Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

כימות סלקטיביות תכונות חזותיות של רפלקס האופטוקינטי בעכברים

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

במאמר זה אנו מתארים פרוטוקול סטנדרטי לכימות הרפלקס האופטוקינטי. הוא משלב גירוי תוף וירטואלי ווידאו-אוקולוגרפיה, ובכך מאפשר הערכה מדויקת של סלקטיביות התכונה של ההתנהגות והפלסטיות האדפטיבית שלה.

Abstract

הרפלקס האופטוקינטי (OKR) הוא תנועת עיניים מולדת חיונית המופעלת על ידי התנועה הגלובלית של הסביבה החזותית ומשמשת לייצוב תמונות רשתית. בשל חשיבותו וחוסנו, ה-OKR שימש לחקר למידה חזותית-מוטורית ולהערכת תפקודי הראייה של עכברים בעלי רקע גנטי שונה, גילאים שונים וטיפולים תרופתיים. כאן, אנו מציגים הליך להערכת תגובות OKR של עכברים קבועים ראש עם דיוק גבוה. קיבוע ראש יכול לשלול את תרומת הגירוי הווסטיבולרי על תנועות העיניים, מה שמאפשר למדוד תנועות עיניים המופעלות רק על ידי תנועה חזותית. ה-OKR מופעל על ידי מערכת תופים וירטואלית, שבה סורג אנכי המוצג על שלושה צגי מחשב נסחף אופקית באופן תנודתי או חד-כיווני במהירות קבועה. באמצעות מערכת מציאות מדומה זו, אנו יכולים לשנות באופן שיטתי פרמטרים חזותיים כמו תדר מרחבי, תדר טמפורלי/תנודה, ניגודיות, בהיקות וכיוון הגרגים, ולכמת עקומות כוונון של סלקטיביות תכונות חזותיות. וידאו-אוקוקולוגרפיה אינפרא אדום במהירות גבוהה מבטיחה מדידה מדויקת של מסלול תנועות העיניים. עיניהם של עכברים בודדים מכוילים כדי לספק הזדמנויות להשוות את ה-OKR בין בעלי חיים בגילאים, מינים שונים ומרקעים גנטיים שונים. כוחה הכמותי של טכניקה זו מאפשר לה לזהות שינויים ב- OKR כאשר התנהגות זו מסתגלת באופן פלסטי עקב הזדקנות, חוויה חושית או למידה מוטורית; לפיכך, היא הופכת טכניקה זו לתוספת רבת ערך לרפרטואר הכלים המשמשים לחקר הפלסטיות של התנהגויות עיניות.

Introduction

בתגובה לגירויים חזותיים בסביבה, העיניים שלנו נעות כדי להסיט את מבטנו, לייצב תמונות רשתית, לעקוב אחר מטרות נעות, או ליישר את הגומות של שתי עיניים עם מטרות הממוקמות במרחקים שונים מהצופה, שהן חיוניות לראייה תקינה 1,2. התנהגויות אוקולומוטוריות שימשו באופן נרחב כמודלים אטרקטיביים של אינטגרציה סנסומוטורית להבנת המעגלים העצביים בבריאות ובחולי, לפחות חלקית בגלל הפשטות של המערכת האוקולומוטורית3. נשלטת על ידי שלושה זוגות של שרירים חוץ-עיניים, העין מסתובבת בשקע בעיקר סביב שלושה צירים תואמים: הגבהה ודיכאון לאורך הציר הרוחבי, חטיפה וחטיפה לאורך הציר האנכי, וחדירה ושחול לאורך הציר הקדמי 1,2. מערכת פשוטה כזו מאפשרת לחוקרים להעריך את ההתנהגויות האוקולומוטוריות של עכברים בקלות ובדייקנות בסביבת מעבדה.

התנהגות אוקולומוטורית עיקרית אחת היא רפלקס אופטוקינטי (OKR). תנועת עיניים לא רצונית זו מופעלת על ידי סחף איטי או החלקות של תמונות על הרשתית ומשמשת לייצוב תמונות הרשתית כאשר ראשו של בעל חיים או סביבתו נעים 2,4. ה-OKR, כפרדיגמה התנהגותית, מעניינת את החוקרים מכמה סיבות. ראשית, ניתן לגרות אותו באופן אמין ולכמת אותו במדויק 5,6. שנית, ההליכים לכימות התנהגות זו הם פשוטים יחסית וסטנדרטיים וניתן ליישם אותם כדי להעריך את הפונקציות החזותיות של קבוצה גדולה של בעלי חיים7. שלישית, התנהגות מולדת זו היא פלסטית מאוד 5,8,9. המשרעת שלו יכולה להיות מוגברת כאשר החלקות רשתית חוזרות ונשנות מתרחשות במשך זמן רב 5,8,9, או כאשר שותפו לעבודה רפלקס עיני שיווי משקל (VOR), מנגנון נוסף של ייצוב תמונות רשתית המופעלות על ידי קלט שיווי משקל2, נפגע5. פרדיגמות ניסיוניות אלה של הגברה OKR מאפשרות לחוקרים לחשוף את הבסיס המעגלי העומד בבסיס הלמידה האוקולומוטורית.

שתי שיטות לא פולשניות שימשו בעיקר להערכת OKR במחקרים קודמים: (1) וידאו-אוקוקולוגרפיה בשילוב עם תוף פיזי 7,10,11,12,13 או (2) קביעה שרירותית של סיבובי ראש בשילוב עם תוף וירטואלי6,14,15,16. למרות שהיישומים שלהם הניבו תגליות פוריות בהבנת המנגנונים המולקולריים והמעגליים של פלסטיות אוקולומוטורית, לכל שתי שיטות אלה יש כמה חסרונות המגבילים את כוחן בבחינה כמותית של תכונות ה-OKR. ראשית, תופים פיזיים, עם תבניות מודפסות של פסים או נקודות בשחור לבן, אינם מאפשרים שינויים קלים ומהירים של תבניות חזותיות, מה שמגביל במידה רבה את מדידת התלות של ה- OKR בתכונות חזותיות מסוימות, כגון תדירות מרחבית, כיוון וניגודיות של גרגרים נעים 8,17. במקום זאת, בדיקות של הסלקטיביות של OKR לתכונות חזותיות אלה יכולות להפיק תועלת מגירוי חזותי ממוחשב, שבו ניתן לשנות בנוחות תכונות חזותיות מניסוי לניסוי. בדרך זו, חוקרים יכולים לבחון באופן שיטתי את התנהגות OKR במרחב הפרמטרים החזותיים הרב-ממדיים. יתר על כן, השיטה השנייה של בדיקת OKR מדווחת רק על ערכי הסף של פרמטרים חזותיים המפעילים OKR שניתן להבחין בהם, אך לא על המשרעת של תנועות עיניים או ראש 6,14,15,16. היעדר כוח כמותי מונע אפוא ניתוח צורת עקומות הכוונון ותכונות הראייה המועדפות, או איתור הבדלים עדינים בין עכברים בודדים בתנאים נורמליים ופתולוגיים. כדי להתגבר על המגבלות הנ"ל, וידאו-אוקולוגרפיה וגירוי חזותי וירטואלי ממוחשב שולבו כדי להעריך את התנהגות OKR במחקרים אחרונים 5,17,18,19,20. עם זאת, מחקרים אלה שפורסמו בעבר לא סיפקו מספיק פרטים טכניים או הוראות שלב אחר שלב, וכתוצאה מכך זה עדיין מאתגר עבור חוקרים להקים מבחן OKR כזה עבור המחקר שלהם.

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לכימות מדויק של סלקטיביות התכונות החזותיות של התנהגות OKR בתנאים פוטופיקליים או סקוטופיים עם שילוב של וידאו-אוקוקולוגרפיה וגירוי חזותי וירטואלי ממוחשב. עכברים מקובעים בראשם כדי למנוע את תנועת העיניים המתעוררת על ידי גירוי שיווי משקל. מצלמה במהירות גבוהה משמשת לתיעוד תנועות העין מעכברים הצופים בגרגרים נעים עם פרמטרים חזותיים משתנים. הגודל הפיזי של גלגלי העיניים של עכברים בודדים מכויל כדי להבטיח את הדיוק של גזירת זווית תנועות העיניים21. שיטה כמותית זו מאפשרת להשוות התנהגות OKR בין בעלי חיים בגילאים שונים או מרקעים גנטיים שונים, או לעקוב אחר השינוי שלה הנגרם על ידי טיפולים תרופתיים או למידה חזותית-מוטורית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל ההליכים הניסיוניים שבוצעו במחקר זה אושרו על ידי הוועדה המקומית לטיפול בבעלי חיים של מדעי הביולוגיה, בהתאם להנחיות שנקבעו על ידי הוועדה לטיפול בבעלי חיים באוניברסיטת טורונטו והמועצה הקנדית לטיפול בבעלי חיים.

1. השתלת מוט ראש על גבי הגולגולת

הערה: כדי למנוע את התרומה של התנהגות VOR לתנועות העיניים, ראש העכבר משותק במהלך מבחן OKR. לכן, מוט ראש מושתל בניתוח על גבי הגולגולת.

  1. מרדימים עכבר (נקבה בת 2-5 חודשים וזכר C57BL/6) על ידי תערובת של 4% איזופלורן (v/v) ו-O2 בתא גזים. מעבירים את העכבר לפלטפורמת ניתוח מותאמת אישית ומפחיתים את ריכוז האיזופלורן ל-1.5%-2%. עקוב אחר עומק ההרדמה על ידי בדיקת תגובת צביטת הבוהן וקצב הנשימה לאורך כל הניתוח.
  2. הניחו כרית חימום מתחת לגוף החיה כדי לשמור על טמפרטורת הגוף שלה. יש למרוח שכבה של משחת עיניים סיכה על שתי העיניים כדי להגן עליהן מפני ייבוש. כסו את העיניים ברדיד אלומיניום כדי להגן עליהן מפני תאורת אור.
  3. תת עורית להזריק carprofen במינון של 20 מ"ג / ק"ג כדי להפחית את הכאב. לאחר הרטבת הפרווה עם chlorhexidine gluconate העור ניקונה, לגלח את הפרווה על גבי הגולגולת. יש לחטא את הקרקפת החשופה עם 70% אלכוהול איזופרופיל וכלורהקסידין פעמיים.
  4. יש להזריק bupivacaine (8 מ"ג/ק"ג) תת עורית במקום החתך, ולאחר מכן להסיר את הקרקפת (~ 1 ס"מ2) עם מספריים כדי לחשוף את פני השטח הגביים של הגולגולת, כולל העצם המצחית האחורית, העצם הקודקודית והעצם הבין-קודקודית.
  5. יש למרוח מספר טיפות של 1% לידוקאין ו-1:100,000 אפינפרין על הגולגולת החשופה כדי להפחית כאב ודימום מקומיים. גרדו את הגולגולת עם קורט Meyhoefer כדי להסיר את הפאשיה ונקו אותה במי מלח חוצצים פוספט (PBS).
    הערה: שריר הטמפורליס מופרד מהגולגולת כדי להגדיל את שטח הפנים לחיבור מוט ראש.
  6. יבש את הגולגולת על ידי נשיפה עדינה של אוויר דחוס לכיוון פני הגולגולת עד שהלחות נעלמת והעצם הופכת לבנבנה. יש למרוח שכבה דקה של דבק-על על פני השטח החשופים של הגולגולת, כולל קצה הקרקפת החתוכה, ולאחר מכן שכבה של שרף אקרילי.
    הערה: פני השטח של הגולגולת צריכים להיות נקיים מדם או מים לפני מריחת דבק-על.
  7. הניחו מוט ראש מפלדת אל-חלד (ראו איור 1A) לאורך קו האמצע מעל הגולגולת. יש למרוח יותר שרף אקרילי, החל מקצה מוט הראש עד שבסיס מוט הראש מוטמע לחלוטין בשרף האקרילי. מרחו שרף אקרילי פעמיים או שלוש כדי לבנות את העובי.
  8. ממתינים כרבע שעה עד שהשרף האקרילי מתקשה. תת עורית להזריק 1 מ"ל של פתרון רינגר הנקה. לאחר מכן, החזירו את העכבר לכלוב המונח על כרית חימום עד שהחיה ניידת לחלוטין.
  9. לאפשר לעכבר להתאושש בכלוב הביתי לפחות 5 ימים לאחר הניתוח. ברגע שבעל החיים במצב טוב, קבע את ראשו עם מוט הראש במערך OKR למשך 15-30 דקות כדי להכיר את קיבוע הראש ואת סביבת הניסוי. חזור על ההיכרות פעם ביום במשך 3 ימים לפחות.

2. הגדרת התוף הווירטואלי ווידאו-אוקולוגרפיה

  1. הרכיבו שלושה צגים באופן אורתוגונלי זה לזה כדי ליצור מארז מרובע שמכסה ~270° של האזימוט ו-63° של הגובה במרחב הראייה (איור 1B משמאל).
  2. באמצעות כרטיס גרפי נפרד, מזג את שלושת הצגים לצג פשוט כדי להבטיח סנכרון בין כל הצגים.
  3. כייל את הבהיקות של צגים כמתואר להלן.
    1. הפעל את המחשב שאליו מחוברים הצגים והמתן 15 דקות. החימום חיוני כדי לקבל בהיקות יציבה.
    2. שנה באופן שיטתי את הגדרת הבהירות בצג מ- 0 ל- 100 בשלבים של 25.
    3. עבור כל ערך בהירות, מדוד את בהיקות הצגים תחת ערכי פיקסלים שונים (0-255, שלבים של 15) באמצעות מד בהיקות.
    4. התאם את הקשר בין בהיקות ובהירות עבור ערך פיקסל 255 עם רגרסיה ליניארית והערך את ערך הבהירות המוליד 160 cd/m2.
    5. עבור כל ערך פיקסל המשמש במדידת הזוהר (שלב 2.3.3), הערך את הזוהר עבור ערך הבהירות הנגזר בשלב 2.3.4 בהתבסס על רגרסיה ליניארית. השתמש בפונקצייתההספק lum = A * pixel γ כדי להתאים את הקשר בין קבוצת ערכי הזוהר החדשה (תחת ערך הבהירות הנגזר ב- 2.3.4) לבין ערכי הפיקסלים המתאימים להם כדי לגזור את גורם הגמא γ ואת מקדם A. אלה ישמשו ליצירת גרגרים סינוסואידים של ערכי הארה רצויים.
    6. הגדר את הבהירות של כל שלושת הצגים לערכים הנגזרים בשלב 2.3.4 כדי להבטיח שערכי הזוהר שלהם יהיו זהים עבור אותו ערך פיקסל.
  4. צור תוף וירטואלי, המשמש לגירוי התנהגות OKR, עם ערכת הכלים לגירוי חזותי, כמתואר להלן.
    1. הציגו סורג סינוסואידלי אנכי על הצגים והתאימו את התקופה (מרווח בין פסים) לאורך האזימוט כדי להבטיח שההקרנה של הסורג על העין תהיה בעלת תדירות מרחבית קבועה (סורג תוף; איור 1B באמצע ומימין).
    2. ודא שראשו של בעל החיים קבוע במרכז המתחם כך שהוא רואה שלסורג יש תדר מרחבי קבוע על פני השטח של התוף הווירטואלי.
    3. שנה את הפרמטרים של הסורג הנע, כגון משרעת תנודה, תדירות מרחבית, תדירות טמפורלית/תנודה, כיוון, ניגודיות וכו ', בקודים לגירוי חזותי. השתמש בשני סוגים של תנועה חזותית: (1) הסורג נסחף בכיוון השעון או נגד כיוון השעון באופן תנודתי בעקבות פונקציה סינוסואידית:
      Equation 1
      כאן, אמפר הוא המשרעת של מסלול התוף, f הוא תדירות התנודה, ו-t הוא הזמן (משרעת תנודה: 5°; תדר מרחב סורג: 0.04-0.45 cpd; תדירות תנודה: 0.1-0.8 הרץ, המתאימה למהירות שיא של הגירוי של 3.14-25.12 °/s [מהירות תוף = Amp x 2π x f x cos (2π x f x t); ניגודיות: 80%-100%; בהיקות ממוצעת: 35-45 cd/m2; (2) הסורג נסחף באופן חד-כיווני במהירות קבועה:
      Equation 2
      (תדר מרחבי: 0.04-0.64 cpd; תדר זמני: 0.25-1 הרץ; מהירות תוף = תדר זמני/תדר מרחבי).
  5. הגדר את וידאו-oculography כמתואר להלן.
    1. כדי למנוע חסימה של שדה הראייה של החיה, מקמו מראה אינפרא אדום (IR) 60° מקו האמצע כדי ליצור תמונה של עין ימין.
    2. מקם מצלמת אינפרא-אדום בצד ימין מאחורי העכבר (איור 1C משמאל) כדי לצלם תמונה של עין ימין.
    3. הרכיבו את מצלמת האינפרא-אדום במהירות גבוהה על זרוע מצלמה המאפשרת למצלמה להסתובב ב-10° ± סביב התמונה של עין ימין (איור 1C מימין).
    4. השתמש בפוטודיודה המחוברת לאחד הצגים כדי לספק אות חשמלי לסנכרון התזמון של וידאו-אוקוקולוגרפיה וגירוי חזותי.
    5. מקם ארבע דיודות פולטות אור IR (LED) הנתמכות על ידי זרועות צוואר ברווז סביב עין ימין כדי לספק הארת IR של העין.
    6. מקם שתי נוריות IR על המצלמה כדי לספק הפניות להחזר הקרנית (CR): אחת קבועה מעל המצלמה (X-CR), ואילו השנייה נמצאת בצד שמאל של המצלמה (Y-CR; איור 1D).
    7. מדוד את ההגדלה האופטית של מערכת וידאו-אוקוקולוגרפיה באמצעות שקופית כיול.
      הערה: CRs הייחוס משמשים לביטול תנועות העיניים התרגומי כאשר זווית העין מחושבת בהתבסס על תנועות העיניים הסיבוביות.
  6. קבע את ראשו של בעל החיים במרכז המתחם שנוצר על ידי הצגים, כמתואר להלן.
    1. קבע את ראשו של בעל החיים עם לוחית הראש למרכז האסדה והפוך אותו עם הפנים קדימה. התאימו את הטיית הראש כך שהעיניים השמאלית והימנית יהיו מפולסות, וזוויות האף והרקתי של העיניים מיושרות אופקית (איור 1E).
    2. הזיזו את ראש החיה אופקית על ידי כוונון גס המסופק על ידי מנגנון קיבוע הראש וכוונון עדין המסופק על ידי שלב תרגום דו-ממדי, ואנכית דרך מנגנון קיבוע הראש וזוג מחזיק פוסט/עמוד, עד שעינו הימנית של החיה תופיע בסרטון החי של המצלמה. לפני הכיול והמדידה של תנועות העיניים, שכבו את תמונת עין ימין של בעל החיים המשתקף על ידי המראה החמה עם נקודת הציר של זרוע המצלמה (ראו פרטים בשלב 3.4 להלן).
  7. בנו מארז מותאם אישית סביב מתקן OKR כדי לחסום את תאורת החדר (איור 1F).

3. כיול תנועות העיניים

הערה: תנועות עיניים סיבוביות מחושבות על בסיס תנועות האישון ורדיוס מסלול תנועות האישונים (Rp, המרחק ממרכז האישון למרכז גלגל העין). עבור כל עכבר בודד, רדיוס זה נמדד באופן ניסיוני21.

  1. קבע את ראשו של בעל החיים במרכז המתחם שנוצר על ידי שלושת הצגים, כמתואר בשלב 2.6.1.
  2. הפעל את המצלמה וכוונן את ארבע נוריות ה- LED המקיפות את עין ימין כדי להשיג תאורת IR אחידה.
  3. תחת הנחיה חזותית, התאם את מיקום עין ימין עד שתופיע במרכז הסרטון, כמתואר בשלב 2.6.2.
  4. ישר את התמונה הווירטואלית של עין ימין עם נקודת הציר של זרוע המצלמה, כמתואר להלן.
    1. סובב ידנית את זרוע המצלמה לקצה השמאלי הקיצוני ( -10°). הזיזו ידנית את מיקום העין הימנית של החיה במישור האופקי בניצב לציר האופטי עם התאמה עדינה של שלב התרגום הדו-ממדי (איור 1C, חץ ירוק), עד שה-X-CR יגיע למרכז האופקי של התמונה.
    2. סובב ידנית את זרוע המצלמה לקצה השני (+10°). אם ה-X-CR בורח ממרכז התמונה, הזיזו את עין ימין לאורך הציר האופטי בכוונון עדין עד שה-X-CR יגיע למרכז (איור 1C, חץ כחול).
    3. חזור על שלבים 3.4.1-3.4.2 מספר פעמים עד שה-X-CR נשאר במרכז כאשר זרוע המצלמה מתנדנדת שמאלה וימינה. אם עין ימין זזה באמצע חזרה אחת, הפעל מחדש את תהליך ההסתגלות.
  5. מדוד את המרחק האנכי בין Y-CR ל-X-CR לאחר נעילת זרוע המצלמה במיקום המרכזי. הפעל את נורית ה- Y-CR LED והקלט את מיקומה בסרטון ולאחר מכן עבור ל- X-CR LED והקלט את מיקומה.
    הערה: המרחק האנכי בין ה-Y-CR ל-X-CR ישמש כדי לגזור את המיקום של ה-Y-CR במהלך מדידת תנועות עיניים שבהן רק נורית ה-X-CR LED מופעלת.
  6. מדוד את רדיוס סיבוב האישון Rp, כמתואר להלן.
    1. סובב את זרוע המצלמה לקצה השמאלי ( -10°) והקלט את מיקומי האישון (Pp1) ו- X-CR (PCR1) בסרטון.
    2. לאחר מכן, סובב את זרוע המצלמה לקצה הימני (+10°) והקלט את מיקומי האישון (Pp2) ו- X-CR (PCR2) בסרטון. חזור על שלב זה מספר פעמים.
      הערה: עינו הימנית של בעל החיים צריכה להישאר נייחת במהלך כל חזרה, כך שכמות תנועות האישונים בסרט משקפת במדויק את מידת הנפת זרוע המצלמה.
    3. בהתבסס על הערכים שנרשמו לעיל, חשב את רדיוס סיבוב האישון Rp (איור 2A) באמצעות הנוסחה הבאה:
      Equation 3
      הערה: המרחק בין השתקפות הקרנית למרכז האישון במרחב הפיזי מחושב על סמך המרחק שלהם בסרט:
      PCR - Pp = מספר הפיקסלים בסרט x גודל פיקסלים של שבב מצלמה x הגדלה
  7. לפתח את הקשר בין Rp וקוטר האישון, כמתואר להלן. Rp משתנה כאשר התלמיד מתרחב או מתכווץ; באופן קרוב, ערכו עומד ביחס הפוך לגודל האישון (איור 2B למעלה).
    1. שנה את הבהיקות של הצגים באופן שיטתי מ- 0 ל- 160 cd/m2 כדי לווסת את גודל האישון.
    2. עבור כל ערך זוהר, חזור על שלב 3.6 8-10 פעמים ורשום את קוטר האישון.
    3. החילו רגרסיה ליניארית על הקשר בין Rp לקוטר האישון בהתבסס על הערכים שנמדדו לעיל כדי לגזור את השיפוע והיירוט (איור 2B למטה).
      הערה: החריגים הנגרמים על ידי תנועות עיניים מזדמנות מוסרים לפני ההתאמה הליניארית. עבור מדידות חוזרות במספר הפעלות, הכיול צריך להיעשות רק פעם אחת עבור חיה אחת, אלא אם כן העין שלה גדלה במהלך הניסוי.

4. הקלט תנועות עיניים של OKR

  1. תקן ראש עכבר במחשב לפי שלבים 3.1-3.4. דלג על שלב זה אם ההקלטה מתרחשת מיד לאחר סיום הכיול. נעל את זרוע המצלמה במיקום המרכזי.
  2. הגדר את הצגים ואת בעל החיים עבור OKR סקוטופי כמתואר להלן. דלג על שלב זה עבור OKR תמונה.
    1. כסה את המסך של כל צג במסנן מותאם אישית, המורכב מחמש שכבות של סרט בעל צפיפות נייטרלית (ND) של 1.2. ודא שאף נורית לא דולפת החוצה דרך הרווח בין המסנן לצג.
    2. כבו את האור בחדר. השלבים הבאים נעשים בעזרת משקפת IR.
    3. יש למרוח טיפה אחת של תמיסת פילוקרפין (2% במי מלח) על עין ימין ולהמתין 15 דקות. ודא שהטיפה נשארת על העין ולא נמחקת על ידי העכבר. אם התמיסה נמחקת על ידי החיה, להחיל טיפה נוספת של פתרון pilocarpine. זה מכווץ את האישון לגודל מתאים למעקב עיניים במצב סקוטופי.
      הערה: במצב סקוטופי, האישון מתרחב באופן משמעותי כך שהקצה שלו מוסתר חלקית מאחורי העפעף. זה משפיע על הדיוק של הערכת מרכז התלמיד על ידי וידאו-oculography. כיווץ פרמקולוגי של אישון עין ימין מפחית את הקלט החזותי שלו, וכך הגירויים החזותיים מוצגים לעין שמאל.
    4. לשטוף את עין ימין עם מלוחים כדי לשטוף ביסודיות את הפתרון pilocarpine. משכו את הווילון כלפי מטה כדי לאטום לחלוטין את המארז, מה שמונע מאור תועה להפריע לראייה הסקוטופית.
    5. תן לבעל החיים 5 דקות להסתגל באופן מלא לסביבה הסקוטופית לפני תחילת בדיקת OKR.
  3. הפעל את תוכנת הגירוי החזותי ואת תוכנת מעקב העיניים. למדידת OKR פוטופיקית, ודא שסורג התוף מתנודד אופקית עם מסלול סינוסואידלי; למדידת OKR סקוטופית, יש לוודא שסורג התוף נסחף במהירות קבועה משמאל לימין, שהוא כיוון הרקה-אף בהתייחס לעין שמאל.
    הערה: כאשר האישון של עין ימין, אך לא של עין שמאל, מכווץ על ידי פילוקרפין במצב סקוטופי, ה- OKR המתעורר על ידי גירוי תוף תנודתי הוא מאוד לא סימטרי. לכן, עבור מדידת OKR סקוטופית, עין שמאל מגורה בעוד התנועה של עין ימין מנוטרת.
  4. תוכנת המעקב אחר העיניים מודדת באופן אוטומטי את גודל האישון, מיקום CR ומיקום האישון עבור כל פריים, ומחשבת את זווית מיקום העין בהתבסס על הנוסחה הבאה (איור 2C):
    Equation 4
    כאן, PCR הוא מיקום CR, P p הוא מיקום האישון, ו- Rp הוא רדיוס סיבוב האישון. המרחק בין השתקפות הקרנית למרכז האישון במרחב הפיזי מחושב על פי המרחק שלהם בסרט:
    PCR - Pp = מספר הפיקסלים בסרט x גודל פיקסלים של שבב מצלמה x הגדלה
    Rp של גודל האישון המתאים נגזר בהתבסס על מודל הרגרסיה הליניארית בשלב 3.7.3 (איור 2B למטה).

5. ניתוח תנועות עיניים של OKR עם תוכנת ניתוח העיניים

  1. עבד את עקבות העיניים באמצעות מסנן חציוני (חלון מסנן = 0.05 שניות) כדי להסיר רעש בתדר גבוה (איור 3A באמצע).
  2. הסר את סקאדות או ניסטגמוס כמתואר להלן.
    1. הערך את מהירות העין על-ידי חישוב הנגזרת מסדר ראשון של תנועות עיניים (איור 3A למטה). זהו את הסקאדות או הניסטגמוס על-ידי החלת סף מהירות של 50°/s (איור 3A למטה).
    2. החליפו את הסקדות או הניסטגמוס על-ידי אקסטרפולציה של מיקומי העיניים במהלך תנועות העיניים המהירות האלה מהמקטע שלפני הסקדות או הניסטגמוס בהתבסס על רגרסיה ליניארית (איור 3B).
  3. חשבו את המשרעת של תנועות עיניים OKR באמצעות התמרת פורייה מהירה (אלגוריתם גרצל) אם סורג התוף מתנודד (איור 3C), או חשבו את המהירות הממוצעת של תנועות העיניים במהלך הגירוי החזותי אם סורג התוף נע במהירות קבועה בכיוון אחד (איור 3B למטה).
    הערה: המשרעת של תנועות עיניים מתנודדות הנגזרות מהתמרת פורייה דומה למשרעת הנגזרת מהתאמת מסלול העין לפונקציה סינוסואידלית (איור 3D).
  4. חשב את רווח OKR. עבור תנועת תוף תנודתי, רווח OKR מוגדר כיחס בין המשרעת של תנועות העיניים למשרעת של תנועות התוף (איור 3C מימין). עבור תנועת תוף חד-כיוונית, רווח OKR מוגדר כיחס בין מהירות העין למהירות גרידת התוף (איור 3B למטה).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

עם ההליך המפורט לעיל, הערכנו את התלות של OKR במספר תכונות חזותיות. העקבות לדוגמה המוצגות כאן נגזרו באמצעות קודי הניתוח שסופקו בקובץ קידוד משלים 1, ואת קובץ העקבות הגולמי לדוגמה ניתן למצוא בקובץ קידוד משלים 2. כאשר סורג התוף נסחף במסלול סינוסואידלי (0.4 הרץ), עינו של בעל החיים עקבה באופן אוטומטי אחר תנועת הסורג באופן תנודתי דומה (איור 3B בלוח העליון), מה שמאפיין את התנהגות OKR 2,5,8. המשרעת של תנועות העיניים OKR בציר האופקי נגזרת באמצעות התמרת פורייה מהירה (איור 3C&D), ורווח OKR חושב כיחס בין המשרעת של תנועות העיניים למשרעת של תנועת הסורגים (איור 3C). רווח ה-OKR השתנה בהתאם לערכים של תדירות מרחבית, תדירות תנודה וכיוון התנועה (איור 4A). ראשית, עקומת כוונון התדרים המרחבית של התנהגות OKR הייתה בצורת V הפוכה והגיעה לשיאה בתדר מרחבי ביניים של 0.16 cpd (איור 4A משמאל). שנית, עקומת כוונון תדר התנודה ירדה באופן מונוטוני ככל שתדירות התנודה של סורג התוף עלתה (איור 4A באמצע), מה שמצביע על כך שהתנהגות OKR פועלת בצורה הטובה ביותר בתגובה לתנועה חזותית במהירות נמוכה4. הן המשרעת והן הצורה של עקומת כוונון תדר התנודה השתנו בעת הצגת גרגרים של תדרים מרחביים שונים17. שלישית, ה-OKR האופקי יכול להיגרם גם על-ידי גרגרים הנעים בכיוונים שונים (איור 4A מימין). התנהגות ה-OKR האופקית החזקה ביותר נבעה מהתנועה הרקתית-אפית (0°). רווח ה-OKR ירד ל~80%, או ~30% מהמקסימום, כאשר הסורג נע בזוויות אלכסוניות 30° או 60° סטה מהכיוון הרקתי-אפי (הן כלפי מעלה והן כלפי מטה), בהתאמה, וה-OKR האופקי נעלם כאשר הסורג נע אנכית כלפי מעלה או מטה (90° ו-270°). יתר על כן, צורות עקומות הכוונון הושפעו מרמת הזוהר. לדוגמה, בעלי חיים ביצעו היטב את התנהגות ה-OKR בתגובה לתדרים מרחביים של 0.16 ו-0.32 cpd בתנאי הצילום, אולם עקומת כוונון התדרים המרחביים זזה שמאלה תחת המצב הסקוטופי (איור 4B). כדי לנתח את הצורה של עקומות כוונון, אנו מתאימים להם פונקציות מתמטיות מתאימות. לדוגמה, פונקציית גאוס שימשה להערכת השיא ורוחב הפס של כוונון תדרים מרחביים (איור 4C). בניתוח זה מצאנו שעקומת הכוונון בתנאי הסקוטופי הייתה בעלת ערך נמוך יותר בתדירות המרחבית המועדפת בהשוואה למצב הפוטופי. ההליך המפורט לעיל יכול לשמש גם לכימות הפלסטיות של התנהגות OKR. לאחר 45 דקות של גירוי OKR מתמשך, המשרעת של התנהגות ה-OKR הייתה חזקה באופן משמעותי (איור 4D), בהתאם לדיווחים קודמים. תוצאות אלה מדגימות את היישומים של פרוטוקול זה בבחינת התנהגויות אוקולומוטוריות ופוטנציאלים בהבנת המעגלים המוחיים המעורבים בהתנהגויות אלה.

Figure 1
איור 1: הגדרת מתקן OKR . (A) מידות מוט הראש. (B) מבט לאחור (משמאל) ומבט עליון (באמצע) של מערכת התופים הווירטואלית. שלושה צגים מותקנים אורתוגונלית זה לזה. ראשו של עכבר ממוקם במרכז המתחם המרובע ופונה קדימה. תקופת הגירוי החזותי (רווח בין פסים) משתנה בהתאם לאזימוט לעין החיה כדי להבטיח שההקרנה של הסורג על העין תהיה בעלת תדר מרחבי קבוע. במילים אחרות, התדירות המרחבית של הסורג נתפסת כקבועה לאורך כל שדה הראייה, כאילו הסורג נסחף על פני השטח של תוף וירטואלי (מימין). (C) הגדרת וידאו-אוקולוגרפיה IR. משמאל: מיקום המצלמה כאשר היא קבועה במרכז במהלך הקלטת OKR. חץ כחול: לאורך הציר האופטי. חץ ירוק: ניצב לציר האופטי. מימין: סיבוב המצלמה במהלך כיול העיניים. (D) מיקום נורות ה-LED X-CR ו-Y-CR הקבועות במצלמה. (E) רמות העיניים השמאלית והימנית (משמאל), ופינות האף והרקתי של העיניים מיושרות אופקית (ימינה) על-ידי סיבוב המוט האופקי או מתאם לוחית הראש, בהתאמה (חיצים אדומים). (F) תמונה של תחנת OKR. שים לב שמתקן OKR ממוקם בתוך מארז מותאם אישית עם וילון שחור. קיצורים: IR = אינפרא אדום; CR = השתקפות הקרנית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: כיול ומדידה של מיקומי עיניים בווידיאו-אוקולוגרפיה . (A) סכמת הכיול. רדיוס סיבוב האישון (Rp) נאמד על ידי סיבוב המצלמה למיקום השמאלי ביותר (-10°, פאנל שמאלי) ולמיקום הימני ביותר (10°, פאנל ימני). נקודות אדומות מציינות את מיקומי השתקפות הקרנית X-CR כאשר המצלמה ממוקמת במיקום השמאלי והימני ביותר. נקודות כחולות מציינות את מרכזי התלמידים. פסים ירוקים מציינים את המרחקים בין השתקפות הקרנית למרכז האישון שנצפה בסרטון המצלמה (PCR - PP). (B) תלות של Rp בגודל האישון. למעלה: סכמות של גלגלי עיניים עם אישון קטן או גדול. למטה: הקשר בין Rp לקוטר האישון של עכבר לדוגמה. גודל האישון משתנה על-ידי שינוי הזוהר (10 ערכים בטווח של 0-160 cd/m2) לעכבר. נקודות שחורות: הנתונים המשמשים להתאמה ליניארית. נקודות כחולות: חריגות שאינן נכללות בהתאמה ליניארית. עקומה אדומה: הקו המתאים ביותר ברגרסיה ליניארית. שים לב כי Rp הוא ביחס הפוך לקוטר האישון. (C) חישוב זווית מיקום העין כאשר העין זזה לצד ימין או שמאל של ציר הראייה. נקודות אדומות, נקודות כחולות ועמודות ירוקות יש את אותן משמעויות כמו ב- A. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
תרשים 3: חישוב רווח OKR. (A) למעלה: תצלומי בזק של מיקומי העיניים באף (N; משמאל) והרקתיים (T; מימין) שצולמו במהלך גירוי OKR. אליפסות אדומות: התאמה לפרופיל האישון. צלבים אדומים: מרכזי תלמידים. חיצים לבנים: השתקפות הקרנית של נורית ייחוס. באמצע: מסלולי תנועות העיניים עם (שחור) או בלי (אדום) מסנן חציוני (חלון מסנן = 0.05 שניות) להסרת רעש בתדר גבוה. למטה: הערכת מהירות העין על ידי חישוב הנגזרת מסדר ראשון של תנועות עיניים. סקאדות (חיצים אדומים) מזוהים עם סף מהירות של 50 ° / s. (B) מסלול תנועות העיניים האיטיות, של OKR לאחר הסרת הסקאדות/ניסטגמוס (שחור) עם כיסוי מסלול התוף22. למעלה: תנועת תוף תנודתי עם משרעת של 5° ותדירות תנודה של 0.4 הרץ. למטה: תנועת תוף חד-כיוונית (טמפורו-אף) עם מהירות קבועה של 6.25 ° לשנייה. (C) משמאל: ממוצע המחזור של מסלול העין ב-B למעלה. מימין: ניתוח התדרים של תנועות גרידת העין או התוף על ידי התמרת פורייה מהירה. יש לציין כי סורג התוף מתנדנד ב 0.4 הרץ, ולכן המשרעת של תנועת סורג העין והתוף מגיעה לשיא של 0.4 הרץ (סימני כוכבים). רווח OKR הוא היחס בין המשרעת של תנועת גרידת העין והתוף ב- 0.4 הרץ. (D) למעלה: התאמת עקומה של מסלול העין ב - B למעלה עם פונקציה סינוסואידית. למטה: הקשר בין המשרעת של תנועות העיניים הנגזר בשיטת התמרת פורייה המהירה ונגזר מהתאמת עקומה סינוסואידית. נקודה צהובה: דוגמה בחלק העליון. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: סלקטיביות התכונה החזותית והפלסטיות של התנהגויות OKR. (A) סלקטיביות התכונה החזותית של רווח OKR בתנאי הצילום. משמאל: עקומת כוונון תדר מרחבי מחיה אחת (תדר תנודה: 0.4 הרץ; מסלול: מתנודד אופקית; בהיקות ממוצעת: 40 cd/m2; n = 15). באמצע: עקומת כוונון תדר תנודה מחיה אחת (תדר מרחבי: 0.08 או 0.16 cpd; מסלול: מתנודד אופקית; בהירות ממוצעת: 40 cd/m2; n = 15). מימין: עקומת כוונון כיוון מחיה אחת (תדר מרחבי: 0.16 cpd; תדר טמפורלי: 1 הרץ; בהירות ממוצעת: 45 cd/m2; n = 24). החץ והסרגל האדומים מציינים את כיוון הטמפורו-אף. לכוונון תדרים מרחביים וטמפורליים/תנודתיים, סורג תוף אנכי המוצג על שלושה צגים נע אופקית במהירות קבועה או באופן תנודתי. לכוונון כיוון, סורג המוצג רק על הצג הימני נע באחד מ-12 כיוונים במהירות קבועה. עובי: שגיאת תקן של הממוצע (SEM). (B) עקומת כוונון תדרים מרחבית של רווח OKR מבעל חיים אחד במצב סקוטופי או פוטופי. צילום: תנועה תנודתית; תדירות תנודה: 0.2 הרץ; בהיקות ממוצעת: 40 cd/m2; n = 15. סקוטופי: תנועה ליניארית במהירות קבועה; תדר זמני: 0.25 הרץ; בהיקות ממוצעת: 8 x 10-5 cd/m2; n = 16. המצב הסקוטופי מושג על ידי כיסוי הצגים בחמש שכבות של מסנן Lee (299 1.2 ND). עובי: SEM. (C) התאמה גאוסיאנית של כוונון תדר מרחבי של רווח OKR בתנאים פוטופיקיים וסקוטופיים. צילום: תנועה תנודתית; תדירות תנודה: 0.2 הרץ; בהיקות ממוצעת: 40 cd/m2; n = 15. סקוטופי: תנועה ליניארית במהירות קבועה; תדר זמני: 0.25 הרץ; בהיקות ממוצעת: 8 x 10-5 cd/m2; n = 16. (D) הגברה OKR של עכבר אחד המושרה על ידי 45 דקות של גירוי OKR רציף. תדירות מרחבית: 0.1 cpd; תדר תנודה: 0.4 הרץ; הארה ממוצעת: 35 cd/m2; n = 40. למעלה: ממוצע מסלולי OKR במחזור לפני ואחרי הגברה של OKR. עובי: SEM. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

קובץ קידוד משלים 1: קוד ניתוח המשמש ליצירת עקבות לדוגמה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ קידוד משלים 2: עקבות לדוגמה שנוצרו באמצעות התוכנה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השיטה של הבדיקה ההתנהגותית OKR המוצגת כאן מספקת מספר יתרונות. ראשית, גירוי חזותי שנוצר על ידי מחשב פותר את הבעיות המהותיות של תופים פיזיים. בהתמודדות עם הבעיה שתופים פיזיים אינם תומכים בבחינה שיטתית של תדר, כיוון או כוונון ניגודיות מרחבית8, התוף הווירטואלי מאפשר לשנות פרמטרים חזותיים אלה על בסיס ניסוי אחר ניסוי, ובכך מאפשר ניתוח שיטתי וכמותי של סלקטיביות התכונות של התנהגות OKR (איור 4A); בעוד שתופים פיזיים סובלים מהארה לא אחידה על ידי מקור אור חיצוני23, התוף הווירטואלי יכול לספק בקלות בהיקות הומוגנית על פני השטח שלו; בעזרת מסנני ND ומד הארה, הגירוי החזותי שנוצר על-ידי מחשב מאפשר מדידת OKR ברמות הארה שונות ומבוקרות היטב, מסקוטופי ועד פוטופיק (איור 4B), דבר שקשה לעשות עם תופים פיזיים. ללא המגבלה בתאוצה של תופים פיזיים בשל המסה האינרציאלית שלהם, הגירוי החזותי הווירטואלי יכול להשיג מסלולים מדויקים באופן אידיאלי, במיוחד בתאוצה גבוהה ובמהירות גבוהה. יתר על כן, גירוי חזותי שנוצר על ידי מחשב מאפשר תכנון יצירתי של סוגים אחרים של גירוי חזותי, כגון נקודות נעות באופן קוהרנטי, אשר מסייע לחקור מנגנונים של התנהגויות אוקולומוטוריות שונות. שנית, ההליך שלנו סטנדרטי ולכן דורש מאמצים מינימליים כדי לעקוב אחר התקדמות ההקלטה ההתנהגותית, מה שמספק הזדמנות לבחון מספר עכברים בו זמנית. לכן, הוא מתאים למחקרים הכוללים קבוצה גדולה של בעלי חיים (עשרות עד מאות בעלי חיים). שלישית, הדיוק הגבוה והעוצמה הכמותית מאפשרים להשוות מדידות OKR חוזרות ונשנות של אותם עכברים במחקרי אורך24, תחת טיפולים תרופתיים שונים10, או תחת הפרעות במעגל העצבי5. לבסוף, הניתוח מבוסס התמרת פורייה בתחום התדרים 5,7,9 נותן תוצאות שוות ערך באמפליטודה של תנועות עיניים מתנודדות לאנליזה מבוססת התאמה בתחום הרקתי 12,25,26 (איור 3D למטה), מה שמוכיח ששיטת הניתוח המוצגת כאן היא גם מדויקת וגם מדויקת.

השיטה שלנו מספקת גם הזדמנות לחקור פלסטיות OKR, פרדיגמה בשימוש פראי לחקור את מנגנוני הלמידה האוקולומוטורית. כאשר מציגים גירוי OKR מתמשך לעכבר או פוגעים כירורגית באיבר שיווי המשקל שלו, המשרעת של OKR יכולה להיות חזקה 8,9. בדיקת OKR המוצגת כאן רגישה מספיק כדי ללכוד שינויים קטנים בתנועות העיניים שמתרחשים בהגברה של OKR (איור 4D). כוחה הכמותי של שיטה זו מאפשר לקשר בין שינויים התנהגותיים לבין דינמיקה של מעגלים עצביים, שהיא חיונית כדי לחשוף את המנגנונים העומדים בבסיס למידה אוקולומוטורית 5,8,9,13.

כדי להבטיח את הדיוק של מדידת OKR, ישנם כמה שלבים קריטיים. ראשית, במהלך הניתוח יש צורך בזהירות יתרה כדי למנוע נגיעה של דבק-על ואקריליק דנטלי בעפעף, מה שעלול לפגוע בקרנית או לחסום חלקית את פתיחת העין. שנית, חוזק ה-OKR מושפע מהמצב ההתנהגותי של עכברים27,28. לכן, מומלץ לבצע מספר סבבי לינה כדי למזער את השפעת הלחץ על מדידת OKR; כמו כן, יש למנוע את ההפרעה הנגרמת על ידי ריחות, רעש או אור במהלך ההקלטה. לבסוף, ראשי העכברים צריכים להיות מכוונים כראוי, כך שהקו המחבר בין שתי פינות העיניים מקביל לציר האופקי. זה מבטיח כי כיוון התנועה החזותית מיושר עם ציר של תנועות עיניים חטיפה וחטיפה. שלישית, ההארה האחידה של העין היא המפתח ליצירת תמונה חדה של האישון ומבטיחה מעקב עיניים באיכות גבוהה.

ראוי לציין כי ישנן כמה מגבלות של השיטות המוצגות כאן. ראשית, כאשר עין של בעל חיים ממצמצת או הפרשות עיניים אטומות חוסמות את האישון, הווידיאו-אוקוקולוגרפיה מאבדת את עקבות העין לרגע או לצמיתות. באופן דומה, לא ניתן להשתמש בו כדי לפקח על תנועות העיניים כאשר העפעפיים נתפרים. שנית, הרזולוציה הטמפורלית של הווידיאו-אוקולוגרפיה מוגבלת על ידי קצב הפריימים של המצלמות לטווח של 4-20 אלפיות השנייה. לבסוף, ההכנה הקבועה לראש אינה מאפשרת מעקב אחר התנהגויות עיניות של בעלי חיים הנעים בחופשיות.

הווידיאו-אוקולוגרפיה והתוף הווירטואלי המוצגים כאן יושמו בהצלחה כדי לאפיין את הסלקטיביות של תכונת הראייה ואת הפלסטיות של התנהגות OKR, ולהבין את הרשתית והמעגלים המרכזיים המעורבים בתיווך ובוויסות אדפטיבי של התנהגות זו. בנוסף, הם יכולים גם להועיל מחקרים שבהם התנהגויות עיניים אחרות הן נושאים או אפילו גורמים מבלבלים של תופעות עצביות. לדוגמה, ניתן להשתמש בווידאו-אוקוקולוגרפיה כדי לעקוב אחר התרחבות אישונים29 ותנועות עיניים דמויות סקאדה 30,31, המעידות על ערנות ומצב מוחי32,33,34,35. יתר על כן, נהלי הכיול והמדידה המתוארים כאן ישימים באופן אוניברסלי לניטור תנועות עיניים באמצעות מצלמה המותקנת על הראש בעכברים הנעים בחופשיות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי אין אינטרסים מתחרים.

Acknowledgments

אנו מודים ליינגטיאן הא על שיתוף נתוני כוונון הכיוון. עבודה זו נתמכה על ידי מענקים מהקרן הקנדית לחדשנות וקרן המחקר של אונטריו (פרויקט CFI/ORF מס' 37597), NSERC (RGPIN-2019-06479), CIHR (Project Grant 437007) ופרסי Connaught New Research.

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

רפלקס אופטוקינטי סלקטיביות תכונות ראייה עכברים קיבוע ראש גירוי שיווי משקל תנועות עיניים מערכת תופים וירטואלית סורגים אנכיים תדר מרחבי תדר טמפורלי ניגודיות בהיקות כיוון הסורגים עקומות כוונון וידאו-אוקוקולוגרפיה אינפרא אדום מסלול תנועות עיניים כיול גיל מין רקע גנטי
כימות סלקטיביות תכונות חזותיות של רפלקס האופטוקינטי בעכברים
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