Summary

القياس الكمي لانتقائية الميزة البصرية لمنعكس الحركة البصرية في الفئران

Published: June 23, 2023
doi:

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.

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 ?…

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 …

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 الافتر…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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

  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. , 65-83 (2011).
  3. Sereno, A. B., Bolding, M. S. . Executive Functions: Eye Movements and Human Neurological Disorders. , (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).

Play Video

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

View Video