Поведенческая оценка зрительной функции с помощью оптомоторного ответа и когнитивной функции через Y-лабиринт у крыс с диабетом
Summary
Нейронная дегенерация в обоих глазах и головном мозге в результате диабета может наблюдаться с помощью поведенческих тестов, проводимых на грызунах. Y-лабиринт, мера пространственного познания, и оптомоторный ответ, мера зрительной функции, дают представление о потенциальных диагнозах и методах лечения.
Abstract
Оптомоторная реакция и Y-лабиринт являются поведенческими тестами, полезными для оценки зрительной и когнитивной функции соответственно. Оптомоторный ответ является ценным инструментом для отслеживания изменений порогов пространственной частоты (SF) и контрастной чувствительности (CS) с течением времени в ряде моделей заболеваний сетчатки, включая диабетическую ретинопатию. Аналогичным образом, Y-лабиринт может быть использован для мониторинга пространственного познания (измеряемого спонтанным чередованием) и исследовательского поведения (измеряемого рядом записей) в ряде моделей заболеваний, которые влияют на центральную нервную систему. Преимущества оптомоторного ответа и Y-лабиринта включают чувствительность, скорость тестирования, использование врожденных реакций (обучение не требуется) и возможность выполнять на бодрствующих (не обезболенных) животных. Здесь описаны протоколы как для оптомоторного ответа, так и для Y-лабиринта, а примеры их использования показаны в моделях диабета I и II типа. Методы включают подготовку грызунов и оборудования, производительность оптомоторного ответа и Y-лабиринта, а также анализ данных после тестирования.
Introduction
Более 463 миллионов человек живут с диабетом, что делает его одной из крупнейших глобальных эпидемий заболеваний1. Одним из серьезных осложнений, возникающих при диабете, является диабетическая ретинопатия (ДР), ведущая причина слепоты у взрослых американцев трудоспособного возраста2. В ближайшие 30 лет процент населения, подверженного риску ДР, по прогнозам, удвоится, поэтому крайне важно найти новые способы диагностики ДР на более ранних стадиях для предотвращения и смягчения развития ДР3. Dr традиционно считается сосудистым заболеванием4,5,6. Однако теперь, с признаками нейрональной дисфункции и апоптоза в сетчатке, который предшествует сосудистой патологии, DR определяется как имеющий нейронные и сосудистые компоненты4,5,6,7,8,9. Одним из способов диагностики ДР может быть изучение нервных аномалий в сетчатке, ткани, которая может быть более уязвимой к окислительному стрессу и метаболическому напряжению от диабета, чем другая нервная ткань10.
Снижение когнитивной и двигательной функции также происходит при диабете и часто коррелирует с изменениями сетчатки. Пожилые люди с диабетом II типа показывают худшие базовые когнитивные функции и показывают более усугубленное снижение когнитивных функций, чем контрольные участники11. Кроме того, сетчатка была установлена как расширение центральной нервной системы и патологии могут проявляться в сетчатке12. Клинически связь между сетчаткой и мозгом была изучена в контексте болезни Альцгеймера и других заболеваний, но обычно не исследуется при диабете12,13,14,15,16. Изменения в мозге и сетчатке во время прогрессирования диабета могут быть изучены с использованием животных моделей, включая крысу STZ (модель диабета типа I, в которой токсин, стрептозотоцин или STZ, используется для повреждения бета-клеток поджелудочной железы) и крысу Гото-Какидзаки (полигенная модель диабета типа II, при которой у животных спонтанно развивается гипергликемия примерно в возрасте около 3 недель). В этом протоколе приводится описание Y-лабиринта и оптомоторного ответа для оценки когнитивных и визуальных изменений у диабетических грызунов соответственно. Оптомоторная реакция (OMR) оценивает пространственную частоту (аналогичную остроте зрения) и контрастную чувствительность путем мониторинга характерных рефлексивных движений головы для измерения зрительных порогов для каждого глаза17. Пространственная частота относится к толщине или тонкости полос, а контрастная чувствительность относится к тому, насколько контрастен между полосами и фоном (рисунок 1E). Между тем, Y-лабиринт проверяет кратковременную пространственную память и исследовательскую функцию, наблюдаемую через спонтанные чередования и входы через рукава лабиринта.
Оба теста могут быть выполнены на бодрствующих, не обезболенных животных и имеют преимущество в том, что они извлекают выгоду из врожденных реакций животных, что означает, что они не требуют обучения. Оба являются относительно чувствительными, поскольку их можно использовать для выявления дефицита на ранней стадии прогрессирования диабета у грызунов, и надежными, поскольку они дают результаты, которые коррелируют с другими визуальными, сетчаточными или поведенческими тестами. Кроме того, использование OMR и Y-лабиринта в сочетании с такими тестами, как электроретинограмма и оптическая когерентная томография, может предоставить информацию о том, когда изменения сетчатки, структурные и когнитивные изменения развиваются относительно друг друга в моделях заболеваний. Эти исследования могут быть полезны для выявления нейронных дегенераций, которые возникают из-за диабета. В конечном счете, это может привести к новым диагностическим методам, которые эффективно идентифицируют ДР на ранних стадиях прогрессирования.
Системы OMR и Y-лабиринта, используемые для разработки этого протокола, описаны в Таблице материалов. Предыдущие исследования OMR, Prusky et al.18, и Y-лабиринта, Maurice et al.19, были использованы в качестве отправной точки для разработки этого протокола.
Protocol
Representative Results
Discussion
OMR и Y-лабиринт позволяют проводить неинвазивную оценку зрительной функции и дефицита когнитивных функций у грызунов с течением времени. В этом протоколе было продемонстрировано, что OMR и Y-лабиринт отслеживают визуальный и когнитивный дефицит у моделей диабета грызунов.
<p class="jove_content"…Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана наградами Департамента по делам ветеранов rehab R&D Service Career Development Awards (CDA-1, RX002111; КДА-2; RX002928) для RSA и (CDA-2, RX002342) для AJF и Национальных институтов здравоохранения (NIH-NICHD F31 HD097918 для DACT и NIH-NIEHS T32 ES012870 для DACT) и NEI Core Grant P30EY006360.
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).
