Quantification de la sélectivité des caractéristiques visuelles du réflexe optocinétique chez la souris
Summary
Nous décrivons ici un protocole standard pour quantifier le réflexe optocinétique. Il combine la stimulation virtuelle du tambour et la vidéo-oculographie, et permet ainsi une évaluation précise de la sélectivité caractéristique du comportement et de sa plasticité adaptative.
Abstract
Le réflexe optocinétique (OKR) est un mouvement oculaire inné essentiel qui est déclenché par le mouvement global de l’environnement visuel et sert à stabiliser les images rétiniennes. En raison de son importance et de sa robustesse, l’OKR a été utilisé pour étudier l’apprentissage visuo-moteur et pour évaluer les fonctions visuelles de souris ayant des antécédents génétiques, des âges et des traitements médicamenteux différents. Nous présentons ici une procédure permettant d’évaluer avec une grande précision les réponses OKR des souris à tête fixe. La fixation de la tête permet d’exclure l’apport de la stimulation vestibulaire sur les mouvements oculaires, ce qui permet de mesurer les mouvements oculaires déclenchés uniquement par le mouvement visuel. L’OKR est obtenu par un système de batterie virtuelle, dans lequel un réseau vertical présenté sur trois écrans d’ordinateur dérive horizontalement de manière oscillatoire ou unidirectionnelle à une vitesse constante. Avec ce système de réalité virtuelle, nous pouvons modifier systématiquement les paramètres visuels tels que la fréquence spatiale, la fréquence temporelle/d’oscillation, le contraste, la luminance et la direction des réseaux, et quantifier les courbes de réglage de la sélectivité des caractéristiques visuelles. La vidéo-oculographie infrarouge à haute vitesse assure une mesure précise de la trajectoire des mouvements oculaires. Les yeux de chaque souris sont calibrés pour permettre de comparer les OKR entre des animaux d’âges, de sexes et de milieux génétiques différents. La puissance quantitative de cette technique lui permet de détecter les changements dans l’OKR lorsque ce comportement s’adapte plastiquement en raison du vieillissement, de l’expérience sensorielle ou de l’apprentissage moteur ; Ainsi, elle fait de cette technique un ajout précieux au répertoire d’outils utilisés pour étudier la plasticité des comportements oculaires.
Introduction
En réponse à des stimuli visuels dans l’environnement, nos yeux bougent pour déplacer notre regard, stabiliser les images rétiniennes, suivre les cibles en mouvement ou aligner les fovéae de deux yeux avec des cibles situées à différentes distances de l’observateur, ce qui est vital pour une bonne vision 1,2. Les comportements oculomoteurs ont été largement utilisés comme modèles attrayants d’intégration sensorimotrice pour comprendre les circuits neuronaux dans la santé et la maladie, au moins en partie en raison de la simplicité du système oculomoteur3. Contrôlé par trois paires de muscles extraoculaires, l’œil tourne dans l’orbite principalement autour de trois axes correspondants : l’élévation et la dépression le long de l’axe transversal, l’adduction et l’abduction le long de l’axe vertical, et l’intorsion et l’extorsion le long de l’axe antéropostérieur 1,2. Un système aussi simple permet aux chercheurs d’évaluer les comportements oculomoteurs des souris facilement et avec précision dans un environnement de laboratoire.
L’un des principaux comportements oculomoteurs est le réflexe optocinétique (OKR). Ce mouvement oculaire involontaire est déclenché par de lentes dérives ou glissements d’images sur la rétine et sert à stabiliser les images rétiniennes lorsque la tête d’un animal ou son environnement bougent 2,4. L’OKR, en tant que paradigme comportemental, intéresse les chercheurs pour plusieurs raisons. Tout d’abord, il peut être stimulé de manière fiable et quantifié avec précision 5,6. Deuxièmement, les procédures de quantification de ce comportement sont relativement simples et standardisées et peuvent être appliquées pour évaluer les fonctions visuelles d’une grande cohorte d’animaux7. Troisièmement, ce comportement inné est hautement plastique 5,8,9. Son amplitude peut être potentialisée lorsque des glissements rétiniens répétitifs se produisent pendant une longue période 5,8,9, ou lorsque son partenaire de travail, le réflexe oculaire vestibulaire (VOR), un autre mécanisme de stabilisation des images rétiniennes déclenché par l’entrée vestibulaire2, est altéré5. Ces paradigmes expérimentaux de potentialisation OKR permettent aux chercheurs de dévoiler la base du circuit sous-jacent à l’apprentissage oculomoteur.
Deux méthodes non invasives ont été principalement utilisées pour évaluer l’OKR dans des études antérieures : (1) vidéo-oculographie combinée à un tambour physique 7,10,11,12,13 ou (2) détermination arbitraire des tours de tête combinée à un tambour virtuel6,14,15,16. Bien que leurs applications aient permis de faire des découvertes fructueuses dans la compréhension des mécanismes moléculaires et des circuits de la plasticité oculomotrice, ces deux méthodes présentent chacune des inconvénients qui limitent leurs pouvoirs dans l’examen quantitatif des propriétés de l’OKR. Tout d’abord, les tambours physiques, avec des motifs imprimés de rayures ou de points noirs et blancs, ne permettent pas de changer facilement et rapidement les motifs visuels, ce qui limite considérablement la mesure de la dépendance de l’OKR à certaines caractéristiques visuelles, telles que la fréquence spatiale, la direction et le contraste des réseaux mobiles 8,17. Au lieu de cela, les tests de sélectivité de l’OKR à ces caractéristiques visuelles peuvent bénéficier d’une stimulation visuelle informatisée, dans laquelle les caractéristiques visuelles peuvent être facilement modifiées d’un essai à l’autre. De cette façon, les chercheurs peuvent examiner systématiquement le comportement des OKR dans l’espace des paramètres visuels multidimensionnels. De plus, la deuxième méthode du test OKR ne rapporte que les seuils des paramètres visuels qui déclenchent des OKR discernables, mais pas les amplitudes des mouvements des yeux ou de la tête 6,14,15,16. Le manque de puissance quantitative empêche donc d’analyser la forme des courbes d’accord et les caractéristiques visuelles préférées, ou de détecter des différences subtiles entre les souris individuelles dans des conditions normales et pathologiques. Pour surmonter les limitations ci-dessus, la vidéo-oculographie et la stimulation visuelle virtuelle informatisée ont été combinées pour tester le comportement OKR dans des études récentes 5,17,18,19,20. Cependant, ces études publiées précédemment n’ont pas fourni suffisamment de détails techniques ou d’instructions étape par étape, et par conséquent, il est toujours difficile pour les chercheurs d’établir un tel test OKR pour leurs propres recherches.
Nous présentons ici un protocole permettant de quantifier précisément la sélectivité des caractéristiques visuelles du comportement OKR dans des conditions photopiques ou scotopiques avec la combinaison de la vidéo-oculographie et de la stimulation visuelle virtuelle informatisée. Les souris ont la tête fixe pour éviter les mouvements oculaires provoqués par la stimulation vestibulaire. Une caméra à haute vitesse est utilisée pour enregistrer les mouvements oculaires des souris qui observent des réseaux mobiles avec des paramètres visuels changeants. La taille physique des globes oculaires de chaque souris est calibrée pour assurer la précision de la dérivation de l’angle des mouvements oculaires21. Cette méthode quantitative permet de comparer le comportement des OKR entre des animaux d’âges ou de génétiques différents, ou de suivre son évolution causée par des traitements pharmacologiques ou l’apprentissage visuo-moteur.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode du test comportemental OKR présentée ici offre plusieurs avantages. Tout d’abord, la stimulation visuelle générée par ordinateur résout les problèmes intrinsèques de la batterie physique. Traitant du problème que les tambours physiques ne prennent pas en charge l’examen systématique de la fréquence spatiale, de la direction ou de l’accord de contraste8, le tambour virtuel permet de modifier ces paramètres visuels essai par essai, facilitant ainsi une analyse systémat…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous sommes reconnaissants à Yingtian He d’avoir partagé les données de réglage de la direction. Ces travaux ont été financés par des subventions de la Fondation canadienne pour l’innovation et du Fonds pour la recherche en Ontario (projet no 37597 de la FCI/FCO), du CRSNG (RGPIN-2019-06479), des IRSC (subvention Projet 437007) et des bourses Connaught pour nouveaux chercheurs.
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 |
Referencias
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