Brug af truende visuelle stimuli til at evaluere musens vision
Summary
For at undersøge musens udsyn gennemførte vi en truende test. Mus blev placeret i en stor firkantet Arena med en skærm på loftet. Den truende visuelle stimulus konsekvent fremkaldte frysning eller flyvning reaktioner i mus.
Abstract
Det visuelle system i det centrale nervesystem behandler forskellige visuelle signaler. Selv om den overordnede struktur er blevet karakteriseret fra nethinden gennem lateral geniculate kerne til den visuelle cortex, systemet er komplekst. Der er udført cellulære og molekylære undersøgelser for at belyse de mekanismer, der understøtter visuel behandling og i forlængelse heraf sygdomsmekanismer. Disse undersøgelser kan bidrage til udviklingen af kunstige visuelle systemer. For at validere resultaterne af disse undersøgelser, adfærdsmæssige vision test er nødvendig. Her viser vi, at det truende stimulerings eksperiment er en pålidelig muse Visions test, der kræver en relativt enkel opsætning. Det truende eksperiment blev udført i et stort kabinet med et læ i et hjørne og en computerskærm placeret på loftet. Et CCD-kamera placeret ved siden af computerskærmen tjente til at observere musens opførsel. En mus blev anbragt i kabinettet i 10 minutter og fik lov til at acclimere til og udforske omgivelserne. Derefter, skærmen forventede en program-afledt truende stimulus 10 gange. Musen reagerede på stimuli enten ved frysning eller ved at flygte til skjulested. Musens opførsel før og efter de truende stimuli blev indspillet, og videoen blev analyseret ved hjælp af motion tracking software. Hastigheden af musen bevægelse væsentligt ændret sig efter de truende stimuli. I modsætning hertil blev der ikke observeret nogen reaktion hos blinde mus. Vores resultater viser, at den simple truende eksperiment er en pålidelig test af mus vision.
Introduction
Det visuelle system starter på nethinden, hvor visuelle signaler er fanget af fotografer, kanaliseret til bipolar celler (2nd-Order neuroner), og endelig gået til ganglion celler (3Rd-Order neuroner). Nethinde 2nd-og 3Rd-orden neuroner menes at danne flere neurale veje, der formidler særlige aspekter af visuel signalering såsom farve, bevægelse, eller form. Disse forskellige visuelle funktioner videresendes til den laterale geniculate kerne og den visuelle cortex. I modsætning hertil sendes visuelle signaler, der fører til øjenbevægelser, til den overlegne colliculus. Klassisk, to Retino-kortikale veje er blevet identificeret: den magnocellulære og parvocellulære veje. Disse veje indkode bevægelige og stationære objekter, henholdsvis, og deres eksistens legemliggør det grundlæggende begreb parallel behandling1,2,3,4,5, 6. det er For nylig, mere end 15 typer af bipolarceller 7,8,9,10,11 og ganglionceller 12,13,14 ,15,16 er blevet rapporteret i nethinden af mange arter, herunder primat Retina. Disse celler er kendetegnet ikke kun af morfologiske aspekter, men også af udtrykket af særskilte markører og gener8,10,17,18, tyder på, at forskellige funktioner i visuelle signaler behandles parallelt, hvilket er mere kompliceret end oprindeligt forudset.
Cellulære og molekylære teknologier har bidraget til vores forståelse af visuel behandling og potentielle sygdomsmekanismer, der kan opstå som følge af afvigende visuel behandling. En sådan forståelse kan bidrage til udviklingen af kunstige øjne. Selvom cellulære undersøgelser og analyser tilbyder dybdegående viden på celleniveau, vil en kombination af adfærdsmæssige eksperimenter og cellulære eksperimenter i væsentlig grad forøge vores nuværende forståelse af minuttal visuelle processer. For eksempel, Yoshida et al.19 fundet, at starburst amacrine celler er de vigtigste neuroner for bevægelsesdetektering i mus nethinden. Efter cellulære eksperimenter udførte de optokinetic Nystagmus (OKN) adfærds eksperiment for at vise, at mutante mus, hvor starburst-amacrine celler var dysfunktionelle, ikke reagerede på bevægelige genstande og derved bekræftede deres cellulære Undersøgelser. Derudover udførte Pearson et al.20 foto receptor transplantation i muse nethinden for at genskabe synet i syge mus. De gennemførte ikke kun cellulære eksperimenter, men også målte musens opførsel gennem brug af optomotor respons optagelser og vand-labyrint opgaver og dermed tillod Pearson et al. at kontrollere, at transplanterede fotografer restaurerede synet i det tidligere blinde Mus. Taget sammen, adfærdsmæssige eksperimenter er stærke værktøjer til at vurdere musens vision.
Der findes flere metoder til måling af musens udsyn. Disse metoder har fordele og begrænsninger. In vivo forsyner ERG med oplysninger om, hvorvidt muse nethinden, især fotografer og ON bipolar celler, reagerer hensigtsmæssigt på lysstimuli. ERG kan testes enten under scotopic eller Fotopisk betingelser21,22. ERG kræver dog anæstesi, hvilket kan påvirke udgangs målingen23. Den optokinetiske refleks (OKR) eller optomotor respons (OMR) er en robust metode til at vurdere kontrast følsomhed og rumlig opløsning, begge funktionelle komponenter i mus vision. OKR kræver dog operation for at vedhæfte en fikserings anordning til musens kraniet24. OMR kræver hverken kirurgi eller mus træning; Det kræver dog undervisning, at en eksperimentatoren subjektivt kan detektere diskrete muse hoved bevægelser som reaktion på en bevægende rist i en optisk tromle 25,26. Elev lysrefleks måler elev konstriktion som reaktion på lysstimuli, som ikke kræver anæstesi og udviser objektiv og robust respons 19. Selv om elev refleksen simulerer nethinde lysinrespons in vivo, medieres refleks hovedsageligt af de iboende lysfølsomme nethinde ganglion celler (ipRGCs) 27. Fordi ipRGCs repræsenterer et lille mindretal af Rgc’er og ikke tjener som konventionelle Billeddannende ganglion celler, denne måling ikke giver oplysninger vedrørende de fleste ganglion celler.
Det truende lyseksperiment er ikke tidligere blevet betragtet som en større test til måling af musens udsyn. Men det er også en robust og pålidelig vision test på tværs af forskellige arter, såsom mus28,29,: zebrafisk30, Locust31,32, og human33,34, 35. vigtigt, det truende eksperiment er en af kun et par metoder til at teste den Billeddannende vej-det er ikke en refleks pathway-i betragtning af de visuelle og limbiske systemer i centralnervesystemet er involveret i dette kredsløb36, 37af38. Vi har etableret en truende visuel stimulus-system og har vist sin evne til at fremkalde bevægelsesdetektering i musen, som vi bruger som en proxy til at vurdere beskadigelser af mus visuelle system.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med de truende visuelle stimuli system, et flertal (97%) af raske øjen-mus viste flyvning respons. En af 29 mus viste ikke en oplagt flyvning respons. Men musen gik mod kuplen og forblev i nærheden af det, indtil truende forsvandt, hvilket indikerer, at musen var mindst forsigtige, da de truende stimuli opstod. Derfor, de truende stimuli konsekvent fremkaldte medfødte frygt svar i sunde øjne mus. På den anden side viste tre blinde mus ingen reaktioner på de truende (foreløbige resultater). Tilsammen viser vi, at d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af NIH R01 EY028915 (TI) og RPB-tilskud.
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 |
References
- 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).
