Beteendemässig bedömning av visuell funktion via optomotorisk respons och kognitiv funktion via Y-Maze hos diabetiker råttor
Summary
Neural degeneration i både ögon och hjärna till följd av diabetes kan observeras genom beteendetester som utförs på gnagare. Y-labyrinten, ett mått på rumslig kognition, och optomotorsvaret, ett mått på visuell funktion, ger båda insikt i potentiella diagnoser och behandlingar.
Abstract
Det optomotoriska svaret och Y-labyrinten är beteendetester som är användbara för att bedöma visuell respektive kognitiv funktion. Det optomotoriska svaret är ett värdefullt verktyg för att spåra förändringar i rumslig frekvens (SF) och kontrastkänslighet (CS) trösklar över tid i ett antal näthinnesjukdom modeller, inklusive diabetiker retinopati. På samma sätt kan Y-labyrinten användas för att övervaka rumslig kognition (mätt med spontan växling) och undersökande beteende (mätt med ett antal poster) i ett antal sjukdomsmodeller som påverkar centrala nervsystemet. Fördelarna med optomotorsvaret och Y-labyrinten inkluderar känslighet, testhastighet, användning av medfödda svar (träning behövs inte) och förmågan att utföras på vakna (icke-bedövade) djur. Här beskrivs protokoll för både optomotorsvaret och Y-labyrinten och exempel på deras användning som visas i modeller av typ I- och typ II-diabetes. Metoder inkluderar beredning av gnagare och utrustning, prestanda av optomotorsvaret och Y-labyrinten och dataanalys efter testet.
Introduction
Över 463 miljoner människor lever med diabetes, vilket gör det till en av de största globala sjukdomsepidemierna1. En av de allvarliga komplikationer som uppstår från diabetes är diabetiker retinopati (DR), en ledande orsak till blindhet för amerikanska vuxna i arbetsför ålder2. Under de kommande 30 åren beräknas andelen av befolkningen i riskzonen för DR fördubblas, så det är viktigt att hitta nya sätt att diagnostisera DR i dess tidigare skeden för att förhindra och mildra DR-utveckling3. DR har konventionellt ansetts vara en kärlsjukdom4,5,6. Men nu med bevis på neuronal dysfunktion och apoptos i näthinnan som föregår vaskulär patologi, definieras DR att ha neuronala och vaskulär komponenter4,5,6,7,8,9. Ett sätt att diagnostisera DR skulle vara att undersöka neurala avvikelser i näthinnan, en vävnad som kan vara mer sårbar för oxidativ stress och metabolisk stam från diabetes än annan neural vävnad10.
Nedgångar i kognitiv och motorisk funktion förekommer också med diabetes och är ofta korrelerade med retinala förändringar. Äldre individer med typ II-diabetes skildrar sämre kognitiva baslinjeprestanda och visar mer förvärrad kognitiv nedgång än kontrolldeltagare11. Dessutom har näthinnan etablerats som en förlängning av centrala nervsystemet och patologier kan manifesteras i näthinnan12. Kliniskt har förhållandet mellan näthinna och hjärna studerats i samband med Alzheimers och andra sjukdomar men är inte vanligt utforskat med diabetes12,13,14,15,16. Förändringar i hjärnan och näthinnan under progressionen av diabetes kan utforskas med hjälp av djurmodeller, inklusive STZ-råttan (en modell av typ I-diabetes där toxinet, streptozotocin eller STZ, används för att skada betaceller i bukspottskörteln) och Goto-Kakizaki-råttan (en polygen modell av typ II-diabetes där djur utvecklar hyperglykemi spontant vid cirka 3 veckors ålder). I detta protokoll ges en beskrivning av Y-labyrinten och det optomotoriska svaret för att bedöma kognitiva respektive visuella förändringar hos diabetiker gnagare. Det optomotoriska svaret (OMR) bedömer rumslig frekvens (liknar synskärpa) och kontrastkänslighet genom att övervaka karakteristiska reflexiva huvudspårningsrörelser för att mäta visuella tröskelvärden för varje öga17. Rumslig frekvens avser staplarnas tjocklek eller finhet, och kontrastkänslighet avser hur mycket kontrast det finns mellan staplarna och bakgrunden (figur 1E). Under tiden testar Y-labyrinten korttidsminne och undersökande funktion, observerad genom spontana växlingar och poster genom labyrintens armar.
Båda testerna kan utföras i vakna, icke-sövda djur och har fördelen att dra nytta av medfödda svar från djuren, vilket innebär att de inte kräver träning. Båda är relativt känsliga, genom att de kan användas för att upptäcka underskott tidigt i utvecklingen av diabetes hos gnagare, och tillförlitliga, genom att de producerar resultat som korrelerar med andra visuella, näthinne eller beteendemässiga tester. Dessutom kan användning av OMR och Y-labyrinten i samband med tester som elektroretinogram och optisk koherenstomografi skanningar ge information om när näthinne, strukturella och kognitiva förändringar utvecklas i förhållande till varandra i sjukdomsmodeller. Dessa undersökningar kan vara användbara för att identifiera neurala degenerationer som uppstår på grund av diabetes. I slutändan kan detta leda till nya diagnostiska metoder som effektivt identifierar DR i tidiga stadier av progression.
OMR och de Y-labyrintsystem som används för att utveckla detta protokoll beskrivs i materialförteckningen. Tidigare forskning om OMR, av Prusky et al.18, och Y-labyrinten, av Maurice et al.19, användes som utgångspunkt för att utveckla detta protokoll.
Protocol
Representative Results
Discussion
OMR och Y-labyrinten möjliggör icke-invasiv bedömning av visuell funktion och kognitiva funktionsunderskott hos gnagare över tid. I detta protokoll visades OMR och Y-labyrinten att spåra visuella och kognitiva underskott i gnagare modeller av diabetes.
Kritiska steg i protokollet
The OMR
Några viktiga punkter att tänka på när man utför OMR för att bedöma visuell funktion är de testparametrar som används, exp…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Department of Veterans Affairs Rehab R&D Service Career Development Awards (CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928) till RSA och (CDA-2, RX002342) till AJF och National Institutes of Health (NIH-NICHD F31 HD097918 till DACT och NIH-NIEHS T32 ES012870 till DACT) och NEI Core Grant P30EY006360.
Materials
| OptoMotry HD | CerebralMechanics Inc. | OMR apparatus & software | |
| Timer | Thomas Scientific | 810029AR | |
| Y-Maze apparatus | San Diego Instruments | 7001-043 | Available specifically for rats |
Riferimenti
- . International Diabetes Federation Diabetes Atlas, 9th edn Available from: https://diabetesatlas.org/upload/resources/material/20200302_133351_IDFATLAfinal-web.pdf (2019)
- Wang, W., Lo, A. C. Y. Diabetic retinopathy: pathophysiology and treatments. International Journal of Molecular Sciences. 19 (6), (2018).
- Akpek, E. K., Smith, R. A. Overview of age-related ocular conditions. The American Journal of Managed Care. 19 (5), 67-75 (2013).
- Urano, F. Wolfram syndrome: diagnosis, management, and treatment. Current Diabetes Reports. 16 (1), 6 (2016).
- Adeva-Andany, M. M., Funcasta-Calderón, R., Fernández-Fernández, C., Ameneiros-Rodríguez, E., Domínguez-Montero, A. Subclinical vascular disease in patients with diabetes is associated with insulin resistance. Diabetes & Metabolic Syndrome: Clinical Research & Reviews. 13 (3), 2198-2206 (2019).
- Chin, J. A., Sumpio, B. E. Diabetes mellitus and peripheral vascular disease: diagnosis and management. Clinics in Podiatric Medicine and Surgery. 31 (1), 11-26 (2014).
- Barber, A. J., Gardner, T. W., Abcouwer, S. F. The significance of vascular and neural apoptosis to the pathology of diabetic retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (2), 1156-1163 (2011).
- Pardue, M. T., Allen, R. S. Neuroprotective strategies for retinal disease. Progress in Retinal and Eye Research. 65, 50-76 (2018).
- Aung, M. H., Kim, M. K., Olson, D. E., Thule, P. M., Pardue, M. T. Early visual deficits in streptozotocin-induced diabetic long evans rats. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (2), 1370-1377 (2013).
- Antonetti, D. A., et al. Diabetic retinopathy: seeing beyond glucose-induced microvascular disease. Diabetes. 55 (9), 2401-2411 (2006).
- Logroscino, G., Kang, J. H., Grodstein, F. Prospective study of type 2 diabetes and cognitive decline in women aged 70-81 years. BMJ. 328 (7439), 548 (2004).
- London, A., Benhar, I., Schwartz, M. The retina as a window to the brain-from eye research to CNS disorders. Nature Reviews Neurology. 9 (1), 44-53 (2013).
- Archibald, N. K., Clarke, M. P., Mosimann, U. P., Burn, D. J. The retina in Parkinson’s disease. Brain. 132 (5), 1128-1145 (2009).
- Sakai, R. E., Feller, D. J., Galetta, K. M., Galetta, S. L., Balcer, L. J. Vision in multiple sclerosis: the story, structure-function correlations, and models for neuroprotection. Journal of Neuroophthalmology. 31 (4), 362-373 (2011).
- Wong, T. Y., et al. Retinal microvascular abnormalities and incident stroke: the Atherosclerosis Risk in Communities Study. The Lancet. 358 (9288), 1134-1140 (2001).
- Marquié, M., et al. Association between retinal thickness and β-amyloid brain accumulation in individuals with subjective cognitive decline: Fundació ACE Healthy Brain Initiative. Alzheimer’s Research & Therapy. 12 (1), 37 (2020).
- 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).
- 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 & Vision Science. 45 (12), 4611-4616 (2004).
- Maurice, T., et al. Behavioral evidence for a modulating role of σ ligands in memory processes. I. Attenuation of dizocilpine (MK-801)-induced amnesia. Brain Research. 647 (1), 44-56 (1994).
- Douglas, R. M., et al. Independent visual threshold measurements in the two eyes of freely moving rats and mice using a virtual-reality optokinetic system. Visual Neuroscience. 22 (5), 677-684 (2005).
- Feola, A. J., et al. Menopause exacerbates visual dysfunction in experimental glaucoma. Experimental Eye Research. 186, 107706 (2019).
- Allen, R. S., et al. TrkB signalling pathway mediates the protective effects of exercise in the diabetic rat retina. European Journal of Neuroscience. 47 (10), 1254-1265 (2018).
- Allen, R. S., et al. Retinal deficits precede cognitive and motor deficits in a rat model of type II diabetes. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 60 (1), 123-133 (2019).
- Prusky, G. T., Harker, K. T., Douglas, R. M., Whishaw, I. Q. Variation in visual acuity within pigmented, and between pigmented and albino rat strains. Behavioural Brain Research. 136 (2), 339-348 (2002).
- Hwang, C. K., et al. Circadian rhythm of contrast sensitivity is regulated by a dopamine-neuronal PAS-domain protein 2-adenylyl cyclase 1 signaling pathway in retinal ganglion cells. Journal of Neuroscience. 33 (38), 14989-14997 (2013).
- Mui, A. M., et al. Daily visual stimulation in the critical period enhances multiple aspects of vision through BDNF-mediated pathways in the mouse retina. PLoS One. 13 (2), 0192435 (2018).
- Feola, A. J., et al. Menopause exacerbates visual dysfunction in experimental glaucoma. Experimental Eye Research. 186, 107706 (2019).
- Allen, R. S., et al. Long-term functional and structural consequences of primary blast overpressure to the eye. Journal of Neurotrauma. 35 (17), 2104-2116 (2018).
- Maaswinkel, H., Li, L. Spatio-temporal frequency characteristics of the optomotor response in zebrafish. Vision Research. 43 (1), 21-30 (2003).
- Benkner, B., Mutter, M., Ecke, G., Münch, T. A. Characterizing visual performance in mice: an objective and automated system based on the optokinetic reflex. Behavioral Neuroscience. 127 (5), 788-796 (2013).
- Lehmann, K., Schmidt, K. F., Löwel, S. Vision and visual plasticity in ageing mice. Restorative Neurology and Neuroscience. 30, 161-178 (2012).
- Leinonen, H., Tanila, H. Vision in laboratory rodents-tools to measure it and implications for behavioral research. Behavioral Brain Research. 352, 172-182 (2018).
- Spielmann, M., Schröger, E., Kotz, S. A., Pechmann, T., Bendixen, A. Using a staircase procedure for the objective measurement of auditory stream integration and segregation thresholds. Frontiers in Psychology. 4, 534 (2013).
- Shi, C., et al. Optimization of optomotor response-based visual function assessment in mice. Scientific Reports. 8 (1), 9708 (2018).
- You, M., Yamane, T., Tomita, H., Sugano, E., Akashi, T. A novel rat head gaze determination system based on optomotor responses. PLoS One. 12 (4), 0176633 (2017).
- Whyte, A. J., et al. Reward-related expectations trigger dendritic spine plasticity in the mouse ventrolateral orbitofrontal cortex. The Journal of Neuroscience. 39 (23), 4595-4605 (2019).
