Diyabetik Sıçanlarda Y-Labirenti Yoluyla Optomotor Yanıtı ve Bilişsel İşlev Yoluyla Görsel İşlevin Davranışsal Değerlendirmesi
Summary
Diyabet sonucu hem gözlerde hem de beyinde nöral dejenerasyon kemirgenler üzerinde yapılan davranışsal testlerle gözlemlenebilir. Mekansal bilişin bir ölçüsü olan Y labirenti ve görsel fonksiyonun bir ölçüsü olan optomotor yanıtı, hem potansiyel teşhisler hem de tedaviler hakkında fikir sağlar.
Abstract
Optomotor yanıtı ve Y labirenti, sırasıyla görsel ve bilişsel işlevi değerlendirmek için yararlı davranışsal testlerdir. Optomotor yanıtı, diyabetik retinopati de dahil olmak üzere bir dizi retina hastalığı modelinde zaman içinde mekansal frekans (SF) ve kontrast duyarlılığı (CS) eşiklerindeki değişiklikleri izlemek için değerli bir araçtır. Benzer şekilde, Y labirenti, merkezi sinir sistemini etkileyen bir dizi hastalık modelinde mekansal bilişi (spontan değişimle ölçüldüğü gibi) ve keşif davranışını (bir dizi girişle ölçüldüğü gibi) izlemek için kullanılabilir. Optomotor yanıtının ve Y labirentinin avantajları arasında hassasiyet, test hızı, doğuştan gelen yanıtların kullanımı (eğitime gerek yoktur) ve uyanık (uyuşturulmamış) hayvanlar üzerinde gerçekleştirilme yeteneği bulunur. Burada, hem optomotor yanıtı hem de Y labirenti ve Tip I ve Tip II diyabet modellerinde gösterilen kullanım örnekleri için protokoller açıklanmaktadır. Yöntemler arasında kemirgenlerin ve ekipmanların hazırlanması, optomotor yanıtının ve Y labirentinin performansı ve test sonrası veri analizi yer alır.
Introduction
463 milyondan fazla insan diyabetle yaşıyor ve bu da onu en büyük küresel hastalık salgınlarından biri haline getiriyor1. Diyabetten kaynaklanan ciddi komplikasyonlardan biri, çalışma çağındaki Amerikalı yetişkinler için körlüğün önde gelen bir nedeni olan diyabetik retinopatidir (DR). Önümüzdeki 30 yıl içinde, DR için risk altındaki nüfusun yüzdesinin iki katına katlanarak tahmin edildiği, bu nedenle DR gelişimini önlemek ve azaltmak için daha önceki aşamalarında DR tanısının yeni yollarını bulmak çok önemlidir3. DR’nin geleneksel olarak vasküler bir hastalık olduğu düşünülmektedir4,5,6. Bununla birlikte, şimdi vasküler patolojiden önce retinada nöronal disfonksiyon ve apoptoz kanıtı ile DR nöronal ve vasküler bileşenlere sahip olarak tanımlanmıştır4,5,6,7,8,9. DR tanısının bir yolu, diğer sinir dokusuna göre diyabetten oksidatif strese ve metabolik zorlanmaya karşı daha savunmasız olabilecek bir doku olan retinadaki sinirsel anormallikleri incelemek olacaktır10.
Bilişsel ve motor fonksiyondaki düşüşler diyabetle de ortaya çıkar ve genellikle retina değişiklikleri ile ilişkilidir. Tip II diyabetli yaşlı bireyler daha kötü temel bilişsel performans gösterir ve kontrol katılımcılarından daha şiddetli bilişsel düşüş gösterir11. Ek olarak, retina merkezi sinir sisteminin bir uzantısı olarak kurulmuştur ve patolojiler retinada kendini gösterebilir12. Klinik olarak, retina ve beyin arasındaki ilişki Alzheimer ve diğer hastalıklar bağlamında incelenmiştir, ancak diyabet ile yaygın olarak araştırılmamıştır12,13,14,15,16. Diyabetin ilerlemesi sırasında beyin ve retinadaki değişiklikler, STZ sıçanı (toksin, streptozotosin veya STZ’nin pankreas beta hücrelerine zarar vermek için kullanıldığı Tip I diyabet modeli) ve Goto-Kakizaki sıçanı (hayvanların yaklaşık 3 haftalıkken kendiliğinden hiperglisemi geliştirdiği Tip II diyabetin polijenik bir modeli) dahil olmak üzere hayvan modelleri kullanılarak araştırılabilir. Bu protokolde, sırasıyla diyabetik kemirgenlerdeki bilişsel ve görsel değişiklikleri değerlendirmek için Y labirenti ve optomotor yanıtı için bir açıklama sağlanmıştır. Optomotor yanıtı (OMR), her göz için görsel eşikleri ölçmek için karakteristik refleksif kafa izleme hareketlerini izleyerek mekansal frekansı (görme keskinliğine benzer) ve kontrast hassasiyetini değerlendirir17. Uzamsal frekans çubukların kalınlığını veya inceliğini, kontrast duyarlılığı ise çubuklar ile arka plan arasında ne kadar kontrast olduğunu ifade eder (Şekil 1E). Bu arada, Y-labirenti, labirentin kollarından spontan değişimler ve girişler yoluyla gözlemlenen kısa süreli mekansal hafızayı ve keşif fonksiyonunu test eder.
Her iki test de uyanık, uyuşturulmamış hayvanlarda yapılabilir ve hayvanların doğuştan gelen tepkilerinden yararlanma avantajına sahiptir, yani eğitim gerektirmezler. Her ikisi de kemirgenlerde diyabetin ilerlemesinin başlarında açıkları tespit etmek için kullanılabileceği için nispeten hassastır ve diğer görsel, retinal veya davranışsal testlerle ilişkili sonuçlar ürettikleri için güvenilirdir. Ek olarak, OMR ve Y labirentinin elektroretinogram ve optik tutarlılık tomografi taramaları gibi testlerle birlikte kullanılması, hastalık modellerinde retinal, yapısal ve bilişsel değişikliklerin ne zaman geliştiği hakkında bilgi sağlayabilir. Bu araştırmalar diyabete bağlı olarak ortaya çıkan nöral dejenerasyonların tanımlanmasında yararlı olabilir. Sonuç olarak, bu, ilerlemenin erken aşamalarında DR’yi etkili bir şekilde tanımlayan yeni tanı yöntemlerine yol açabilir.
Bu protokolü geliştirmek için kullanılan OMR ve Y labirent sistemleri Malzeme Tablosunda açıklanmıştır. OMR ile ilgili önceki araştırmalar, Prusky ve ark.18 ve Maurice ve ark.19 tarafından Y labirenti, bu protokolü geliştirmek için başlangıç noktası olarak kullanılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
OMR ve Y labirenti, zaman içinde kemirgenlerde görsel fonksiyon ve bilişsel işlev açıklarının invaziv olmayan değerlendirilmesine izin verir. Bu protokolde, OMR ve Y labirentinin kemirgen diyabet modellerinde görme ve bilişsel açıkları izlediği gösterilmiştir.
Protokolde kritik adımlar
The OMR
Görsel işlevi değerlendirmek için OMR’yi gerçekleştirirken dikkate alınması gereken bazı önemli noktal…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Gazi İşleri Bakanlığı Rehabilitasyon Ar-Ge Hizmet Kariyer Geliştirme Ödülleri (CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928) RSA’ya ve (CDA-2, RX002342) AJF ve Ulusal Sağlık Enstitüleri’ne (NIH-NICHD F31 HD097918’den DACT’ye ve NIH-NIEHS T32 ES012870’den DACT’ye) ve NEI Core Grant P30EY006360’a.
Materials
| OptoMotry HD | CerebralMechanics Inc. | OMR apparatus & software | |
| Timer | Thomas Scientific | 810029AR | |
| Y-Maze apparatus | San Diego Instruments | 7001-043 | Available specifically for rats |
Referenzen
- . 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).
