Valutazione comportamentale della funzione visiva tramite risposta optomotoria e funzione cognitiva tramite Y-Maze nei ratti diabetici

Summary

La degenerazione neurale sia negli occhi che nel cervello a causa del diabete può essere osservata attraverso test comportamentali effettuati sui roditori. Il labirinto Y, una misura della cognizione spaziale, e la risposta optomotoria, una misura della funzione visiva, forniscono entrambi informazioni su potenziali diagnosi e trattamenti.

Abstract

La risposta optomotoria e il labirinto a Y sono test comportamentali utili per valutare rispettivamente la funzione visiva e cognitiva. La risposta optomotoria è uno strumento prezioso per monitorare i cambiamenti nelle soglie di frequenza spaziale (SF) e sensibilità al contrasto (CS) nel tempo in una serie di modelli di malattia retinica, tra cui la retinopatia diabetica. Allo stesso modo, il labirinto Y può essere utilizzato per monitorare la cognizione spaziale (misurata dall’alternanza spontanea) e il comportamento esplorativo (misurato da un certo numero di voci) in un certo numero di modelli di malattia che colpiscono il sistema nervoso centrale. I vantaggi della risposta optomotoria e del labirinto a Y includono la sensibilità, la velocità dei test, l’uso di risposte innate (non è necessario l’allenamento) e la capacità di essere eseguita su animali svegli (non anestetizzati). Qui, i protocolli sono descritti sia per la risposta optomotoria che per il labirinto a Y ed esempi del loro uso mostrati in modelli di diabete di tipo I e di tipo II. I metodi includono la preparazione di roditori e attrezzature, le prestazioni della risposta optomotoria e del labirinto a Y e l’analisi dei dati post-test.

Introduction

Oltre 463 milioni di persone vivono con il diabete, rendendolo una delle più grandi epidemie di malattie ^globali1. Una delle gravi complicazioni che derivano dal diabete è la retinopatia diabetica (DR), una delle principali cause di cecità per gli adulti americani in età ^lavorativa2. Nei prossimi 30 anni, si prevede che la percentuale della popolazione a rischio di DR raddoppierà, quindi è fondamentale trovare nuovi modi di diagnosticare la DR nelle sue fasi iniziali per prevenire e mitigare lo sviluppo di ^DR3. La DR è stata convenzionalmente ritenuta una malattia vascolare4,5,6. Tuttavia, ora con evidenza di disfunzione neuronale e apoptosi nella retina che precede la patologia vascolare, la DR è definita per avere componenti neuronali e vascolari4,5,6,7,8,9. Un modo per diagnosticare la DR sarebbe quello di esaminare le anomalie neurali nella retina, un tessuto che può essere più vulnerabile allo stress ossidativo e allo sforzo metabolico da diabete rispetto ad altri tessuti ^neurali10.

I declini della funzione cognitiva e motoria si verificano anche con il diabete e sono spesso correlati con i cambiamenti della retina. Gli individui più anziani con diabete di tipo II ritraggono prestazioni cognitive di base peggiori e mostrano un declino cognitivo più esacerbato rispetto ai partecipanti al ^controllo11. Inoltre, la retina è stata stabilita come un’estensione del sistema nervoso centrale e le patologie possono manifestarsi nella ^retina12. Clinicamente, la relazione tra retina e cervello è stata studiata nel contesto dell’Alzheimer e di altre malattie, ma non è comunemente esplorata con il diabete12,13,14,15,16. I cambiamenti nel cervello e nella retina durante la progressione del diabete possono essere esplorati utilizzando modelli animali, tra cui il ratto STZ (un modello di diabete di tipo I in cui la tossina, streptozotocina o STZ, viene utilizzata per danneggiare le cellule beta pancreatiche) e il ratto Goto-Kakizaki (un modello poligenico di diabete di tipo II in cui gli animali sviluppano iperglicemia spontaneamente a circa 3 settimane di età). In questo protocollo, viene fornita una descrizione per il labirinto Y e la risposta optomotoria per valutare i cambiamenti cognitivi e visivi nei roditori diabetici, rispettivamente. La risposta optomotoria (OMR) valuta la frequenza spaziale (simile all’acuità visiva) e la sensibilità al contrasto monitorando i movimenti caratteristici di tracciamento riflessivo della testa per misurare le soglie visive per ciascun ^occhio17. La frequenza spaziale si riferisce allo spessore o alla finezza delle barre e la sensibilità al contrasto si riferisce alla quantità di contrasto tra le barre e lo sfondo (Figura 1E). Nel frattempo, il labirinto a Y testa la memoria spaziale a breve termine e la funzione esplorativa, osservata attraverso alternanze spontanee e ingressi attraverso i bracci del labirinto.

Entrambi i test possono essere eseguiti in animali svegli e non anestetizzati e hanno il vantaggio di capitalizzare sulle risposte innate degli animali, il che significa che non richiedono addestramento. Entrambi sono relativamente sensibili, in quanto possono essere utilizzati per rilevare i deficit nelle prime fasi della progressione del diabete nei roditori e affidabili, in quanto producono risultati correlati ad altri test visivi, retinici o comportamentali. Inoltre, l’utilizzo dell’OMR e del labirinto Y in combinazione con test come l’elettroretinogramma e le scansioni di tomografia a coerenza ottica può fornire informazioni su quando i cambiamenti retinici, strutturali e cognitivi si sviluppano l’uno rispetto all’altro nei modelli di malattia. Queste indagini potrebbero essere utili per identificare le degenerazioni neurali che si verificano a causa del diabete. In definitiva, questo potrebbe portare a nuovi metodi diagnostici che identificano efficacemente la DR nelle prime fasi della progressione.

I sistemi OMR e Y-maze utilizzati per sviluppare questo protocollo sono descritti nella Tabella dei materiali. Precedenti ricerche sull’OMR, di Prusky et ^al.18, e sul labirinto Y, di Maurice et ^al.19, sono state utilizzate come punto di partenza per sviluppare questo protocollo.

Protocol

Tutte le procedure sono state approvate dall’Atlanta Veterans Affairs Institutional Animal Care and Use Committee e conformi alla guida del National Institutes of Health per la cura e l’uso di animali da laboratorio (NIH Publications, 8a edizione, aggiornata nel 2011). 1. La risposta optomotoria (OMR) Impostare l’apparato OMR (dettagli su apparecchi e software nella Tabella dei materiali) Scegli la piattaforma di dimensioni appropriate per il rod…

Representative Results

L’OMR è considerato di successo se le soglie di frequenza spaziale e sensibilità al contrasto possono essere ottenute da un roditore. Qui, l’uso dell’OMR per valutare la frequenza spaziale è illustrato nei ratti brown-norvegia e long-evans di controllo naïve, sia giovani (3-6 mesi) che invecchiati (9-12 mesi). I ratti brown-norvegesi mostrano tipicamente una frequenza spaziale di base più elevata rispetto ai ratti Long-Evans. Inoltre, è stato osservato un effetto di invecchiamento sulla frequenza spaziale nei ratti…

Discussion

L’OMR e il labirinto Y consentono la valutazione non invasiva della funzione visiva e dei deficit cognitivi nei roditori nel tempo. In questo protocollo, l’OMR e il labirinto Y hanno dimostrato di tracciare i deficit visivi e cognitivi nei modelli di diabete dei roditori.

Passaggi critici nel protocollo

L’OMR

Alcuni punti importanti da considerare quando si esegue l’OMR per valutare la funzione visiva sono i parametri di …

Materials

OptoMotry HD	CerebralMechanics Inc.		OMR apparatus & software
Timer	Thomas Scientific	810029AR
Y-Maze apparatus	San Diego Instruments	7001-043	Available specifically for rats