Met behulp van dreigende visuele prikkels om de muis visie te evalueren
Summary
Om de muis visie te onderzoeken, hebben we een dreigende test uitgevoerd. Muizen werden geplaatst in een grote vierkante Arena met een monitor op het plafond. De dreigende visuele stimulus riep constant het bevriezen of vlucht reacties in de muizen op.
Abstract
Het visuele systeem in het centrale zenuwstelsel verwerkt diverse visuele signalen. Hoewel de totale structuur is gekenmerkt van het netvlies door de laterale geniculate kern aan de visuele cortex, het systeem is complex. Cellulaire en moleculaire studies zijn uitgevoerd om de mechanismen ter ondersteuning van visuele verwerking en, bij uitbreiding, ziektemechanismen te verhelderen. Deze studies kunnen bijdragen tot de ontwikkeling van kunstmatige visuele systemen. Om de resultaten van deze studies te valideren, is gedrags visie testen noodzakelijk. Hier laten we zien dat de dreigende stimulatie experiment is een betrouwbare muis visie test die een relatief eenvoudige setup vereist. Het dreigende experiment werd uitgevoerd in een grote behuizing met een schuilplaats in een hoek en een computer monitor gelegen aan het plafond. Een CCD-camera gepositioneerd naast de computer monitor diende om het gedrag van de muis te observeren. Een muis werd geplaatst in de behuizing voor 10 minuten en mag acclimatiseren naar en verken de omgeving. Dan, de monitor geprojecteerd een programma-afgeleide dreigende stimulus 10 keer. De muis reageerde op de prikkels, hetzij door bevriezing of door de vlucht naar de schuilplaats. Het gedrag van de muis voor en na de dreigende stimuli werd opgenomen, en de video werd geanalyseerd met behulp van Motion Tracking software. De snelheid van de muisbeweging aanzienlijk veranderd na de dreigende stimuli. In tegenstelling, geen reactie werd waargenomen bij blinde muizen. Onze resultaten tonen aan dat de eenvoudige dreigende experiment is een betrouwbare test van de muis visie.
Introduction
Het visuele systeem begint bij het netvlies, waar visuele signalen worden gevangen door fotoreceptoren, gekanaliseerd naar bipolaire cellen (2ND-orde neuronen), en uiteindelijk doorgegeven aan ganglioncellen (3RD-orde neuronen). Retinale 2ND-en 3RD-orde neuronen worden verondersteld om veelvoudige neurale wegen te vormen die bepaalde aspecten van het visuele signaleren zoals kleur, motie, of vorm overbrengen. Deze diverse visuele kenmerken worden doorgegeven aan de laterale geniculate kern en de visuele cortex. In tegenstelling, visuele signalen die leiden tot oogbewegingen worden verzonden naar de superieure colliculus. Klassiek, twee retino-corticale paden zijn geïdentificeerd: de magnocellular en de parvocellular paden. Deze routes coderen bewegende en stationaire voorwerpen, respectievelijk, en hun bestaan belichaamt het basisconcept parallelle verwerking1,2,3,4,5, 6. Onlangs, meer dan 15 types van bipolaire cellen7,8,9,10,11 en ganglioncellen12,13,14 ,15,16 zijn gemeld in het netvlies van vele soorten, met inbegrip van de primaat retina. Deze cellen onderscheiden zich niet alleen door morfologische aspecten, maar ook door de expressie van verschillende markers en genen8,10,17,18, wat suggereert dat verschillende kenmerken van visuele signalen worden parallel verwerkt, wat ingewikkelder is dan oorspronkelijk verwacht.
Cellulaire en moleculaire technologieën hebben bijgedragen aan ons begrip van visuele verwerking en mogelijke ziektemechanismen die kunnen voortvloeien uit afwijkende visuele verwerking. Een dergelijk begrip kan bijdragen tot de ontwikkeling van kunstmatige ogen. Hoewel cellulaire onderzoeken en analyses bieden diepgaande kennis op een cellulair niveau, een combinatie van gedrags-experimenten en cellulaire experimenten zou aanzienlijk vergroten onze huidige begrip van minieme visuele processen. Bijvoorbeeld, de Starburst amacrine cellen zijn de belangrijkste neuronen voor bewegingsdetectie in de muis retina. Na cellulaire experimenten, voerden zij het optokinetic Nystagmus (OKNÖ) gedrags experiment uit om aan te tonen dat de Mutant muizen waarin Starburst amacrine cellen disfunctioneel waren niet aan bewegende voorwerpen antwoordden, daardoor bevestigend hun cellulair Onderzoeken. Daarnaast, Pearson et al.20 uitgevoerd fotoreceptor transplantatie in de muis Retina om visie te herstellen in zieke muizen. Ze voerden niet alleen cellulaire experimenten, maar ook gemeten muis gedrag door het gebruik van optomotor Response opnames en water-doolhof taken waardoor Pearson et al. om te verifiëren dat geplant fotoreceptoren herstelde visie in de voorheen blinde Muizen. Samen genomen, zijn de gedragsexperimenten sterke hulpmiddelen om muis visie te beoordelen.
Meerdere methoden zijn beschikbaar voor het meten van de muis visie. Deze methoden hebben voordelen en beperkingen. In vivo geeft ERG informatie over de vraag of de muis retina, met name fotoreceptoren en op bipolaire cellen, adequaat reageert op licht stimuli. ERG kan worden getest, hetzij onder scotopic of fotopisch voorwaarden21,22. Echter, ERG vereist anesthesie, die van invloed kunnen zijn op de output meting23. De optokinetic reflex (OKR) of optomotor Response (OMR) is een robuuste methode om de contrast gevoeligheid en ruimtelijke resolutie te beoordelen, zowel functionele componenten van de muis visie. Echter, OKR vereist een operatie om een fixatie apparaat hechten aan de muis schedel24. OMR vereist noch chirurgie noch muis opleiding; Nochtans, vereist het opleiding om een experimenter toe te staan om subtiele bewegingen van de muis hoofd subjectief op te sporen in antwoord op het bewegende raspen in een optische trommel 25,26. Leerling licht reflex maatregelen leerling vernauwing in reactie op lichtprikkels, die niet nodig anesthesie en vertoont objectieve en robuuste reacties 19. Hoewel de pupil reflex de retinale licht respons in vivo simuleert, wordt de reflex voornamelijk bemiddeld door de intrinsiek fotogevoelige KNOOPCELLEN van het netvlies (ipRGCs) 27. Omdat ipRGCs vertegenwoordigen een kleine minderheid van RGCs en niet dienen als conventionele beeld-vormende ganglioncellen, deze meting biedt geen informatie met betrekking tot de meerderheid van de ganglioncellen.
Het dreigende licht experiment is niet eerder beschouwd als een belangrijke test voor het meten van de muis visie. Nochtans, is het ook een robuuste en betrouwbare visie test over diverse soorten, zoals muis28,29, zebravis30, sprinkhanen31,32, en menselijk33,34, 35. belangrijk is dat het dreigende experiment is een van slechts een paar methoden om het imago te testen-vormende pathway-het is niet een reflex pad-gezien de visuele en de limbische systemen in het centrale zenuwstelsel zijn betrokken bij dit circuit36, 37,38. We hebben een dreigende visuele stimulus systeem en hebben aangetoond dat het vermogen om bewegingsdetectie te lokken in de muis, die we gebruiken als een proxy om de intactheid van de muis visueel systeem te beoordelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Met het dreigende visuele stimuli systeem, een meerderheid (97%) van gezonde Eye-muizen toonde vlucht reactie. Één van 29 muizen toonde geen duidelijke vlucht reactie. Echter, de muis liep naar de koepel en bleef in de buurt totdat dreigende verdwenen, wat aangeeft dat de muis was op zijn minst voorzichtig wanneer de dreigende prikkels opgetreden. Daarom, de dreigende prikkels consequent ontlokte aangeboren angstreacties bij gezonde ogen muizen. Aan de andere kant, drie blinde muizen toonde geen reacties op de dreigend…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door NIH R01 EY028915 (TI) en RPB Grants.
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 |
Referências
- 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).
