Atferdsvurdering av visuell funksjon via optomotorisk respons og kognitiv funksjon via Y-labyrint hos diabetikerrotter

Summary

Nevral degenerasjon i både øyne og hjerne som følge av diabetes kan observeres gjennom atferdstester utført på gnagere. Y-labyrinten, et mål på romlig kognisjon, og den optomotoriske responsen, et mål på visuell funksjon, gir begge innsikt i potensielle diagnoser og behandlinger.

Abstract

Den optomotoriske responsen og Y-labyrinten er atferdstester som er nyttige for å vurdere henholdsvis visuell og kognitiv funksjon. Den optomotoriske responsen er et verdifullt verktøy for å spore endringer i spatial frekvens (SF) og kontrastfølsomhet (CS) terskler over tid i en rekke retinal sykdomsmodeller, inkludert diabetisk retinopati. På samme måte kan Y-labyrinten brukes til å overvåke romlig kognisjon (målt ved spontan veksling) og utforskende oppførsel (målt ved en rekke oppføringer) i en rekke sykdomsmodeller som påvirker sentralnervesystemet. Fordeler med den optomotoriske responsen og Y-labyrinten inkluderer følsomhet, testhastighet, bruk av medfødte svar (trening er ikke nødvendig), og evnen til å bli utført på våken (ikke-bedøvet) dyr. Her er protokoller beskrevet for både optomotorisk respons og Y-labyrinten og eksempler på deres bruk vist i modeller av type I og type II diabetes. Metoder inkluderer forberedelse av gnagere og utstyr, ytelse av optomotorisk respons og Y-labyrinten, og dataanalyse etter test.

Introduction

Over 463 millioner mennesker lever med diabetes, noe som gjør det til en av de største globale sykdomsepidemiene1. En av de alvorlige komplikasjonene som oppstår fra diabetes er diabetisk retinopati (DR), en ledende årsak til blindhet for amerikanske voksne ^{i arbeidsalder2}. I løpet av de neste 30 årene anslås prosentandelen av befolkningen som er i fare for DR å doble seg, så det er avgjørende å finne nye måter å diagnostisere DR på i sine tidligere stadier for å forhindre og redusere ^{DR-utvikling3}. DR har konvensjonelt blitt antatt å være en vaskulær ^sykdom4,5,6. Men nå med bevis på nevronal dysfunksjon og apoptose i netthinnen som går foran vaskulær patologi, er DR definert til å ha nevronale og vaskulære komponenter4,5,6,7,8,9. En måte å diagnostisere DR på ville være å undersøke nevrale abnormiteter i netthinnen, et vev som kan være mer sårbart for oksidativt stress og metabolsk belastning fra diabetes enn annet nevralt ^vev10.

Nedgang i kognitiv og motorisk funksjon forekommer også med diabetes og er ofte korrelert med retinal endringer. Eldre personer med type II diabetes skildrer dårligere baseline kognitiv ytelse og viser mer forverret kognitiv nedgang enn ^{kontrolldeltakere11}. I tillegg har netthinnen blitt etablert som en forlengelse av sentralnervesystemet, og patologier kan manifestere seg i ^netthinnen12. Klinisk har forholdet mellom netthinne og hjerne blitt studert i sammenheng med Alzheimers og andre sykdommer, men er ikke ofte utforsket med diabetes12,13,14,15,16. Endringer i hjernen og netthinnen under progresjonen av diabetes kan utforskes ved hjelp av dyremodeller, inkludert STZ-rotten (en modell av type I diabetes der toksin, streptozotocin eller STZ brukes til å skade bukspyttkjertel betaceller) og Goto-Kakizaki-rotten (en polygen modell av type II diabetes der dyr utvikler hyperglykemi spontant ved rundt 3 ukers alder). I denne protokollen er det gitt en beskrivelse av Y-labyrinten og den optomotoriske responsen for å vurdere kognitive og visuelle endringer i henholdsvis diabetiske gnagere. Den optomotoriske responsen (OMR) vurderer romlig frekvens (ligner synsskarphet) og kontrastfølsomhet ved å overvåke karakteristiske refleksive hodesporingsbevegelser for å måle visuelle terskler for hvert ^øye17. Romlig frekvens refererer til tykkelsen eller finheten på stolpene, og kontrastfølsomhet refererer til hvor mye kontrast det er mellom stolpene og bakgrunnen (figur 1E). I mellomtiden tester Y-labyrinten kortsiktig romlig minne og utforskende funksjon, observert gjennom spontane vekslinger og oppføringer gjennom labyrintens armer.

Begge testene kan utføres hos våken, ikke-bedøvede dyr og har fordelen av å utnytte medfødte respons fra dyrene, noe som betyr at de ikke krever trening. Begge er relativt følsomme, ved at de kan brukes til å oppdage underskudd tidlig i utviklingen av diabetes hos gnagere, og pålitelig, ved at de produserer resultater som korrelerer med andre visuelle, netthinne- eller atferdstester. I tillegg kan bruk av OMR og Y-labyrinten i forbindelse med tester som elektroretinogram og optisk koherenstomografiskanning gi informasjon om når netthinne-, strukturelle og kognitive endringer utvikler seg i forhold til hverandre i sykdomsmodeller. Disse undersøkelsene kan være nyttige for å identifisere nevrale degenerasjoner som oppstår på grunn av diabetes. Til syvende og sist kan dette føre til nye diagnostiske metoder som effektivt identifiserer DR i tidlige stadier av progresjon.

OMR- og Y-labyrintsystemene som brukes til å utvikle denne protokollen, er beskrevet i materialfortegnelsen. Tidligere forskning på OMR, av Prusky et ^al.18, og Y-labyrinten, av Maurice et ^al.19, ble brukt som utgangspunkt for å utvikle denne protokollen.

Protocol

Alle prosedyrer ble godkjent av Atlanta Veterans Affairs Institutional Animal Care and Use Committee og i samsvar med National Institutes of Health guide for pleie og bruk av laboratoriedyr (NIH Publications, 8. utgave, oppdatert 2011). 1. Den optomotoriske responsen (OMR) Sett opp OMR-apparatet (detaljer om apparater og programvare i Materialfortegnelser) Velg riktig plattform for gnageren: mus, rotte eller stor/svekket rotte (<strong class="xfi…

Representative Results

OMR anses å være vellykket hvis romlig frekvens og kontrastfølsomhetsterskler kan fås fra en gnager. Her illustreres bruken av OMR for å vurdere romlig frekvens i naiv kontroll Brown-Norway og Long-Evans rotter, både unge (3-6 måneder) og i alderen (9-12 måneder). Brun-Norge rotter viser vanligvis en høyere baseline romlig frekvens enn Long-Evans rotter. I tillegg ble det observert en aldrende effekt på romlig frekvens hos Long-Evans rotter (figur 3A). Data ble analysert ved hjelp …

Discussion

OMR og Y-labyrinten tillater ikke-invasiv vurdering av visuell funksjon og kognitive funksjonsunderskudd hos gnagere over tid. I denne protokollen ble OMR og Y-labyrinten demonstrert for å spore visuelle og kognitive underskudd i gnagermodeller av diabetes.

Kritiske trinn i protokollen

The OMR

Noen viktige punkter å vurdere når du utfører OMR for å vurdere visuell funksjon er testparametrene som brukes, eksperimentel…

Materials

OptoMotry HD	CerebralMechanics Inc.		OMR apparatus & software
Timer	Thomas Scientific	810029AR
Y-Maze apparatus	San Diego Instruments	7001-043	Available specifically for rats