Использование Looming визуальных стимулов для оценки зрения мыши
Summary
Чтобы изучить зрение мыши, мы провели надвигающийся тест. Мыши были размещены на большой квадратной арене с монитором на потолке. Надвигающийся визуальный стимул последовательно вызывал замораживание или полет реакции у мышей.
Abstract
Зрительная система в центральной нервной системе обрабатывает различные зрительные сигналы. Хотя общая структура была охарактеризована от сетчатки через боковое гениальное ядро к зрительной коре, система сложна. Были проведены клеточные и молекулярные исследования для выяснения механизмов, лежащих в основе зрительной обработки и, как следствие, механизмов заболевания. Эти исследования могут способствовать развитию искусственных визуальных систем. Для проверки результатов этих исследований необходимо тестирование на поведенческое зрение. Здесь мы показываем, что надвигающийся эксперимент стимуляции является надежным испытанием зрения мыши, который требует относительно простой установки. Эксперимент проводился в большом вольере с укрытием в одном углу и компьютерным монитором, расположенным на потолке. Камера CCD, расположенная рядом с монитором компьютера, служила для наблюдения за поведением мыши. Мышь была помещена в корпус в течение 10 минут и позволила акклиматизироваться и исследовать окрестности. Затем, монитор прогнозируемых программы полученных надвигающийся стимул 10 раз. Мышь ответила на раздражители либо замораживанием, либо бегством в тайник. Поведение мыши до и после надвигающихся стимулов было записано, и видео было проанализировано с помощью программного обеспечения для отслеживания движения. Скорость движения мыши значительно изменилась после надвигающихся стимулов. В отличие от этого, никакой реакции не наблюдалось у слепых мышей. Наши результаты показывают, что простой надвигающийся эксперимент является надежным испытанием зрения мыши.
Introduction
Зрительная система начинается на сетчатке, где зрительные сигналы захватываютсяфоторецепторами, направляются в биполярные клетки (2-го порядка нейронов), и, наконец, передается ганглия клетки (3-го порядка нейронов). Считается, что нейроны ретина 2nd– и 3-гопорядкаобразуют несколько нервных путей, которые передают определенные аспекты визуальной сигнализации, такие как цвет, движение или форма. Эти разнообразные визуальные особенности передаются в боковое гениальное ядро и зрительную кору. В отличие от этого, визуальные сигналы, ведущие к движению глаз, направляются в верхний колликул. Классически были идентифицированы два ретино-кортикальных пути- магноцеллюлярные и парвоклеточные пути. Эти пути кодируют движущиеся и стационарные объекты, соответственно, иих существование воплощает в себе основную концепцию параллельной обработки 1,2,3,4, 6. В последнее время более 15типов биполярных клеток 7,8,9,10,11 и ганглия клеток12,13,14 ,15,16 были зарегистрированы в сетчатке многих видов, в том числе приматов сетчатки. Эти клетки отличаются не только морфологическими аспектами, нои экспрессией различных маркеров и генов 8,10,17,18, предполагая, что различные особенности визуальные сигналы обрабатываются параллельно, что является более сложным, чем первоначально предполагалось.
Сотовые и молекулярные технологии внесли свой вклад в наше понимание визуальной обработки и потенциальных механизмов заболевания, которые могут возникнуть в результате аномарной визуальной обработки. Такое понимание может способствовать развитию искусственных глаз. Хотя клеточные исследования и анализ предлагают углубленные знания на клеточном уровне, сочетание поведенческих экспериментов и клеточных экспериментов значительно увеличит наше текущее понимание мельчайших визуальных процессов. Например, Yoshida et al.19 обнаружили, что звездообразования амакринных клеток являются ключевыми нейронами для обнаружения движения в сетчатке мыши. После клеточных экспериментов, они провели оптокинетический нистагм (OKN) поведенческий эксперимент, чтобы показать, что мыши-мутанты, в которых звездообразования амакринных клеток были дисфункциональными, не реагировали на движущиеся объекты, тем самым подтверждая их клеточные расследования. Кроме того, Pearson et al.20 провели трансплантацию фоторецепторов в сетчатке мыши для восстановления зрения у больных мышей. Они провели не только клеточные эксперименты, но и измерили поведение мыши с помощью оптомоторных записей ответов и задач водного лабиринта, что позволило Pearson et al. проверить, что пересаженные фоторецепторы восстановили зрение у ранее слепых мышей. В совокупности поведенческие эксперименты являются сильными инструментами для оценки зрения мыши.
Для измерения зрения мыши доступны несколько методов. Эти методы имеют преимущества и ограничения. In vivo ERG предоставляет информацию о том, правильно ли реагирует на световые стимулы сетчатки мыши, особенно фоторецепторы и двухполярные клетки ON. ERG может быть протестирован либо в scotopic или фотопиковые условия21,22. Тем не менее, ERG требует анестезии, которая может повлиять на выход измерения23. Оптокинетический рефлекс (OKR) или оптомоторная реакция (OMR) является надежным методом оценки контрастной чувствительности и пространственного разрешения, как функциональных компонентов зрения мыши. Тем не менее, OKR требует хирургического вмешательства, чтобы прикрепить устройство фиксации к черепу мыши24. OMR не требует ни хирургического вмешательства, ни обучения мышей; однако, это требует обучения, чтобы позволить экспериментатору субъективно обнаружить тонкие движения головы мыши в ответ на движущуюся решетку в оптическом барабане 25,26. Ученик свет рефлекс измеряет сужение зрачка в ответ на световые стимулы, которые не требуют анестезии и экспонатов объективных и надежных ответов 19. Хотя ученик рефлекс имитирует реакцию света в ретье in vivo, рефлекс опосредованной главным образом внутренне photosensitive клетками ганглия ретин (ipRGCs) 27. Поскольку IPRGCs представляют небольшое меньшинство RGCs и не служат в качестве обычных образообразующих ганглия клетки, это измерение не предоставляет информацию, относящуюся к большинству клеток ганглия.
Эксперимент с надвигающимся светом ранее не считался серьезным испытанием для измерения зрения мыши. Тем не менее, это также надежный и надежный тест на зрение для различных видов, таких как мышь28,29, зебрафиш30, саранча31,32, и человека33,34, 35. Важно, что надвигающийся эксперимент является одним из немногих методов для проверки имидж-образного пути – это не рефлекторный путь – с учетом визуальных и лимбических систем в центральной нервной системе участвуют в этой схеме36, 37,38. Мы создали надвигающуюся систему визуального стимулирования и продемонстрировали свою способность выявлять обнаружение движения в мыши, которую мы используем в качестве прокси для оценки нетронутости визуальной системы мыши.
Protocol
Representative Results
Discussion
С надвигающейся системой визуальных стимулов, большинство (97%) здоровых глазных мышей показали полетную реакцию. Одна из 29 мышей не продемонстрировала очевидной реакции полета. Тем не менее, мышь шла к куполу и оставалась рядом с ним, пока надвигающийся не исчез, указывая, что мышь была п…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантами NIH R01 EY028915 (TI) и 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 |
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).
