Kvantifisering av visuell funksjonsselektivitet av optokinetisk refleks hos mus
Summary
Her beskriver vi en standardprotokoll for kvantifisering av optokinetisk refleks. Den kombinerer virtuell trommelstimulering og video-okulografi, og tillater dermed presis evaluering av funksjonsselektiviteten til oppførselen og dens adaptive plastisitet.
Abstract
Den optokinetiske refleksen (OKR) er en viktig medfødt øyebevegelse som utløses av det globale bevegelsen i det visuelle miljøet og tjener til å stabilisere retinale bilder. På grunn av sin betydning og robusthet har OKR blitt brukt til å studere visuell-motorisk læring og evaluere de visuelle funksjonene til mus med ulik genetisk bakgrunn, alder og medikamentell behandling. Her introduserer vi en prosedyre for evaluering av OKR-responser hos hodefikserte mus med høy nøyaktighet. Hodefiksering kan utelukke bidraget fra vestibulær stimulering på øyebevegelser, noe som gjør det mulig å måle øyebevegelser som bare utløses av visuell bevegelse. OKR fremkalles av et virtuelt trommesystem, der et vertikalt gitter presentert på tre dataskjermer driver horisontalt på en oscillerende måte eller ensrettet med konstant hastighet. Med dette virtuelle virkelighetssystemet kan vi systematisk endre visuelle parametere som romlig frekvens, tidsmessig / svingningsfrekvens, kontrast, luminans og retningen til gitter, og kvantifisere innstillingskurver for selektivitet for visuelle funksjoner. Høyhastighets infrarød video-oculografi sikrer nøyaktig måling av banen til øyebevegelser. Øynene til individuelle mus er kalibrert for å gi muligheter til å sammenligne OKR mellom dyr i forskjellige aldre, kjønn og genetisk bakgrunn. Den kvantitative kraften til denne teknikken gjør det mulig å oppdage endringer i OKR når denne oppførselen plastisk tilpasser seg på grunn av aldring, sensorisk opplevelse eller motorisk læring; Dermed gjør det denne teknikken til et verdifullt tillegg til repertoaret av verktøy som brukes til å undersøke plastisiteten i okulær oppførsel.
Introduction
Som svar på visuelle stimuli i miljøet, beveger øynene våre seg for å skifte blikket, stabilisere retinale bilder, spore bevegelige mål eller justere foveae av to øyne med mål som ligger i forskjellige avstander fra observatøren, som er avgjørende for riktig visjon 1,2. Oculomotorisk atferd har blitt mye brukt som attraktive modeller for sensorimotorisk integrasjon for å forstå nevrale kretser i helse og sykdom, i det minste delvis på grunn av enkelheten til det oculomotoriske systemet3. Kontrollert av tre par ekstraokulære muskler, roterer øyet i sokkelen primært rundt tre tilsvarende akser: høyde og depresjon langs tverraksen, adduksjon og abduksjon langs den vertikale aksen, og intorsjon og utpressing langs anteroposterior akse 1,2. Et slikt enkelt system gjør det mulig for forskere å evaluere musens oculomotoriske oppførsel enkelt og nøyaktig i et laboratoriemiljø.
En prima oculomotorisk oppførsel er optokinetisk refleks (OKR). Denne ufrivillige øyebevegelsen utløses av langsomme drifter eller glipper av bilder på netthinnen og tjener til å stabilisere netthinnebilder når et dyrs hode eller omgivelsene beveger seg 2,4. OKR, som et atferdsparadigme, er interessant for forskere av flere grunner. For det første kan det stimuleres pålitelig og kvantifiseres nøyaktig 5,6. For det andre er prosedyrene for å kvantifisere denne oppførselen relativt enkle og standardiserte og kan brukes til å evaluere de visuelle funksjonene til en stor kohorte av dyr7. For det tredje er denne medfødte oppførselen svært plastisk 5,8,9. Amplituden kan forsterkes når repeterende retinale slips forekommer i lang tid 5,8,9, eller når arbeidspartneren vestibulær okulær refleks (VOR), en annen mekanisme for å stabilisere retinale bilder utløst av vestibulær inngang2, er svekket5. Disse eksperimentelle paradigmene for OKR-potensiering gir forskere mulighet til å avdekke kretsgrunnlaget som ligger til grunn for oculomotorisk læring.
To ikke-invasive metoder har primært blitt brukt til å evaluere OKR i tidligere studier: (1) video-okulografi kombinert med en fysisk trommel 7,10,11,12,13 eller (2) vilkårlig bestemmelse av hodesvinger kombinert med en virtuell trommel6,14,15,16. Selv om deres applikasjoner har gjort fruktbare funn i forståelsen av molekylære og kretsmekanismer for oculomotorisk plastisitet, har disse to metodene hver noen ulemper som begrenser deres krefter i kvantitativt å undersøke egenskapene til OKR. For det første tillater ikke fysiske trommer, med trykte mønstre av svarte og hvite striper eller prikker, enkle og raske endringer av visuelle mønstre, noe som i stor grad begrenser målingen av OKRs avhengighet av visse visuelle funksjoner, for eksempel romlig frekvens, retning og kontrast av bevegelige gitter 8,17. I stedet kan tester av OKRs selektivitet til disse visuelle funksjonene dra nytte av datastyrt visuell stimulering, der visuelle funksjoner enkelt kan endres fra prøve til prøve. På denne måten kan forskere systematisk undersøke OKR-oppførselen i det flerdimensjonale visuelle parameterrommet. Videre rapporterer den andre metoden i OKR-analysen bare tersklene for visuelle parametere som utløser merkbare OKR, men ikke amplitudene til øye- eller hodebevegelser 6,14,15,16. Mangelen på kvantitativ kraft forhindrer dermed å analysere formen på justeringskurver og de foretrukne visuelle trekkene, eller oppdage subtile forskjeller mellom individuelle mus under normale og patologiske forhold. For å overvinne de ovennevnte begrensningene hadde video-okulografi og datastyrt virtuell visuell stimulering blitt kombinert for å analysere OKR-oppførselen i nyere studier 5,17,18,19,20. Disse tidligere publiserte studiene ga imidlertid ikke nok tekniske detaljer eller trinnvise instruksjoner, og det er derfor fortsatt utfordrende for forskere å etablere en slik OKR-test for egen forskning.
Her presenterer vi en protokoll for nøyaktig å kvantifisere den visuelle funksjonsselektiviteten til OKR-oppførsel under fotopiske eller skotopiske forhold med kombinasjonen av videookulografi og datastyrt virtuell visuell stimulering. Mus er hodefikserte for å unngå øyebevegelsen fremkalt av vestibulær stimulering. Et høyhastighetskamera brukes til å registrere okulære bevegelser fra mus som ser på bevegelige gitter med endrede visuelle parametere. Den fysiske størrelsen på øyebollene til individuelle mus er kalibrert for å sikre nøyaktigheten av å utlede vinkelen på øyebevegelser21. Denne kvantitative metoden gjør det mulig å sammenligne OKR-atferd mellom dyr i ulike aldre eller genetisk bakgrunn, eller overvåke endringen forårsaket av farmakologiske behandlinger eller visuellmotorisk læring.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden for OKR-atferdsanalysen som presenteres her, gir flere fordeler. For det første løser datagenerert visuell stimulering de iboende problemene med fysiske trommer. Når det gjelder problemet med at fysiske trommer ikke støtter systematisk undersøkelse av romlig frekvens, retning eller kontrastinnstilling8, lar den virtuelle trommelen disse visuelle parametrene endres fra prøve til prøve, og dermed legge til rette for en systematisk og kvantitativ analyse av funksjonsselektiviteten til …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi er takknemlige til Yingtian He for å dele data om retningsinnstilling. Dette arbeidet ble støttet av tilskudd fra Canadian Foundation of Innovation og Ontario Research Fund (CFI / ORF prosjekt nr. 37597), NSERC (RGPIN-2019-06479), CIHR (Project Grant 437007) og Connaught New Researcher Awards.
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).
