Utilizzo di stimoli visivi incombenti per valutare la visione del mouse
Summary
Per esaminare la visione del mouse, abbiamo condotto un test incombente. I topi sono stati collocati in una grande Arena quadrata con un monitor sul suo soffitto. Lo stimolo visivo incombente ha costantemente evocato le reazioni di congelamento o di volo nei topi.
Abstract
Il sistema visivo nel sistema nervoso centrale elabora diversi segnali visivi. Anche se la struttura complessiva è stata caratterizzata dalla retina attraverso il nucleo geniculare laterale alla corteccia visiva, il sistema è complesso. Sono stati condotti studi cellulari e molecolari per chiarire i meccanismi alla base dell’elaborazione visiva e, per estensione, i meccanismi di malattia. Questi studi possono contribuire allo sviluppo di sistemi visivi artificiali. Per convalidare i risultati di questi studi, è necessario il test di visione comportamentale. Qui, mostriamo che l’esperimento di stimolazione incombente è un test di visione del mouse affidabile che richiede una configurazione relativamente semplice. L’esperimento incombente è stato condotto in un grande recinto con un riparo in un angolo e un monitor del computer situato sul soffitto. Una telecamera CCD posizionata accanto al monitor del computer è servita per osservare il comportamento del mouse. Un topo è stato collocato nel recinto per 10 minuti e ha permesso di acclimatarsi ed esplorare i dintorni. Poi, il monitor proiettato uno stimolo incombente derivato dal programma 10 volte. Il topo rispose agli stimoli sia congelando che fuggendo al nascondiglio. Il comportamento del mouse prima e dopo gli stimoli incombenti è stato registrato, e il video è stato analizzato utilizzando il software di Motion Tracking. La velocità del movimento del mouse cambiò significativamente dopo gli stimoli incombenti. Al contrario, nessuna reazione è stata osservata nei topi ciechi. I nostri risultati dimostrano che il semplice esperimento incombente è un test affidabile della visione del mouse.
Introduction
Il sistema visivo inizia alla retina, dove i segnali visivi vengono catturati dai fotorecettori, canati alle cellule bipolari (2 neuroniND-Order), e infine passati alle cellule del ganglio (3 neuroni ordine diRd). I neuroni 2ND-e 3Rd-Order retinici sono pensati per formare più percorsi neurali che trasmettono particolari aspetti della segnalazione visiva come il colore, il movimento o la forma. Queste diverse caratteristiche visive sono trasmesse al nucleo geniculare laterale e alla corteccia visiva. Al contrario, i segnali visivi che conducono al movimento degli occhi vengono inviati al colliculus superiore. Classicamente, sono stati identificati due percorsi di retino-corticale: il magnocellulare e le vie parvocelliche. Questi percorsi codificano gli oggetti in movimento e fissi, rispettivamente, e la loro esistenza incarna il concetto di base di elaborazione parallela1,2,3,4,5, 6. il Recentemente, più di 15 tipi di cellule bipolari7,8,9,10,11 e cellule del ganglio12,13,14 ,15,16 sono stati segnalati nella retina di molte specie, tra cui la retina primate. Queste cellule si distinguono non solo per gli aspetti morfologici, ma anche per l’espressione di marcatori distinti egeni8,10,17,18, suggerendo che varie caratteristiche di i segnali visivi vengono elaborati in parallelo, il che è più complicato di quanto originariamente previsto.
Le tecnologie cellulari e molecolari hanno contribuito alla nostra comprensione dell’elaborazione visiva e dei potenziali meccanismi di malattia che possono derivare dall’elaborazione visiva aberrante. Tale comprensione può contribuire allo sviluppo di occhi artificiali. Sebbene gli esami e le analisi cellulari offrano una conoscenza approfondita a livello cellulare, una combinazione di esperimenti comportamentali e esperimenti cellulari accrescerebbe significativamente la nostra comprensione attuale dei processi visivi di minuti. Per esempio, Yoshida et al.19 ha trovato che le cellule amacrine starburst sono i neuroni chiave per il rilevamento del movimento nella retina del mouse. Dopo esperimenti cellulari, hanno eseguito l’esperimento comportamentale di nistagmo optocinetico (OKN) per mostrare che i topi mutanti in cui le cellule amacrine di starburst erano disfunzionali non rispondevano agli oggetti in movimento, confermando così il loro cellulare Indagini. Inoltre, Pearson et al.20 ha condotto il trapianto di fotorecettori nella retina del topo per ripristinare la visione nei topi malati. Hanno condotto non solo esperimenti cellulari, ma anche misurato il comportamento del mouse attraverso l’uso di registrazioni di risposta optomotor e attività di acqua-labirinto permettendo così Pearson et al. per verificare che i fotorecettori trapiantati hanno ripristinato la visione in precedenza cieco plurale di “mouse”. Presi insieme, gli esperimenti comportamentali sono strumenti forti per valutare la visione del mouse.
Sono disponibili diversi metodi per misurare la visione del mouse. Questi metodi hanno vantaggi e limitazioni. In vivo ERG fornisce informazioni sul fatto che la retina del topo, in particolare i fotorecettori e le cellule bipolari, risponda adeguatamente agli stimoli di luce. ERG può essere testato sia sotto scotopica che in condizioni fotopiche21,22. Tuttavia, ERG richiede anestesia, che potrebbe influenzare la misura di uscita23. Il riflesso optocinetico (OKR) o la risposta optomotor (OMR) è un metodo robusto per valutare la sensibilità al contrasto e la risoluzione spaziale, entrambi componenti funzionali della visione del mouse. Tuttavia, OKR richiede un intervento chirurgico per attaccare un dispositivo di fissazione al cranio del mouse24. OMR non richiede chirurgia né addestramento del topo; Tuttavia, richiede una formazione per consentire a uno sperimentatore di rilevare in modo soggettivo i movimenti sottili della testa del topo in risposta a una grata in movimento in un tamburo ottico 25,26. La luce riflessa della pupilla misura la costrizione della pupilla in risposta agli stimoli di luce, che non richiede anestesia e presenta risposte obiettive e solide 19. Sebbene il riflesso della pupilla simuli la risposta della luce retinica in vivo, il riflesso è mediato principalmente dalle cellule del ganglio retinico (ipRGCs) 27, intrinsecamente fotosensibili. Poiché gli ipRGCs rappresentano una piccola minoranza di RGC e non fungono da cellule gangliari convenzionali che formano l’immagine, questa misura non fornisce informazioni relative alla maggior parte delle cellule del ganglio.
L’esperimento di luce incombente non è stato precedentemente considerato un test importante per misurare la visione del mouse. Tuttavia, è anche un test di visione robusto e affidabile su varie specie, come il mouse28,29, pesce zebra30, Locust31,32e Human33,34, 35. importante, l’esperimento incombente è uno dei pochi metodi per testare il percorso di formazione dell’immagine-non è un percorso riflesso-dato che i sistemi visivi e limbici nel sistema nervoso centrale sono coinvolti in questo circuito36, 37,38. Abbiamo istituito un sistema di stimolo visivo incombente e abbiamo dimostrato la sua capacità di suscitare il rilevamento del movimento nel mouse, che usiamo come proxy per valutare l’intattezza del sistema visivo del mouse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Con l’incombente sistema di stimoli visivi, la maggioranza (97%) di sani occhi-topi ha mostrato la risposta di volo. Uno dei 29 topi non ha mostrato una risposta di volo ovvia. Tuttavia, il topo camminava verso la cupola e rimase vicino fino a quando incombeva scomparendo, indicando che il topo era almeno prudente quando si verificavano gli stimoli incombenti. Pertanto, gli stimoli incombenti hanno costantemente suscitato le risposte di paura innata nei topi con gli occhi sani. Dall’altro lato, tre topi ciechi non hanno …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da NIH R01 EY028915 (TI) e sovvenzioni RPB.
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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