당뇨병 쥐의 Y-미로를 통한 광운동 반응 및 인지 기능을 통한 시각 기능의 행동 평가
Summary
당뇨병의 결과로 눈과 두뇌 둘 다에 있는 신경 변성은 설치류에 행해진 행동 시험을 통해 관찰될 수 있습니다. Y-미로, 공간 인식의 측정, 및 광운동 반응, 시각 기능의 측정, 둘 다 잠재적인 진단 및 치료에 대 한 통찰력을 제공.
Abstract
광차 반응과 Y-미로는 각각 시각 및 인지 기능을 평가하는 데 유용한 행동 테스트입니다. 광두운동 반응은 당뇨 망막증을 포함한 다수의 망막 질환 모델에서 시간이 지남에 따라 공간 주파수(SF) 및 콘트라스트 감도(CS) 임계값의 변화를 추적하는 귀중한 도구입니다. 유사하게, Y-미로는 중추 신경계에 영향을 미치는 여러 질병 모델에서 공간 인식(자발적인 교대로 측정된 대로) 및 탐사 행동(여러 항목으로 측정된 대로)을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 광차 반응과 Y-미로의 장점은 감도, 테스트 속도, 타고난 응답의 사용 (훈련이 필요하지 않음), 깨어있는 (non-마취) 동물에서 수행 할 수있는 능력을 포함한다. 여기서, 프로토콜은 타입-I 및 타입 II 당뇨병의 모형에 도시된 그들의 사용의 optomotor 반응 그리고 Y-미로 및 예 둘 다에 기술됩니다. 방법에는 설치류 및 장비의 준비, 광전차 반응 및 Y-미로의 성능 및 테스트 후 데이터 분석이 포함됩니다.
Introduction
4억 6,300만 명 이상이 당뇨병환자로 살고 있어 세계 최대의 질병 전염병 1중 하나입니다. 당뇨병에서 발생하는 심각한 합병증 중 하나는 당뇨병 성 망막증 (DR), 노동 연령 미국 성인을위한 실명의 주요 원인2. 향후 30년 동안 DR의 위험에 처한 인구의 비율은 두 배로 증가할 것으로 예상되므로 DR 개발을 예방하고 완화하기 위해 초기 단계에서 DR을 진단하는 새로운 방법을 찾는 것이 중요합니다3. DR은 전통적으로 혈관 질환으로 생각되었다4,5,6. 그러나, 지금 혈관 병리학 앞에 망막에 있는 신경 기능 장애 및 세포멸증의 기록으로, DR는 신경 및 혈관 분대4,5,6,7,8,9가 있기 위하여 정의됩니다. DR을 진단하는 한 가지 방법은 망막에 있는 신경 이상을 검토하는 것입니다, 다른 신경 조직 보다는 당뇨병에서 산화 긴장 및 신진 대사 긴장에 더 취약할 지도 모르다 조직10.
인지 기능 및 운동 기능의 감소는 또한 당뇨병과 함께 발생하고 수시로 망막 변경과 상관됩니다. 타입 II 당뇨병을 가진 더 오래된 개별은 더 나쁜 기준선 인지 성과를 묘사하고 통제 참가자보다는 더 악화된 인지 쇠퇴를 보여줍니다11. 추가적으로, 망막은 중앙 신경계의 연장으로 설치되고 병리는 망막12에서 명시할 수 있습니다. 임상적으로, 망막과 두뇌 사이 관계는 알츠하이머병과 그밖 질병의 맥락에서 공부되었습니다 그러나 당뇨병으로 일반적으로 탐구되지 않습니다12,13,14,15,16. 당뇨병의 진행 도중 두뇌및 망막에 있는 변경은 STZ 쥐 (독소, 연쇄상 조토신 또는 STZ가 췌장 베타 세포를 손상하기 위하여 이용되는 타입-I 당뇨병의 모형) 및 고토-Kakizaki 쥐 (동물이 고혈당증을 개발하는 타입 II 당뇨병의 polygenic 모형)를 포함하여 동물 모형을 사용하여 탐구될 수 있습니다. 이 프로토콜에서는, 당뇨병 설치류에 있는 인식 및 시각 변경을 평가하기 위하여 Y-미로 및 광전사 반응에 대한 설명이 각각 제공됩니다, 제공됩니다. 광운동 반응(OMR)은 각 eye17의 시각적 임계값을 측정하기 위해 특징적인 반사식 헤드 트래킹 움직임을 모니터링하여 공간 주파수(시각 시력과 유사)와 콘트라스트 감도를 평가합니다. 공간 주파수는 막대의 두께 또는 미세성을 나타내며, 대비 감도는 막대와 배경 사이에 얼마나 많은 대비가 있는지를 나타냅니다(그림 1E). 한편, Y-미로는 미로의 팔을 통해 자발적인 교대와 항목을 통해 관찰되는 단기 공간 기억과 탐사 기능을 테스트합니다.
두 테스트 모두 깨어 있는 비 마취 동물에서 수행 될 수 있으며 동물의 타고난 반응을 활용하는 이점이 있어 훈련이 필요하지 않습니다. 둘 다 상대적으로 민감하다는 점에서 설치류에서 당뇨병의 진행 초기에 적자를 감지하는 데 사용할 수 있으며, 다른 시각, 망막 또는 행동 테스트와 상관 관계가있는 결과를 생성한다는 점에서 신뢰할 수 있습니다. 또한, OMR 및 Y-미로를 전기 전세노그램 및 광학 일관성 단층 촬영 검사와 같은 테스트와 함께 사용하면 질병 모델에서 망막, 구조적 및 인지 변화가 서로 에 비해 발달할 때에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이 조사는 당뇨병 때문에 생기는 신경 변성 을 확인하는 에 유용할 수 있었습니다. 궁극적으로, 이것은 효과적으로 진행의 초기 단계에서 DR을 식별하는 새로운 진단 방법으로 이어질 수 있습니다.
이 프로토콜을 개발하는 데 사용되는 OMR 및 Y-미로 시스템은 재료 표에 설명되어 있습니다. OMR에 대한 이전 연구, Prusky 외.18에 의해, 그리고 Y-미로, 모리스 등 al.19에 의해, 이 프로토콜을 개발하는 출발점으로 사용되었다.
Protocol
Representative Results
Discussion
OMR과 Y-미로는 시간이 지남에 따라 설치류의 시각 기능 및 인지 기능 적자에 대한 비침습적 평가를 허용합니다. 이 프로토콜에서 OMR과 Y-미로는 당뇨병의 설치류 모델에서 시각 및 인지 적자를 추적하는 것으로 입증되었습니다.
프로토콜의 중요한 단계
The OMR
시각 기능을 평가하기 위해 OMR을 수행할 때 고려해야 할 몇 가?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 재향 군인 사무 재활 R&D 서비스 경력 개발 상 (CDA-1, RX002111)에 의해 지원되었다; CDA-2; RX002928) RSA 및 (CDA-2, RX002342) AJF 및 국립 보건 원 (NIH-NICHD F31 HD097918 에 DACT 및 NIH-NIEHS T32 ES012870 DACT) 및 NEI 코어 그랜트 P30EY00000600.
Materials
| OptoMotry HD | CerebralMechanics Inc. | OMR apparatus & software | |
| Timer | Thomas Scientific | 810029AR | |
| Y-Maze apparatus | San Diego Instruments | 7001-043 | Available specifically for rats |
Referências
- . International Diabetes Federation Diabetes Atlas, 9th edn Available from: https://diabetesatlas.org/upload/resources/material/20200302_133351_IDFATLAfinal-web.pdf (2019)
- Wang, W., Lo, A. C. Y. Diabetic retinopathy: pathophysiology and treatments. International Journal of Molecular Sciences. 19 (6), (2018).
- Akpek, E. K., Smith, R. A. Overview of age-related ocular conditions. The American Journal of Managed Care. 19 (5), 67-75 (2013).
- Urano, F. Wolfram syndrome: diagnosis, management, and treatment. Current Diabetes Reports. 16 (1), 6 (2016).
- Adeva-Andany, M. M., Funcasta-Calderón, R., Fernández-Fernández, C., Ameneiros-Rodríguez, E., Domínguez-Montero, A. Subclinical vascular disease in patients with diabetes is associated with insulin resistance. Diabetes & Metabolic Syndrome: Clinical Research & Reviews. 13 (3), 2198-2206 (2019).
- Chin, J. A., Sumpio, B. E. Diabetes mellitus and peripheral vascular disease: diagnosis and management. Clinics in Podiatric Medicine and Surgery. 31 (1), 11-26 (2014).
- Barber, A. J., Gardner, T. W., Abcouwer, S. F. The significance of vascular and neural apoptosis to the pathology of diabetic retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (2), 1156-1163 (2011).
- Pardue, M. T., Allen, R. S. Neuroprotective strategies for retinal disease. Progress in Retinal and Eye Research. 65, 50-76 (2018).
- Aung, M. H., Kim, M. K., Olson, D. E., Thule, P. M., Pardue, M. T. Early visual deficits in streptozotocin-induced diabetic long evans rats. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (2), 1370-1377 (2013).
- Antonetti, D. A., et al. Diabetic retinopathy: seeing beyond glucose-induced microvascular disease. Diabetes. 55 (9), 2401-2411 (2006).
- Logroscino, G., Kang, J. H., Grodstein, F. Prospective study of type 2 diabetes and cognitive decline in women aged 70-81 years. BMJ. 328 (7439), 548 (2004).
- London, A., Benhar, I., Schwartz, M. The retina as a window to the brain-from eye research to CNS disorders. Nature Reviews Neurology. 9 (1), 44-53 (2013).
- Archibald, N. K., Clarke, M. P., Mosimann, U. P., Burn, D. J. The retina in Parkinson’s disease. Brain. 132 (5), 1128-1145 (2009).
- Sakai, R. E., Feller, D. J., Galetta, K. M., Galetta, S. L., Balcer, L. J. Vision in multiple sclerosis: the story, structure-function correlations, and models for neuroprotection. Journal of Neuroophthalmology. 31 (4), 362-373 (2011).
- Wong, T. Y., et al. Retinal microvascular abnormalities and incident stroke: the Atherosclerosis Risk in Communities Study. The Lancet. 358 (9288), 1134-1140 (2001).
- Marquié, M., et al. Association between retinal thickness and β-amyloid brain accumulation in individuals with subjective cognitive decline: Fundació ACE Healthy Brain Initiative. Alzheimer’s Research & Therapy. 12 (1), 37 (2020).
- 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).
- 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 & Vision Science. 45 (12), 4611-4616 (2004).
- Maurice, T., et al. Behavioral evidence for a modulating role of σ ligands in memory processes. I. Attenuation of dizocilpine (MK-801)-induced amnesia. Brain Research. 647 (1), 44-56 (1994).
- Douglas, R. M., et al. Independent visual threshold measurements in the two eyes of freely moving rats and mice using a virtual-reality optokinetic system. Visual Neuroscience. 22 (5), 677-684 (2005).
- Feola, A. J., et al. Menopause exacerbates visual dysfunction in experimental glaucoma. Experimental Eye Research. 186, 107706 (2019).
- Allen, R. S., et al. TrkB signalling pathway mediates the protective effects of exercise in the diabetic rat retina. European Journal of Neuroscience. 47 (10), 1254-1265 (2018).
- Allen, R. S., et al. Retinal deficits precede cognitive and motor deficits in a rat model of type II diabetes. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 60 (1), 123-133 (2019).
- Prusky, G. T., Harker, K. T., Douglas, R. M., Whishaw, I. Q. Variation in visual acuity within pigmented, and between pigmented and albino rat strains. Behavioural Brain Research. 136 (2), 339-348 (2002).
- Hwang, C. K., et al. Circadian rhythm of contrast sensitivity is regulated by a dopamine-neuronal PAS-domain protein 2-adenylyl cyclase 1 signaling pathway in retinal ganglion cells. Journal of Neuroscience. 33 (38), 14989-14997 (2013).
- Mui, A. M., et al. Daily visual stimulation in the critical period enhances multiple aspects of vision through BDNF-mediated pathways in the mouse retina. PLoS One. 13 (2), 0192435 (2018).
- Feola, A. J., et al. Menopause exacerbates visual dysfunction in experimental glaucoma. Experimental Eye Research. 186, 107706 (2019).
- Allen, R. S., et al. Long-term functional and structural consequences of primary blast overpressure to the eye. Journal of Neurotrauma. 35 (17), 2104-2116 (2018).
- Maaswinkel, H., Li, L. Spatio-temporal frequency characteristics of the optomotor response in zebrafish. Vision Research. 43 (1), 21-30 (2003).
- Benkner, B., Mutter, M., Ecke, G., Münch, T. A. Characterizing visual performance in mice: an objective and automated system based on the optokinetic reflex. Behavioral Neuroscience. 127 (5), 788-796 (2013).
- Lehmann, K., Schmidt, K. F., Löwel, S. Vision and visual plasticity in ageing mice. Restorative Neurology and Neuroscience. 30, 161-178 (2012).
- Leinonen, H., Tanila, H. Vision in laboratory rodents-tools to measure it and implications for behavioral research. Behavioral Brain Research. 352, 172-182 (2018).
- Spielmann, M., Schröger, E., Kotz, S. A., Pechmann, T., Bendixen, A. Using a staircase procedure for the objective measurement of auditory stream integration and segregation thresholds. Frontiers in Psychology. 4, 534 (2013).
- Shi, C., et al. Optimization of optomotor response-based visual function assessment in mice. Scientific Reports. 8 (1), 9708 (2018).
- You, M., Yamane, T., Tomita, H., Sugano, E., Akashi, T. A novel rat head gaze determination system based on optomotor responses. PLoS One. 12 (4), 0176633 (2017).
- Whyte, A. J., et al. Reward-related expectations trigger dendritic spine plasticity in the mouse ventrolateral orbitofrontal cortex. The Journal of Neuroscience. 39 (23), 4595-4605 (2019).
