Die Verwendung von drohenden visuellen Stimuli zur Bewertung der Maus Vision
Summary
Um die Sicht der Maus zu untersuchen, haben wir einen sich abzeichnenden Test durchgeführt. Mäuse wurden in einer großen quadratischen Arena mit einem Monitor an der Decke aufgestellt. Der sich abzeichnende visuelle Reiz rief konsequent Gefrier-oder Flugreaktionen bei den Mäusen hervor.
Abstract
Das visuelle System im zentralen Nervensystem verarbeitet diverse visuelle Signale. Obwohl die Gesamtstruktur von der Netzhaut über den seitlichen geniculaten Kern bis zum visuellen Kortex charakterisiert wurde, ist das System komplex. Zelluläre und molekulare Studien wurden durchgeführt, um die Mechanismen zu beleuchten, die der visuellen Verarbeitung zugrunde liegen, und damit auch Krankheitsmechanismen. Diese Studien können zur Entwicklung künstlicher visueller Systeme beitragen. Um die Ergebnisse dieser Studien zu validieren, ist eine Verhaltensvision notwendig. Hier zeigen wir, dass das sich abzeichnende Stimulationsexperiment ein zuverlässiger Maus-Vision-Test ist, der eine relativ einfache Einrichtung erfordert. Das sich abzeichnende Experiment wurde in einem großen Gehege mit einem Unterstand in einer Ecke und einem Computermonitor an der Decke durchgeführt. Eine CCD-Kamera, die neben dem Computermonitor positioniert war, diente dazu, das Mausverhalten zu beobachten. Eine Maus wurde für 10 Minuten in das Gehege gelegt und durfte sich an die Umgebung angleichen und die Umgebung erkunden. Dann projizierte der Monitor einen programmabgeleiteten, sich abzeichnenden Reiz 10-mal. Die Maus reagierte auf die Reize entweder durch Einfrieren oder durch die Flucht in das Versteck. Das Verhalten der Maus vor und nach den sich abzeichnenden Reizen wurde aufgezeichnet und das Video mit Motion Tracking Software analysiert. Die Geschwindigkeit der Mausbewegung hat sich nach den sich abzeichnenden Reizen deutlich verändert. Bei blinden Mäusen wurde dagegen keine Reaktion beobachtet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das einfache, sich abzeichnende Experiment ein zuverlässiger Test für die Maussicht ist.
Introduction
Das visuelle System beginnt an der Netzhaut, wo visuelle Signale von Photorezeptoren erfasst, in bipolare Zellen (2.Ordnung Neuronen) geleitet werden, und schließlich an Ganglienzellen (3rd. Ordnung Neuronen) übergeben. Netzhaut 2nd-und 3rd-ordnen Neuronen werden angenommen, um mehrere neuronale Wege zu bilden, die bestimmte Aspekte der visuellen Signalgebung wie Farbe, Bewegung oder Form vermitteln. Diese vielfältigen visuellen Merkmale werden auf den seitlichen geniculaten Kern und den visuellen Kortex übertragen. Im Gegensatz dazu werden visuelle Signale, die zur Augenbewegung führen, an den überlegenen Colliculus gesendet. Klassischerweise wurden zwei retinokortische Wege identifiziert: Die magnozellulären und die parvamentulären Wege. Diese Wege kodieren bewegliche bzw. stationäre Objekte und ihre Existenz verkörpert das Grundkonzept der parallelen Verarbeitung1,2, 3, 4,5, 6. Platz Vor kurzem wurden mehr als 15 Arten von bipolaren Zellen7,8,9,10,11 und Ganglienzellen 12, 13,14 ,15,16 wurden in der Netzhaut vieler Arten gemeldet, darunter auch der Primaten Netzhaut. Diese Zellen unterscheiden sich nicht nur durch morphologische Aspekte, sondern auch durch den Ausdruck von verschiedenen Markern und Genen 8,10, 17,18,was darauf hindeutet, dass verschiedene Merkmale von Die visuellen Signale werden parallel verarbeitet, was komplizierter ist als ursprünglich angenommen.
Zelluläre und molekulare Technologien haben dazu beigetragen, dass wir die visuelle Verarbeitung und mögliche Krankheitsmechanismen verstehen, die sich aus aberwitziger visueller Verarbeitung ergeben können. Ein solches Verständnis kann zur Entwicklung künstlicher Augen beitragen. Obwohl zelluläre Untersuchungen und Analysen fundiertes Wissen auf zellulärer Ebene bieten, würde eine Kombination aus Verhaltensexperimenten und zellulären Experimenten unser aktuelles Verständnis von minutenlangen visuellen Prozessen deutlich erweitern. So hat Yoshida et al. 19 herausgefunden, dass Starburst-Amacrine-Zellen die Schlüsselneuronen für die Bewegungserkennung in der Maus-Netzhaut sind. Im Anschluss an zelluläre Experimente führten sie das optokinetische Nystagmus (OKN) Verhaltensexperiment durch, um zu zeigen, dass mutierte Mäuse, bei denen starburse Amacrine-Zellen dysfunktional waren, nicht auf bewegte Objekte reagierten und damit ihre zelluläre Bestätigung für ihre zelluläre Untersuchungen. Darüber hinaus führte Pearson et al. 20 eine Photorezeptor-Transplantation in der Maus-Netzhaut durch, um das Sehvermögen bei erkrankten Mäusen wiederherzustellen. Sie führten nicht nur zelluläre Experimente durch, sondern vermessenten auch das Mäuseverhalten durch den Einsatz von Otomotoren-Antwortaufnahmen und Wasserlabyrinth-Aufgaben, so dass Pearson et al. zu überprüfen war, ob transplantierte Photorezeptoren das Sehvermögen in der ehemals blinden Mäuse. Zusammengenommen sind Verhaltensexperimente starke Werkzeuge, um die Sicht der Maus zu beurteilen.
Für die Messung der Maussicht stehen mehrere Methoden zur Verfügung. Diese Methoden haben Vorteile und Grenzen. In vivo gibt ERG Auskunft darüber, ob die Maus-Netzhaut, insbesondere Photorezeptoren und auf bipolaren Zellen, angemessen auf Lichtreize reagiert. ERG kann entweder unter scotopic oder photopischen Bedingungen 21,22getestet werden. ERG benötigt jedoch eine Anästhesie, die die Ausgangsmessung23beeinflussen kann. Der optokinetische Reflex (OKR) oder die optomotorische Reaktion (OMR) ist eine robuste Methode, um Kontrastempfindlichkeit und räumliche Auflösung zu beurteilen, beides funktionale Komponenten der Maussicht. OKR benötigt jedoch eine Operation, um ein Fixierungsgerät am Mausschädel24 anzubringen. OMR erfordert weder eine Operation noch ein Maustraining; Es erfordert jedoch eine Ausbildung, damit ein Experimentator subtile Mauskopfbewegungen subjektiv erkennt, als Reaktion auf ein bewegliches Gitter in einer optischen Trommel25,26. Schülerreflexe misst die Verengung der Schüler als Reaktion auf die Lichtreize, die keine Anästhesie erfordern und objektive und robuste Reaktionen zeigen . Obwohl der Pupillenreflex die Netzhautlichtreaktion in vivo simuliert, wird der Reflex vor allem durch die intrinsisch lichtempfindlichen Netzhautganglionzellen ( ipRGCs) 27 vermittelt. Da ipRGCs eine kleine Minderheit von RGCs darstellen und nicht als konventionelle bildbildende Ganglienzellen dienen, liefert diese Messung keine Informationen über die Mehrheit der Ganglienzellen.
Das sich abzeichnende Lichtexperiment galt bisher nicht als wichtiger Test zur Messung der Maussicht. Es handelt sich aber auch um einen robusten und zuverlässigen Sehtest über verschiedene Arten, wie zum Beispiel Maus28,29, Zebrafisch30, Heuschrecken 31,32und menschliche33, 34, 35. Wichtig ist, dass das sich abzeichnende Experimenteinevon nur wenigen Methoden ist, um den bildbildenden Weg zu testen-es ist kein Reflexpfad-, da die visuellen und die limbischen Systeme im zentralen Nervensystem an diesem Kreislauf beteiligt sind 36, 37,38. Wir haben ein sich abzeichnendes visuelles Stimulussystem etabliert und seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, die Bewegungserkennung in der Maus zu entlocken, die wir als Proxy verwenden, um die Unversehrtheit des visuellen Maussystems zu beurteilen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mit dem sich abzeichnenden visuellen Reizsystem mehrheitlich (97%) Gesunde Augenmäuse zeigten Fluchtreaktion. Einer von 29 Mäusen zeigte keine offensichtliche Fluchtreaktion. Die Maus ging jedoch in Richtung der Kuppel und blieb in ihrer Nähe, bis die sich abzeichnende verschwand, was darauf hindeutet, dass die Maus zumindest vorsichtig war, als die sich abzeichnenden Reize auftraten. Daher lösten die sich abzeichnenden Reize bei gesunden Mäusen immer wieder angeborene Angstreaktionen aus. Auf der anderen Seite zeig…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt von NIH R01 EY028915 (TI) und RPB-Zuschüssen.
Materials
| 10.1" monitor (2° display) | Elecrow | Elecrow 10.1 Inch Raspberry Pi 1920x1080p Resolution Display | |
| 14" Business Class Laptop 5490 | Dell | 84 / rcrc961481-4860836 | |
| 20" x 50" Absorbant Liners | Fisher Scientific | AL2050 | works well to protect floor of arena, could use any type of liner |
| 21.5" monitor (1° display) | Acer | Acer R221Q bid 21.5-inch IPS Full HD Display | |
| CCD Camera | Lumenera Corporation | Infiniyy3S-1UR | excellent for behavioral studies due to high fps rate (60 fps) |
| Enclosure (alminum frames and PVC panels) | 80/20 Inc. | 4x cat.#9010, 4x cat.#9005, 1x cat.#9000, 5x cat.#65-2616 | excellent, used quick build tab to find PVC, joints, and frame |
| Ethanol | Fisher Scientific | 22-032-601 | |
| Excel Spreadsheet Software | Microsoft Office | user friendly and widespread knowledge of Microsoft Office software | |
| Freearm | Amazon | used to mount camera to the table, could use any mountable extendable arm | |
| ImagePro Premiere 3D | Media Cybernetics | version 9.3 | good program, could use some updating with the automated tracking feature |
| Matlab software (Psychotoolbox 3) | MathWorks | Matlab R2018b 64-bit (9.5.0.944444) | excellent software to generate pattern stimuli of any conditions |
| SteamPix sorftware | Norpix | StreamPix 7 64-bit Single Camera | works well, a few problems with frame dropping but good customer service |
| WD My Book External Hard Drive | Western Digital | WDBBGB0080HBK hard drive 8 TB USB 3.0 | necessary if using .avi files with no compression codec due to large size of files |
| Wide angle lens | Navitar | NMV-5M23 | excellent and necessary to capture entire arena |
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