A. B., Bolding, M. S. Executive Functions: Eye Movements and Human Neurological Disorders. , Elsevier. (2017).
  4. Giolli, R. A., Blanks, R. H. I., Lui, F. The accessory optic system: basic organization with an update on connectivity, neurochemistry, and function. Progress in Brain Research. 151, 407-440 (2006).
  5. Liu, B. H., Huberman, A. D., Scanziani, M. Cortico-fugal output from visual cortex promotes plasticity of innate motor behaviour. Nature. 538 (7625), 383-387 (2016).
  6. 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).
  7. Stahl, J. S., van Alphen, A. M., De Zeeuw, C. I. A comparison of video and magnetic search coil recordings of mouse eye movements. Journal of Neuroscience Methods. 99 (1-2), 101-110 (2000).
  8. Faulstich, B. M., Onori, K. A., du Lac, S. Comparison of plasticity and development of mouse optokinetic and vestibulo-ocular reflexes suggests differential gain control mechanisms. Vision Research. 44 (28), 3419-3427 (2004).
  9. Katoh, A., Kitazawa, H., Itohara, S., Nagao, S. Dynamic characteristics and adaptability of mouse vestibulo-ocular and optokinetic response eye movements and the role of the flocculo-olivary system revealed by chemical lesions. Proceedings of the National Academy of Sciences. 95 (13), 7705-7710 (1998).
  10. 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).
  11. Cameron, D. J., et al. The optokinetic response as a quantitative measure of visual acuity in zebrafish. Journal of Visualized Experiments. (80), 50832 (2013).
  12. de Jeu, M., De Zeeuw, C. I. Video-oculography in mice. Journal of Visualized Experiments. (65), e3971 (2012).
  13. Kodama, T., du Lac, S. Adaptive acceleration of visually evoked smooth eye movements in mice. The Journal of Neuroscience. 36 (25), 6836-6849 (2016).
  14. Doering, C. J., et al. Modified Ca(v)1.4 expression in the Cacna1f(nob2) mouse due to alternative splicing of an ETn inserted in exon 2. PLoS One. 3 (7), e2538 (2008).
  15. Shi, C., et al. Optimization of optomotor response-based visual function assessment in mice. Scientific Reports. 8 (1), 9708 (2018).
  16. Waldner, D. M., et al. Transgenic expression of Cacna1f rescues vision and retinal morphology in a mouse model of congenital stationary night blindness 2A (CSNB2A). Translational Vision Science & Technology. 9 (11), 19 (2020).
  17. Tabata, H., Shimizu, N., Wada, Y., Miura, K., Kawano, K. Initiation of the optokinetic response (OKR) in mice. Journal of Vision. 10 (1), 1-17 (2010).
  18. Al-Khindi, T., et al. The transcription factor Tbx5 regulates direction-selective retinal ganglion cell development and image stabilization. Current Biology. 32 (19), 4286-4298 (2022).
  19. Harris, S. C., Dunn, F. A. Asymmetric retinal direction tuning predicts optokinetic eye movements across stimulus conditions. eLife. 12, e81780 (2023).
  20. van Alphen, B., Winkelman, B. H., Frens, M. A. Three-dimensional optokinetic eye movements in the C57BL/6J mouse. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 51 (1), 623-630 (2010).
  21. Stahl, J. S. Calcium channelopathy mutants and their role in ocular motor research. Annals of the New York Academy of Sciences. 956, 64-74 (2002).
  22. Endo, S., et al. Dual involvement of G-substrate in motor learning revealed by gene deletion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (9), 3525-3530 (2009).
  23. 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).
  24. Burroughs, S. L., Kaja, S., Koulen, P. Quantification of deficits in spatial visual function of mouse models for glaucoma. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (6), 3654-3659 (2011).
  25. Wakita, R., et al. Differential regulations of vestibulo-ocular reflex and optokinetic response by β- and α2-adrenergic receptors in the cerebellar flocculus. Scientific Reports. 7 (1), 3944 (2017).
  26. Dehmelt, F. A., et al. Spherical arena reveals optokinetic response tuning to stimulus location, size, and frequency across entire visual field of larval zebrafish. eLife. 10, e63355 (2021).
  27. Magnusson, M., Pyykko, I., Jantti, V. Effect of alertness and visual attention on optokinetic nystagmus in humans. American Journal of Otolaryngology. 6 (6), 419-425 (1985).
  28. Collins, W. E., Schroeder, D. J., Elam, G. W. Effects of D-amphetamine and of secobarbital on optokinetic and rotation-induced nystagmus. Aviation, Space, and Environmental Medicine. 46 (4), 357-364 (1975).
  29. Reimer, J., et al. Pupil fluctuations track fast switching of cortical states during quiet wakefulness. Neuron. 84 (2), 355-362 (2014).
  30. Sakatani, T., Isa, T. PC-based high-speed video-oculography for measuring rapid eye movements in mice. Neuroscience Research. 49 (1), 123-131 (2004).
  31. Sakatani, T., Isa, T. Quantitative analysis of spontaneous saccade-like rapid eye movements in C57BL/6 mice. Neuroscience Research. 58 (3), 324-331 (2007).
  32. Vinck, M., Batista-Brito, R., Knoblich, U., Cardin, J. A. Arousal and locomotion make distinct contributions to cortical activity patterns and visual encoding. Neuron. 86 (3), 740-754 (2015).
  33. Bradley, M. M., Miccoli, L., Escrig, M. A., Lang, P. J. The pupil as a measure of emotional arousal and autonomic activation. Psychophysiology. 45 (4), 602-607 (2008).
  34. Hess, E. H., Polt, J. M. Pupil size as related to interest value of visual stimuli. Science. 132 (3423), 349-350 (1960).
  35. Di Stasi, L. L., Catena, A., Canas, J. J., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S. Saccadic velocity as an arousal index in naturalistic tasks. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 37 (5), 968-975 (2013).

Tags

منعكس الحركة البصرية انتقائية الميزة البصرية الفئران تثبيت الرأس التحفيز الدهليزي حركات العين نظام الطبل الافتراضي صريف عمودي التردد المكاني التردد الزمني التباين الإضاءة اتجاه حواجز شبكية ضبط المنحنيات تصوير العين بالفيديو بالأشعة تحت الحمراء مسار حركات العين المعايرة العمر الجنس الخلفية الوراثية
القياس الكمي لانتقائية الميزة البصرية لمنعكس الحركة البصرية في الفئران
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Liu, J., Liu, B. h. Quantification… More

Liu, J., Liu, B. h. Quantification of Visual Feature Selectivity of the Optokinetic Reflex in Mice. J. Vis. Exp. (196), e65281, doi:10.3791/65281 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter