Kvantifiering av visuell egenskapsselektivitet hos den optokinetiska reflexen hos möss
Summary
Här beskriver vi ett standardprotokoll för att kvantifiera den optokinetiska reflexen. Den kombinerar virtuell trumstimulering och videookukulografi och möjliggör därmed en exakt utvärdering av beteendets funktionsselektivitet och dess adaptiva plasticitet.
Abstract
Den optokinetiska reflexen (OKR) är en essentiell medfödd ögonrörelse som utlöses av den visuella miljöns globala rörelse och tjänar till att stabilisera näthinnebilder. På grund av dess betydelse och robusthet har OKR använts för att studera visuell-motorisk inlärning och för att utvärdera de visuella funktionerna hos möss med olika genetisk bakgrund, ålder och läkemedelsbehandling. Här introducerar vi en procedur för att utvärdera OKR-svar från huvudfixerade möss med hög noggrannhet. Huvudfixering kan utesluta bidraget av vestibulär stimulering på ögonrörelser, vilket gör det möjligt att mäta ögonrörelser som endast utlöses av visuell rörelse. OKR framkallas av ett virtuellt trumsystem, där ett vertikalt gitter som presenteras på tre datorskärmar driver horisontellt på ett oscillerande sätt eller enkelriktat med en konstant hastighet. Med detta virtual reality-system kan vi systematiskt ändra visuella parametrar som rumslig frekvens, tids-/svängningsfrekvens, kontrast, luminans och gitterriktning, och kvantifiera inställningskurvor för visuell funktionsselektivitet. Höghastighets infraröd videookuskopografi säkerställer noggrann mätning av ögonrörelsernas bana. Ögonen på enskilda möss kalibreras för att ge möjlighet att jämföra OKR mellan djur i olika åldrar, kön och genetisk bakgrund. Den kvantitativa kraften i denna teknik gör det möjligt att upptäcka förändringar i OKR när detta beteende anpassas plastiskt på grund av åldrande, sensorisk upplevelse eller motorisk inlärning; Således gör det denna teknik till ett värdefullt tillskott till repertoaren av verktyg som används för att undersöka plasticiteten hos okulära beteenden.
Introduction
Som svar på visuella stimuli i omgivningen rör sig våra ögon för att flytta blicken, stabilisera näthinnebilder, spåra rörliga mål eller rikta in foveae på två ögon med mål som ligger på olika avstånd från observatören, vilket är avgörande för korrekt syn 1,2. Okulomotoriska beteenden har använts i stor utsträckning som attraktiva modeller för sensomotorisk integration för att förstå de neurala kretsarna i hälsa och sjukdom, åtminstone delvis på grund av enkelheten i det okulomotoriska systemet3. Ögat styrs av tre par extraokulära muskler och roterar i ögonhålan huvudsakligen runt tre motsvarande axlar: höjd och nedsänkning längs den tvärgående axeln, adduktion och abduktion längs den vertikala axeln samt intorsion och utpressning längs den anteroposteriora axeln 1,2. Ett sådant enkelt system gör det möjligt för forskare att utvärdera mössens okulomotoriska beteenden enkelt och exakt i en labbmiljö.
Ett primärt okulomotoriskt beteende är den optokinetiska reflexen (OKR). Denna ofrivilliga ögonrörelse utlöses av långsamma glidningar eller glidningar av bilder på näthinnan och tjänar till att stabilisera näthinnebilder när ett djurs huvud eller dess omgivning rör sig 2,4. OKR, som beteendeparadigm, är intressant för forskare av flera skäl. För det första kan den stimuleras på ett tillförlitligt sätt och kvantifieras exakt 5,6. För det andra är procedurerna för att kvantifiera detta beteende relativt enkla och standardiserade och kan tillämpas för att utvärdera de visuella funktionerna hos en stor kohort av djur7. För det tredje är detta medfödda beteende mycket plastiskt 5,8,9. Dess amplitud kan förstärkas när repetitiva näthinneglidningar förekommer under lång tid 5,8,9, eller när dess arbetspartner vestibulära okulära reflex (VOR), en annan mekanism för att stabilisera näthinnebilder som utlöses av vestibulär ingång2, är nedsatt5. Dessa experimentella paradigm för OKR-potentiering gör det möjligt för forskare att avslöja kretsbasen bakom okulomotorisk inlärning.
Två icke-invasiva metoder har främst använts för att utvärdera OKR i tidigare studier: (1) video-okugrafi kombinerat med en fysisk trumma 7,10,11,12,13 eller (2) godtycklig bestämning av huvudvridningar i kombination med en virtuell trumma6,14,15,16. Även om deras tillämpningar har gjort fruktbara upptäckter för att förstå de molekylära och kretsmekanismerna för okulomotorisk plasticitet, har dessa två metoder var och en vissa nackdelar som begränsar deras förmåga att kvantitativt undersöka OKR:s egenskaper. För det första tillåter fysiska trummor, med tryckta mönster av svarta och vita ränder eller prickar, inte enkla och snabba ändringar av visuella mönster, vilket till stor del begränsar mätningen av OKR:s beroende av vissa visuella egenskaper, såsom rumslig frekvens, riktning och kontrast för rörliga galler 8,17. Istället kan tester av OKR:s selektivitet till dessa visuella egenskaper dra nytta av datoriserad visuell stimulering, där visuella egenskaper bekvämt kan modifieras från försök till försök. På så sätt kan forskare systematiskt undersöka OKR-beteendet i det flerdimensionella visuella parameterrummet. Dessutom rapporterar den andra metoden för OKR-analysen endast tröskelvärdena för visuella parametrar som utlöser urskiljbara OKR, men inte amplituderna för ögon- eller huvudrörelser 6,14,15,16. Bristen på kvantitativ kraft förhindrar således att man analyserar formen på inställningskurvor och de föredragna visuella egenskaperna, eller upptäcker subtila skillnader mellan enskilda möss under normala och patologiska förhållanden. För att övervinna ovanstående begränsningar hade videookugrafi och datoriserad virtuell visuell stimulering kombinerats för att analysera OKR-beteendet i nyligen genomförda studier 5,17,18,19,20. Dessa tidigare publicerade studier gav dock inte tillräckligt med tekniska detaljer eller steg-för-steg-instruktioner, och följaktligen är det fortfarande utmanande för forskare att etablera ett sådant OKR-test för sin egen forskning.
Här presenterar vi ett protokoll för att exakt kvantifiera den visuella egenskapsselektiviteten hos OKR-beteende under fotopiska eller skotopiska förhållanden med kombinationen av video-okugrafi och datoriserad virtuell visuell stimulering. Möss är huvudfixerade för att undvika ögonrörelser som framkallas av vestibulär stimulering. En höghastighetskamera används för att spela in ögonrörelserna från möss som tittar på rörliga galler med förändrade visuella parametrar. Den fysiska storleken på ögongloberna hos enskilda möss kalibreras för att säkerställa noggrannheten i härledningen av ögonrörelsernas vinkel21. Denna kvantitativa metod gör det möjligt att jämföra OKR-beteende mellan djur i olika åldrar eller genetisk bakgrund, eller övervaka dess förändring orsakad av farmakologiska behandlingar eller visuell-motorisk inlärning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden för OKR-beteendeanalysen som presenteras här ger flera fördelar. För det första löser datorgenererad visuell stimulering de inneboende problemen med fysiska trummor. För att hantera problemet att fysiska trummor inte stöder systematisk undersökning av rumslig frekvens, riktning eller kontrastinställning8, tillåter den virtuella trumman att dessa visuella parametrar ändras på försöksbasis, vilket underlättar en systematisk och kvantitativ analys av egenskapsselektiviteten i …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi är tacksamma mot Yingtian He för att han delar med sig av data om riktningsinställning. Detta arbete stöddes av anslag från Canadian Foundation of Innovation och Ontario Research Fund (CFI/ORF project no. 37597), NSERC (RGPIN-2019-06479), CIHR (Project Grant 437007) och Connaught New Researcher Awards.
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).
