القياس الكمي لانتقائية الميزة البصرية لمنعكس الحركة البصرية في الفئران
Summary
هنا ، نصف بروتوكولا قياسيا لقياس المنعكس البصري. فهو يجمع بين تحفيز الأسطوانة الافتراضية وتصوير العين بالفيديو ، وبالتالي يسمح بتقييم دقيق لانتقائية الميزة للسلوك ومرونته التكيفية.
Abstract
المنعكس البصري (OKR) هو حركة عين فطرية أساسية يتم تشغيلها بواسطة الحركة العالمية للبيئة المرئية وتعمل على تثبيت صور الشبكية. نظرا لأهميته وقوته ، فقد تم استخدام OKR لدراسة التعلم البصري الحركي وتقييم الوظائف البصرية للفئران ذات الخلفيات الوراثية المختلفة والأعمار والعلاجات الدوائية. هنا ، نقدم إجراء لتقييم استجابات OKR للفئران الثابتة الرأس بدقة عالية. يمكن أن يستبعد تثبيت الرأس مساهمة التحفيز الدهليزي في حركات العين ، مما يجعل من الممكن قياس حركات العين الناتجة عن الحركة البصرية فقط. يتم استنباط OKR بواسطة نظام أسطوانة افتراضي ، حيث ينجرف صريف عمودي مقدم على ثلاث شاشات كمبيوتر أفقيا بطريقة تذبذبية أو أحادية الاتجاه بسرعة ثابتة. باستخدام نظام الواقع الافتراضي هذا ، يمكننا تغيير المعلمات المرئية بشكل منهجي مثل التردد المكاني ، والتردد الزمني / التذبذب ، والتباين ، والنصوع ، واتجاه الشبكات ، وتحديد منحنيات ضبط انتقائية الميزة المرئية. يضمن تصوير العين بالفيديو بالأشعة تحت الحمراء عالي السرعة قياسا دقيقا لمسار حركات العين. تتم معايرة عيون الفئران الفردية لتوفير فرص لمقارنة OKRs بين من مختلف الأعمار والأجناس والخلفيات الوراثية. تسمح القوة الكمية لهذه التقنية باكتشاف التغييرات في OKR عندما يتكيف هذا السلوك بشكل بلاستيكي بسبب الشيخوخة أو التجربة الحسية أو التعلم الحركي. وبالتالي ، فإنه يجعل هذه التقنية إضافة قيمة إلى ذخيرة الأدوات المستخدمة للتحقيق في مرونة سلوكيات العين.
Introduction
استجابة للمنبهات البصرية في البيئة ، تتحرك أعيننا لتحويل نظرتنا ، أو تثبيت صور الشبكية ، أو تتبع الأهداف المتحركة ، أو محاذاة نقرة العينين مع أهداف تقع على مسافات مختلفة من المراقب ، والتي تعتبر حيوية للرؤية المناسبة 1,2. تم استخدام السلوكيات الحركية للعين على نطاق واسع كنماذج جذابة للتكامل الحسي الحركي لفهم الدوائر العصبية في الصحة والمرض ، على الأقل جزئيا بسبب بساطة النظام الحركي للعين3. يتم التحكم في العين بواسطة ثلاثة أزواج من عضلات العين الخارجية ، وتدور العين في التجويف بشكل أساسي حول ثلاثة محاور مقابلة: الارتفاع والاكتئاب على طول المحور العرضي ، والتقريب والاختطاف على طول المحور الرأسي ، و intorsion و extorsion على طول المحور الأماميالخلفي 1,2. يسمح هذا النظام البسيط للباحثين بتقييم السلوكيات الحركية للفئران بسهولة ودقة في بيئة المختبر.
أحد السلوكيات الحركية الأولية للعين هو المنعكس البصري الحركي (OKR). يتم تشغيل حركة العين اللاإرادية هذه عن طريق الانجرافات البطيئة أو انزلاق الصور على شبكية العين وتعمل على تثبيت صور الشبكية عندما يتحرك رأس أو محيطه 2,4. إن OKR ، كنموذج سلوكي ، مثير للاهتمام للباحثين لعدة أسباب. أولا ، يمكن تحفيزه بشكل موثوق وكمي بدقة 5,6. ثانيا ، إجراءات القياس الكمي لهذا السلوك بسيطة نسبيا وموحدة ويمكن تطبيقها لتقييم الوظائف البصرية لمجموعة كبيرة من7. ثالثا ، هذا السلوك الفطري شديد البلاستيك5،8،9. يمكن تعزيز اتساعها عند حدوث زلات شبكية متكررة لفترة طويلة 5،8،9 ، أو عندما يكون شريكها في العمل منعكس العين الدهليزي (VOR) ، وهي آلية أخرى لتثبيت صور الشبكية الناتجة عن الإدخال الدهليزي2 ، ضعيفا5. تمكن هذه النماذج التجريبية لتقوية OKR الباحثين من الكشف عن أساس الدائرة الكامنة وراء التعلم الحركي للعين.
تم استخدام طريقتين غير جراحيتين بشكل أساسي لتقييم OKR في الدراسات السابقة: (1) تصوير العين بالفيديو جنبا إلى جنب مع طبل مادي7،10،11،12،13 أو (2) التحديد التعسفي لدوران الرأس جنبا إلى جنب مع طبل افتراضي6،14،15،16. على الرغم من أن تطبيقاتها قد حققت اكتشافات مثمرة في فهم الآليات الجزيئية والدوائر للدونة الحركية للعين ، إلا أن لكل من هاتين الطريقتين بعض العيوب التي تحد من قدراتهما في الفحص الكمي لخصائص OKR. أولا ، لا تسمح الطبول المادية ، ذات الأنماط المطبوعة من الخطوط أو النقاط بالأبيض والأسود ، بإجراء تغييرات سهلة وسريعة للأنماط المرئية ، مما يقيد إلى حد كبير قياس اعتماد OKR على ميزات بصرية معينة ، مثل التردد المكاني والاتجاه وتباين حواجز شبكية متحركة 8,17. بدلا من ذلك ، يمكن أن تستفيد اختبارات انتقائية OKR لهذه الميزات المرئية من التحفيز البصري المحوسب ، حيث يمكن تعديل الميزات المرئية بسهولة من تجربة إلى أخرى. بهذه الطريقة ، يمكن للباحثين فحص سلوك OKR بشكل منهجي في مساحة المعلمات المرئية متعددة الأبعاد. علاوة على ذلك ، فإن الطريقة الثانية لفحص OKR تشير فقط إلى عتبات المعلمات المرئية التي تؤدي إلى OKRs يمكن تمييزها ، ولكن ليس سعة حركات العين أو الرأس6،14،15،16. وبالتالي ، فإن الافتقار إلى القوة الكمية يمنع تحليل شكل منحنيات الضبط والميزات المرئية المفضلة ، أو اكتشاف الاختلافات الدقيقة بين الفئران الفردية في الظروف العادية والمرضية. للتغلب على القيود المذكورة أعلاه ، تم الجمع بين تصوير العين بالفيديو والتحفيز البصري الافتراضي المحوسب لفحص سلوك OKR في الدراسات الحديثة5،17،18،19،20. ومع ذلك ، لم تقدم هذه الدراسات المنشورة سابقا تفاصيل فنية كافية أو تعليمات خطوة بخطوة ، وبالتالي لا يزال من الصعب على الباحثين إنشاء اختبار OKR لأبحاثهم الخاصة.
هنا ، نقدم بروتوكولا لتحديد انتقائية الميزة المرئية بدقة لسلوك OKR في ظل الظروف الضوئية أو scotopic مع مزيج من تصوير العين بالفيديو والتحفيز البصري الافتراضي المحوسب. يتم تثبيت رأس الفئران لتجنب حركة العين التي يثيرها التحفيز الدهليزي. يتم استخدام كاميرا عالية السرعة لتسجيل حركات العين من الفئران التي تشاهد حواجز شبكية متحركة مع تغيير المعلمات البصرية. تتم معايرة الحجم المادي لمقل العيون للفئران الفردية لضمان دقة اشتقاق زاوية حركات العين21. تسمح هذه الطريقة الكمية بمقارنة سلوك OKR بين من مختلف الأعمار أو الخلفيات الوراثية ، أو مراقبة تغيره الناجم عن العلاجات الدوائية أو التعلم البصري الحركي.
Protocol
Representative Results
Discussion
توفر طريقة الفحص السلوكي OKR المعروضة هنا العديد من المزايا. أولا ، يحل التحفيز البصري الذي يتم إنشاؤه بواسطة الكمبيوتر المشكلات الجوهرية للطبول المادية. التعامل مع مسألة أن الطبول المادية لا تدعم الفحص المنهجي للتردد المكاني أو الاتجاه أو ضبط التباين8 ، تسمح الأسطوانة الافتر…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نحن ممتنون ل Yingtian He لمشاركة بيانات ضبط الاتجاه. تم دعم هذا العمل بمنح من المؤسسة الكندية للابتكار وصندوق أبحاث أونتاريو (مشروع CFI / ORF رقم 37597) ، NSERC (RGPIN-2019-06479) ، CIHR (Project Grant 437007) ، وجوائز كونوت للباحثين الجدد.
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).
