Uso de estímulos visuales en ciernes para evaluar la visión del ratón
Summary
Para examinar la visión del ratón, llevamos a cabo una prueba inminente. Los ratones fueron colocados en una gran arena cuadrada con un monitor en su techo. El estímulo visual que se avecina constantemente evocaba la congelación o las reacciones de vuelo en los ratones.
Abstract
El sistema visual en el sistema nervioso central procesa diversas señales visuales. Aunque la estructura general se ha caracterizado desde la retina a través del núcleo del geniculato lateral hasta la corteza visual, el sistema es complejo. Se han realizado estudios celulares y moleculares para dilucidar los mecanismos que sustentan el procesamiento visual y, por extensión, los mecanismos de la enfermedad. Estos estudios pueden contribuir al desarrollo de sistemas visuales artificiales. Para validar los resultados de estos estudios, es necesario realizar pruebas de la visión conductual. Aquí, mostramos que el experimento de estimulación inminente es una prueba confiable de la visión del ratón que requiere una configuración relativamente simple. El experimento que se avecina se llevó a cabo en un gran recinto con un refugio en una esquina y un monitor de computadora ubicado en el techo. Una cámara CCD colocada junto al monitor de la computadora sirvió para observar el comportamiento del ratón. Se colocó un ratón en el recinto durante 10 minutos y se le permitió aclimatarse y explorar los alrededores. A continuación, el monitor proyectó un estímulo que se avecina en un programa 10 veces. El ratón respondió a los estímulos ya sea por congelación o huyendo al escondite. El comportamiento del ratón antes y después de los estímulos que se avecinan fue registrado, y el video fue analizado usando el software de seguimiento de movimiento. La velocidad del movimiento del ratón cambió significativamente después de los estímulos que se avecinan. En cambio, no se observó ninguna reacción en ratones ciegos. Nuestros resultados demuestran que el simple experimento inminente es una prueba fiable de la visión del ratón.
Introduction
El sistema visual comienza en la retina, donde las señales visuales son capturadas por los fotorreceptores, canalizadas a las células bipolares (2 neuronas de ordenND) y finalmente pasadas a las células ganglionas (3 neuronas de ordenRd). Retina 2ND-y 3 las neuronas de ordenRdse cree que forman múltiples vías neuronales que transmiten aspectos particulares de la señalización visual como el color, movimiento, o forma. Estas diversas características visuales se transmiten al núcleo del geniculato lateral y a la corteza visual. En cambio, las señales visuales que conducen al movimiento ocular se envían al coliculus superior. Clásicamente, se han identificado dos vías retino-corticales: las vías magnocelulares y parvocelulares. Estas vías codifican objetos móviles y estacionarios, respectivamente, y su existencia encarna el concepto básico de procesamiento paralelo1,2,3,4,5, 6. Recientemente, más de 15 tipos de células bipolares7,8,9,10,11 y células ganglio12,13,14 ,se han notificado15,16 en la retina de muchas especies, incluyendo la retina del primates. Estas células se distinguen no sólo por los aspectos morfológicos, sino también por la expresión de marcadores distintivos y genes8,10,17,18, sugiriendo que varias características de las señales visuales se procesan en paralelo, lo que es más complicado de lo previsto originalmente.
Las tecnologías celulares y moleculares han contribuido a nuestra comprensión del procesamiento visual y los posibles mecanismos de enfermedades que pueden surgir de un procesamiento visual aberrante. Tal comprensión puede contribuir al desarrollo de los ojos artificiales. Aunque los exámenes y análisis celulares ofrecen un conocimiento profundo a nivel celular, una combinación de experimentos de comportamiento y experimentos celulares aumentaría significativamente nuestra comprensión actual de los procesos visuales minutuales. Por ejemplo, Yoshida et al.19 encontraron que las células de amacrinas Starburst son las neuronas clave para la detección de movimiento en la retina del ratón. Después de los experimentos celulares, realizaron el experimento conductual de nistagmo optocinético (OKN) para mostrar que los ratones mutantes en los que las células de amacrina StarBurst eran disfuncionales no respondieron a objetos en movimiento, confirmando así su Investigaciones. Además, Pearson et al.20 realizaron un trasplante de fotorreceptores en la retina del ratón para restaurar la visión en ratones enfermos. No solo realizaron experimentos celulares, sino que también midieron el comportamiento del ratón mediante el uso de grabaciones de respuesta optomotora y tareas de laberinto de agua, lo que permitió a Pearson et al. verificar que los fotorreceptores transplantados restauraron la visión en los anteriormente ciegos Ratones. Tomados en conjunto, los experimentos de comportamiento son herramientas sólidas para evaluar la visión del ratón.
Hay varios métodos disponibles para medir la visión del ratón. Estos métodos tienen ventajas y limitaciones. El ERG in vivo proporciona información sobre si la retina del ratón, particularmente los fotorreceptores y las células bipolares, responde adecuadamente a los estímulos ligeros. Erg se puede probar en condiciones escotópica o fotópica21,22. Sin embargo, el ERG requiere anestesia, lo que podría afectar a la medición de salida23. El reflejo optocinético (OKR) o la respuesta optomotora (OMR) es un método robusto para evaluar la sensibilidad al contraste y la resolución espacial, ambos componentes funcionales de la visión del ratón. Sin embargo, OKR requiere cirugía para sujetar un dispositivo de fijación al cráneo del ratón24. OMR no requiere ni cirugía ni entrenamiento del ratón; sin embargo, requiere entrenamiento para permitir que un experimentador detecte subjetivamente los movimientos sutiles de la cabeza del ratón en respuesta a una rejilla en movimiento en un tambor óptico 25,26. Reflejo de la luz de la pupila mide la constricción de la pupila en respuesta a estímulos ligeros, que no requiere anestesia y exhibe respuestas objetivas y robustas 19. Aunque el reflejo de la pupila simula la respuesta de la luz retiniana in vivo, el reflejo está mediado principalmente por las células de ganglión retinianas intrínsecamente fotosensibles (ipRGCs) 27. Debido a que los ipRGCs representan una pequeña minoría de RGCs y no sirven como células ganglionadoras convencionales que forman imágenes, esta medición no proporciona información relativa a la mayoría de las células ganglionarias.
El experimento de luz inminente no se ha considerado previamente una prueba importante para medir la visión del ratón. Sin embargo, también es una prueba de visión robusta y confiable a través de varias especies, como el ratón28,29, pez cebra30, Locust31,32, y Human33,34, 35. es importante destacar que el experimento que se avecina es uno de los pocos métodos para probar el camino de formación de imágenes-no es una vía de reflejo-dado el visual y los sistemas límbicos en el sistema nervioso central están involucrados en este circuito36, 37,38. Hemos establecido un sistema de estímulo visual inminente y hemos demostrado su capacidad para provocar la detección de movimiento en el ratón, que utilizamos como un proxy para evaluar la intacacidad del sistema visual del ratón.
Protocol
Representative Results
Discussion
Con el sistema de estímulos visuales en ciernes, una mayoría (97%) de ratones oculares sanos mostró respuesta de vuelo. Uno de los 29 ratones no muestra una respuesta de vuelo obvia. Sin embargo, el ratón caminó hacia la cúpula y permaneció cerca hasta que se avecina desapareció, indicando que el ratón era al menos cauteloso cuando se produjeron los estímulos que se avecinan. Por lo tanto, los estímulos que se avecinan consistentemente provocan respuestas de miedo innatas en ratones de ojos sanos. Por otro lad…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por las becas NIH r01 EY028915 (TI) y 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 |
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