Farelerde Optokinetik Refleksin Görsel Özellik Seçiciliğinin Ölçülmesi
Summary
Burada, optokinetik refleksi ölçmek için standart bir protokol açıklıyoruz. Sanal davul stimülasyonunu ve video-okülografiyi birleştirir ve böylece davranışın özellik seçiciliğinin ve uyarlanabilir plastisitesinin hassas bir şekilde değerlendirilmesine izin verir.
Abstract
Optokinetik refleks (OKR), görsel ortamın küresel hareketi tarafından tetiklenen ve retina görüntülerini stabilize etmeye yarayan doğuştan gelen önemli bir göz hareketidir. OKR, önemi ve sağlamlığı nedeniyle görsel-motor öğrenmeyi incelemek ve farklı genetik geçmişlere, yaşlara ve ilaç tedavilerine sahip farelerin görsel işlevlerini değerlendirmek için kullanılmıştır. Burada, kafası sabit farelerin OKR yanıtlarını yüksek doğrulukla değerlendirmek için bir prosedür sunuyoruz. Baş fiksasyonu, vestibüler stimülasyonun göz hareketleri üzerindeki katkısını ekarte edebilir ve sadece görsel hareketle tetiklenen göz hareketlerini ölçmeyi mümkün kılar. OKR, üç bilgisayar monitöründe sunulan dikey bir ızgaranın salınımlı bir şekilde yatay olarak veya sabit bir hızda tek yönlü olarak sürüklendiği sanal bir tambur sistemi tarafından ortaya çıkarılır. Bu sanal gerçeklik sistemi ile uzamsal frekans, zamansal/salınım frekansı, kontrast, parlaklık ve ızgaraların yönü gibi görsel parametreleri sistematik olarak değiştirebilir ve görsel özellik seçiciliğinin ayar eğrilerini ölçebiliriz. Yüksek hızlı kızılötesi video-okülografi, göz hareketlerinin yörüngesinin doğru bir şekilde ölçülmesini sağlar. Bireysel farelerin gözleri, farklı yaş, cinsiyet ve genetik geçmişe sahip hayvanlar arasındaki OKR’leri karşılaştırma fırsatları sağlamak için kalibre edilmiştir. Bu tekniğin nicel gücü, bu davranış yaşlanma, duyusal deneyim veya motor öğrenme nedeniyle plastik olarak uyum sağladığında OKR’deki değişiklikleri tespit etmesine olanak tanır; Bu nedenle, bu tekniği oküler davranışların plastisitesini araştırmak için kullanılan araçların repertuarına değerli bir katkı sağlar.
Introduction
Çevredeki görsel uyaranlara yanıt olarak, gözlerimiz bakışımızı kaydırmak, retina görüntülerini stabilize etmek, hareketli hedefleri izlemek veya iki gözün fovealarını gözlemciden farklı mesafelerde bulunan hedeflerle hizalamak için hareket eder, bu da doğru görme için hayati önem taşır 1,2. Okülomotor davranışlar, en azından kısmen okülomotor sisteminbasitliği nedeniyle, sağlık ve hastalıktaki nöral devreleri anlamak için çekici sensorimotor entegrasyon modelleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır 3. Üç çift ekstraoküler kas tarafından kontrol edilen göz, sokette esas olarak karşılık gelen üç eksen etrafında döner: enine eksen boyunca yükselme ve çöküntü, dikey eksen boyunca addüksiyon ve abdüksiyon ve anteroposterior eksenboyunca burulma ve dışlanma 1,2. Bu kadar basit bir sistem, araştırmacıların farelerin okülomotor davranışlarını laboratuvar ortamında kolay ve doğru bir şekilde değerlendirmelerini sağlar.
Bir ana okülomotor davranış, optokinetik reflekstir (OKR). Bu istemsiz göz hareketi, retinadaki görüntülerin yavaş sürüklenmesi veya kayması ile tetiklenir ve bir hayvanın kafası veya çevresi hareket ederken retina görüntülerini stabilize etmeye yarar 2,4. Davranışsal bir paradigma olarak OKR, çeşitli nedenlerden dolayı araştırmacılar için ilginçtir. İlk olarak, güvenilir bir şekilde uyarılabilir ve doğru bir şekilde ölçülebilir 5,6. İkincisi, bu davranışı ölçme prosedürleri nispeten basit ve standartlaştırılmıştır ve büyük bir hayvan kohortunun görsel işlevlerini değerlendirmek için uygulanabilir7. Üçüncüsü, bu doğuştan gelen davranış oldukça plastiktir 5,8,9. Tekrarlayan retina kaymaları uzun süre meydana geldiğinde 5,8,9 veya vestibüler girdi2 tarafından tetiklenen retina görüntülerini stabilize etmenin başka bir mekanizması olan çalışma ortağı vestibüler oküler refleks (VOR) bozulduğunda amplitüdügüçlendirilebilir 5. OKR güçlendirmesinin bu deneysel paradigmaları, araştırmacıların okülomotor öğrenmenin altında yatan devre temelini ortaya çıkarmalarını sağlar.
Önceki çalışmalarda OKR’yi değerlendirmek için öncelikle iki non-invaziv yöntem kullanılmıştır: (1) fiziksel bir tamburile birleştirilmiş video-okülografi 7,10,11,12,13 veya (2) sanalbir tambur 6,14,15,16 ile birlikte kafa dönüşlerinin keyfi olarak belirlenmesi . Uygulamaları, okülomotor plastisitenin moleküler ve devre mekanizmalarını anlamada verimli keşifler yapmış olsa da, bu iki yöntemin her birinin, OKR’nin özelliklerini nicel olarak incelemedeki güçlerini sınırlayan bazı dezavantajları vardır. Birincisi, siyah beyaz çizgili veya noktalı baskılı desenlere sahip fiziksel tamburlar, görsel desenlerin kolay ve hızlı bir şekilde değiştirilmesine izin vermez, bu da OKR’nin hareketli ızgaraların uzamsal frekansı, yönü ve kontrastı gibi belirli görsel özelliklere bağımlılığının ölçülmesini büyük ölçüde kısıtlar 8,17. Bunun yerine, OKR’nin bu görsel özelliklere seçiciliğinin testleri, görsel özelliklerin denemeden denemeye kolayca değiştirilebildiği bilgisayarlı görsel stimülasyondan yararlanabilir. Bu şekilde, araştırmacılar çok boyutlu görsel parametre uzayında OKR davranışını sistematik olarak inceleyebilirler. Ayrıca, OKR testinin ikinci yöntemi, yalnızca fark edilebilir OKR’leri tetikleyen görsel parametrelerin eşiklerini bildirir, ancak göz veya baş hareketlerinin genliklerinibildirmez 6,14,15,16. Bu nedenle, nicel gücün olmaması, ayar eğrilerinin şeklini ve tercih edilen görsel özellikleri analiz etmeyi veya normal ve patolojik koşullarda tek tek fareler arasındaki ince farklılıkları tespit etmeyi önler. Yukarıdaki sınırlamaların üstesinden gelmek için, son çalışmalarda OKR davranışını test etmek için video-okülografi ve bilgisayarlı sanal görsel stimülasyonbirleştirilmiştir 5,17,18,19,20. Bununla birlikte, daha önce yayınlanan bu çalışmalar yeterli teknik detay veya adım adım talimat sağlamamıştır ve sonuç olarak araştırmacıların kendi araştırmaları için böyle bir OKR testi oluşturmaları hala zordur.
Burada, video-okülografi ve bilgisayarlı sanal görsel stimülasyon kombinasyonu ile fotopik veya skotopik koşullar altında OKR davranışının görsel özellik seçiciliğini kesin olarak ölçmek için bir protokol sunuyoruz. Fareler, vestibüler stimülasyonun uyandırdığı göz hareketinden kaçınmak için kafaya sabitlenir. Değişen görsel parametrelerle hareketli ızgaraları izleyen farelerin oküler hareketlerini kaydetmek için yüksek hızlı bir kamera kullanılır. Tek tek farelerin gözbebeklerinin fiziksel boyutu, göz hareketlerinin açısının türetilmesinin doğruluğunu sağlamak için kalibre edilir21. Bu nicel yöntem, farklı yaşlardaki veya genetik geçmişteki hayvanlar arasında OKR davranışının karşılaştırılmasına veya farmakolojik tedavilerin veya görsel-motor öğrenmenin neden olduğu değişikliğin izlenmesine olanak tanır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada sunulan OKR davranış testi yöntemi çeşitli avantajlar sağlar. İlk olarak, bilgisayar tarafından oluşturulan görsel stimülasyon, fiziksel davulların içsel sorunlarını çözer. Fiziksel tamburların uzamsal frekans, yön veya kontrast ayarının sistematik olarak incelenmesinidesteklememesi sorunuyla ilgilenen 8, sanal tambur bu görsel parametrelerin deneme bazında değiştirilmesine izin verir, böylece OKR davranışının özellik seçiciliğinin sistematik ve nicel bir an…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yön ayarlama verilerini paylaştığı için Yingtian He’ye müteşekkiriz. Bu çalışma, Kanada İnovasyon Vakfı ve Ontario Araştırma Fonu (CFI/ORF proje no. 37597), NSERC (RGPIN-2019-06479), CIHR (Proje Hibe 437007) ve Connaught Yeni Araştırmacı Ödülleri’nden alınan hibelerle desteklenmiştir.
Materials
| 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 |
References
- Gerhard, D. Neuroscience. 5th Edition. Yale Journal of Biology and Medicine. , (2013).
- Distler, C., Hoffmann, K. P. . The Oxford Handbook of Eye Movement. , 65-83 (2011).
- Sereno, A. B., Bolding, M. S. . Executive Functions: Eye Movements and Human Neurological Disorders. , (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cameron, D. J., et al. The optokinetic response as a quantitative measure of visual acuity in zebrafish. Journal of Visualized Experiments. (80), 50832 (2013).
- de Jeu, M., De Zeeuw, C. I. Video-oculography in mice. Journal of Visualized Experiments. (65), e3971 (2012).
- Kodama, T., du Lac, S. Adaptive acceleration of visually evoked smooth eye movements in mice. The Journal of Neuroscience. 36 (25), 6836-6849 (2016).
- 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).
- Shi, C., et al. Optimization of optomotor response-based visual function assessment in mice. Scientific Reports. 8 (1), 9708 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- Harris, S. C., Dunn, F. A. Asymmetric retinal direction tuning predicts optokinetic eye movements across stimulus conditions. eLife. 12, e81780 (2023).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Reimer, J., et al. Pupil fluctuations track fast switching of cortical states during quiet wakefulness. Neuron. 84 (2), 355-362 (2014).
- Sakatani, T., Isa, T. PC-based high-speed video-oculography for measuring rapid eye movements in mice. Neuroscience Research. 49 (1), 123-131 (2004).
- Sakatani, T., Isa, T. Quantitative analysis of spontaneous saccade-like rapid eye movements in C57BL/6 mice. Neuroscience Research. 58 (3), 324-331 (2007).
- 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).
- 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).
- Hess, E. H., Polt, J. M. Pupil size as related to interest value of visual stimuli. Science. 132 (3423), 349-350 (1960).
- 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).
