Bruke truende visuelle stimuli å evaluere Mouse Vision
Summary
For å undersøke musen visjon, gjennomførte vi en truende test. Mus ble plassert i en stor firkantet arena med en skjerm på taket. Den truende visuelle stimulans konsekvent fremkalt frysing eller fly reaksjoner i mus.
Abstract
Det visuelle systemet i det sentrale nervesystemet behandler ulike visuelle signaler. Selv om den overordnede strukturen har blitt karakterisert fra netthinnen gjennom lateral geniculate kjernen til den visuelle cortex, systemet er kompleks. Cellulære og molekylære studier har blitt utført for å belyse mekanismene som underbygger visuell prosessering og, i forlengelsen av, sykdoms mekanismer. Disse studiene kan bidra til utvikling av kunstige visuelle systemer. For å validere resultatene av disse studiene er atferds visjons testing nødvendig. Her viser vi at den truende stimulering eksperimentet er en pålitelig mus visjonstest som krever et relativt enkelt oppsett. Den truende eksperimentet ble gjennomført i et stort kabinett med en ly i ett hjørne og en dataskjerm plassert på taket. En CCD kameraet oppstilt nærmest computeren dataskjerm betjent å observere musen opptreden. En mus ble plassert i kabinettet i 10 minutter og lov til å acclimate til og utforske omgivelsene. Deretter skjermen projisert et program-avledet truende stimulans 10 ganger. Musen reagerte på stimuli enten ved frysing eller ved å flykte til gjemmested. Musa atferd før og etter den truende stimuli ble registrert, og videoen ble analysert ved hjelp av Motion Tracking-programvare. Hastigheten på musen bevegelsen betydelig endret etter truende stimuli. I kontrast ble ingen reaksjon observert hos blinde mus. Våre resultater viser at det enkle truende eksperimentet er en pålitelig test av mus synet.
Introduction
Det visuelle systemet starter på netthinnen, der visuelle signaler fanges opp av fotoreseptorene, ledet til bipolare celler (2nd-Order neurons), og til slutt gikk til Ganglion celler (3Rd-Order neurons). Retinal 2nd-og 3Rd-Order neurons antas å danne flere nevrale trasé som formidler bestemte aspekter av visuelle signalering som farge, bevegelse, eller form. Disse ulike visuelle funksjoner er videresendt til lateral geniculate kjernen og den visuelle cortex. I kontrast blir visuelle signaler som fører til øyebevegelse, sendt til den overlegne colliculus. Klassisk, to retino-kortikale trasé har blitt identifisert: den magnocellular og parvocellular trasé. Disse banene kodes bevegelige og stasjonære objekter, henholdsvis, og deres eksistens uttrykker det grunnleggende begrepet parallell prosessering1,2,3,4,5, 6i den. Nylig, mer enn 15 typer bipolar celler7,8,9,10,11 og Ganglion celler12,13,14 ,15,16 har blitt rapportert i netthinnen av mange arter, inkludert primater Retina. Disse cellene skilles ikke bare av morfologiske aspekter, men også av uttrykk for distinkte markører og gener8,10,17,18, noe som tyder på at ulike funksjoner i visuelle signalene behandles parallelt, noe som er mer komplisert enn det som opprinnelig var forventet.
Cellulære og molekylære teknologier har bidratt til vår forståelse av visuell prosessering og potensielle sykdoms mekanismer som kan oppstå fra avvikende visuell behandling. En slik forståelse kan bidra til utvikling av kunstige øyne. Selv om mobilnettet undersøkelser og analyser tilbyr inngående kunnskap på cellenivå, en kombinasjon av atferds eksperimenter og cellulære eksperimenter vil betydelig øke vår nåværende forståelse av minutt visuelle prosesser. For eksempel, Yoshida et al.19 fant at starburst amacrine celler er de viktigste neurons for bevegelsesdeteksjon i musen Retina. Etter mobilnettet eksperimenter, utførte de optokinetic nystagmus (OKN) atferdsdata eksperiment for å vise at mutant mus der starburst amacrine celler var dysfunksjonelle ikke svare på bevegelige objekter, og dermed bekrefter deres mobilnettet Undersøkelser. I tillegg har Pearson et al.20 gjennomført Foto reseptoren transplantasjon i musen Retina å gjenopprette synet i syke mus. De gjennomførte ikke bare cellulære eksperimenter, men også målt mus atferd gjennom bruk av optomotor respons innspillinger og vann-labyrint oppgaver dermed tillater Pearson et al. å verifisere at transplantert fotoreseptorene restaurert syn i den tidligere blinde mus. Til sammen er atferds eksperimenter sterke verktøy for å vurdere muse visjonen.
Flere metoder er tilgjengelige for måling av muse visjonen. Disse metodene har fordeler og begrensninger. In vivo ERG gir informasjon om hvorvidt musen Retina, spesielt fotoreseptorene og på bipolar celler, hensiktsmessig reagerer på lys stimuli. ERG kan testes enten under scotopic eller photopic forhold21,22. Imidlertid krever ERG anestesi, som kan påvirke output måling23. Den optokinetic refleks (OKR) eller optomotor respons (OMR) er en robust metode for å vurdere kontrast følsomhet og romlig oppløsning, begge funksjonelle komponenter av mus visjon. Men OKR krever kirurgi for å feste en fiksering enhet til musen skallen24. OMR krever verken kirurgi eller mus trening; men det krever opplæring for å tillate en eksperimentator å subjektivt oppdage subtile mus hodet bevegelser som svar på en bevegelig gitter i en optisk trommel 25,26. Elev lys refleks tiltak elev innsnevring som svar på lys stimuli, som ikke krever anestesi og utstillinger objektive og robuste tiltak 19. Selv om eleven refleks simulerer retinal lys respons in vivo, refleks er mediert hovedsakelig av egentlig lysfølsomme retinal Ganglion celler (ipRGCs) 27. Fordi ipRGCs representerer et lite mindretall av RGCs og ikke tjene som konvensjonelle bilde-forming Ganglion celler, gir denne målingen ikke informasjon vedrørende de fleste av Ganglion celler.
Den truende lyset eksperimentet har ikke tidligere blitt betraktet som en stor test for måling musen visjon. Imidlertid, det er en likeledes en robust og pålitelig syn test vannrett forskjellige art, som musen28,29, sebrafisk30, Locust31,32, og Human33,34, 35. viktigere, den truende eksperimentet er en av bare noen få metoder for å teste bildet-forming Pathway-det er ikke en refleks sti-gitt den visuelle og limbiske systemer i sentralnervesystemet er involvert i denne kretsen36, 37,38. Vi har etablert en truende visuell stimulans systemet og har vist sin evne til å lokke fram bevegelsesdeteksjon i musen, som vi bruker som en proxy for å vurdere intactness av musen visuelle systemet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med den truende visuelle stimuli system, et flertall (97%) av sunne øye-mus viste Flight Response. En av 29 musene viste ikke en åpenbar fly respons. Men musen gikk mot kuppelen og forble i nærheten av det før truende forsvant, noe som indikerer at musen var minst forsiktige når truende stimuli skjedde. Derfor, den truende stimuli konsekvent elicited medfødt frykt svar i sunn-eyed mus. På den annen side, gjorde tre blinde mus ikke viser noen svar på truende (foreløpige resultater). Til sammen viser vi at truende…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av NIH R01 EY028915 (TI) og RPB tilskudd.
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 |
References
- Enroth-Cugell, C., Robson, J. G. The contrast sensitivity of retinal ganglion cells of the cat. The Journal of Physiology. 187 (3), 517-552 (1966).
- Boycott, B. B., Wässle, H. The morphological types of ganglion cells of the domestic cat’s retina. The Journal of Physiology. 240 (2), 397-419 (1974).
- Livingstone, M. S., Hubel, D. H. Segregation of form, color, movement, and depth: anatomy, physiology, and perception. Science. 240 (4853), 740-749 (1988).
- Livingstone, M. S., Hubel, D. H. Psychophysical evidence for separate channels for the perception of form, color, movement, and depth. The Journal of Neuroscience. 7 (11), 3416-3468 (1987).
- Wässle, H. Parallel processing in the mammalian retina. Nature Reviews Neuroscience. 5 (10), 747-757 (2004).
- Awatramani, G. B., Slaughter, M. M. Origin of transient and sustained responses in ganglion cells of the retina. The Journal of Neuroscience. 20 (18), 7087-7095 (2000).
- Ghosh, K. K., Bujan, S., Haverkamp, S., Feigenspan, A., Wässle, H. Types of bipolar cells in the mouse retina. The Journal of Comparative Neuroscience. 469 (1), 70-82 (2004).
- Wässle, H., Puller, C., Muller, F., Haverkamp, S. Cone contacts, mosaics, and territories of bipolar cells in the mouse retina. The Journal of Neuroscience. 29 (1), 106-117 (2009).
- Helmstaedter, M., et al. Connectomic reconstruction of the inner plexiform layer in the mouse retina. Nature. 500 (7461), 168-174 (2013).
- Shekhar, K., et al. Comprehensive Classification of Retinal Bipolar Neurons by Single-Cell Transcriptomics. Cell. 166 (5), 1308-1323 (2016).
- Wu, S. M., Gao, F., Maple, B. R. Functional architecture of synapses in the inner retina: segregation of visual signals by stratification of bipolar cell axon terminals. The Journal of Neuroscience. 20 (12), 4462-4470 (2000).
- Sun, W., Li, N., He, S. Large-scale morphological survey of mouse retinal ganglion cells. The Journal of Comparative Neuroscience. 451 (2), 115-126 (2002).
- Volgyi, B., Chheda, S., Bloomfield, S. A. Tracer coupling patterns of the ganglion cell subtypes in the mouse retina. The Journal of Comparative Neuroscience. 512 (5), 664-687 (2009).
- Kong, J. H., Fish, D. R., Rockhill, R. L., Masland, R. H. Diversity of ganglion cells in the mouse retina: Unsupervised morphological classification and its limits. The Journal of Comparative Neuroscience. 489 (3), 293-310 (2005).
- Sumbul, U., et al. A genetic and computational approach to structurally classify neuronal types. Nature Communications. 5, 3512 (2014).
- Baden, T., et al. The functional diversity of retinal ganglion cells in the mouse. Nature. 529 (7586), 345-350 (2016).
- Lindstrom, S. H., Ryan, D. G., Shi, J., DeVries, S. H. Kainate receptor subunit diversity underlying response diversity in retinal Off bipolar cells. The Journal of Physiology. 592, 1457-1477 (2014).
- Euler, T., Haverkamp, S., Schubert, T., Baden, T. Retinal bipolar cells: elementary building blocks of vision. Nature Reviews Neuroscience. 15 (8), 507-519 (2014).
- Yoshida, K., et al. A key role of starburst amacrine cells in originating retinal directional selectivity and optokinetic eye movement. Neuron. 30 (3), 771-780 (2001).
- Pearson, R. A., et al. Restoration of vision after transplantation of photoreceptors. Nature. 485 (7396), 99-103 (2012).
- Saszik, S. M., Robson, J. G., Frishman, L. J. The scotopic threshold response of the dark-adapted electroretinogram of the mouse. The Journal of Physiology. 543, 899-916 (2002).
- Reuter, J. H., Sanyal, S. Development and degeneration of retina in rds mutant mice: the electroretinogram. Neuroscience Letters. 48 (2), 231-237 (1984).
- Woodward, W. R., et al. Isoflurane is an effective alternative to ketamine/xylazine/acepromazine as an anesthetic agent for the mouse electroretinogram. Documenta Ophthalmologica. 115 (3), 187-201 (2007).
- 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).
- 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).
- Lu, Q., Ganjawala, T. H., Hattar, S., Abrams, G. W., Pan, Z. H. A Robust Optomotor Assay for Assessing the Efficacy of Optogenetic Tools for Vision Restoration. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 59 (3), 1288-1294 (2018).
- Xue, T., et al. Melanopsin signalling in mammalian iris and retina. Nature. 479 (7371), 67-73 (2011).
- Yilmaz, M., Meister, M. Rapid innate defensive responses of mice to looming visual stimuli. Current Biology. 23 (20), 2011-2015 (2013).
- De Franceschi, G., Vivattanasarn, T., Saleem, A. B., Solomon, S. G. Vision Guides Selection of Freeze or Flight Defense Strategies in Mice. Current Biology. 26 (16), 2150-2154 (2016).
- Temizer, I., Donovan, J. C., Baier, H., Semmelhack, J. L. A Visual Pathway for Looming-Evoked Escape in Larval Zebrafish. Current Biology. 25 (14), 1823-1834 (2015).
- Guest, B. B., Gray, J. R. Responses of a looming-sensitive neuron to compound and paired object approaches. Journal of Neurophysiology. 95 (3), 1428-1441 (2006).
- McMillan, G. A., Gray, J. R. A looming-sensitive pathway responds to changes in the trajectory of object motion. Journal of Neurophysiology. 108 (4), 1052-1068 (2012).
- Vagnoni, E., Lourenco, S. F., Longo, M. R. Threat modulates neural responses to looming visual stimuli. Eur The Journal of Neuroscience. 42 (5), 2190-2202 (2015).
- Coker-Appiah, D. S., et al. Looming animate and inanimate threats: the response of the amygdala and periaqueductal gray. Social Neuroscience. 8 (6), 621-630 (2013).
- Tyll, S., et al. Neural basis of multisensory looming signals. Neuroimage. 65, 13-22 (2013).
- Wei, P., et al. Processing of visually evoked innate fear by a non-canonical thalamic pathway. Nature Communications. 6, 6756 (2015).
- Shang, C., et al. Divergent midbrain circuits orchestrate escape and freezing responses to looming stimuli in mice. Nature Communications. 9 (1), 1232 (2018).
- Salay, L. D., Ishiko, N., Huberman, A. D. A midline thalamic circuit determines reactions to visual threat. Nature. 557 (7704), 183-189 (2018).
- Vale, R., Evans, D., Branco, T. A Behavioral Assay for Investigating the Role of Spatial Memory During Instinctive Defense in Mice. Journal of Visualized Experiments. (137), 56988 (2018).
- Tungtur, S. K., Nishimune, N., Radel, J., Nishimune, H. Mouse Behavior Tracker: An economical method for tracking behavior in home cages. Biotechniques. 63 (5), 215-220 (2017).
