Summary

Quantificazione della selettività delle caratteristiche visive del riflesso optocinetico nei topi

Published: June 23, 2023
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Summary

Qui descriviamo un protocollo standard per quantificare il riflesso optocinetico. Combina la stimolazione virtuale del tamburo e la video-oculografia, e consente quindi una valutazione precisa della selettività delle caratteristiche del comportamento e della sua plasticità adattativa.

Abstract

Il riflesso optocinetico (OKR) è un movimento oculare innato essenziale che viene innescato dal movimento globale dell’ambiente visivo e serve a stabilizzare le immagini retiniche. Per la sua importanza e robustezza, l’OKR è stato utilizzato per studiare l’apprendimento visuo-motorio e per valutare le funzioni visive di topi con diversi background genetici, età e trattamenti farmacologici. Qui, introduciamo una procedura per valutare le risposte OKR di topi con testa fissata con elevata precisione. La fissazione della testa può escludere il contributo della stimolazione vestibolare sui movimenti oculari, consentendo di misurare i movimenti oculari innescati solo dal movimento visivo. L’OKR è suscitato da un sistema di tamburi virtuali, in cui un reticolo verticale presentato su tre monitor di computer si sposta orizzontalmente in modo oscillatorio o unidirezionale a velocità costante. Con questo sistema di realtà virtuale, possiamo modificare sistematicamente i parametri visivi come la frequenza spaziale, la frequenza temporale/oscillante, il contrasto, la luminanza e la direzione dei reticoli e quantificare le curve di sintonizzazione della selettività delle caratteristiche visive. La video-oculografia a infrarossi ad alta velocità garantisce una misurazione accurata della traiettoria dei movimenti oculari. Gli occhi dei singoli topi sono calibrati per fornire l’opportunità di confrontare gli OKR tra animali di età, sesso e background genetico diversi. La potenza quantitativa di questa tecnica consente di rilevare i cambiamenti nell’OKR quando questo comportamento si adatta plasticamente a causa dell’invecchiamento, dell’esperienza sensoriale o dell’apprendimento motorio; Pertanto, rende questa tecnica una preziosa aggiunta al repertorio di strumenti utilizzati per indagare la plasticità dei comportamenti oculari.

Introduction

In risposta agli stimoli visivi nell’ambiente, i nostri occhi si muovono per spostare lo sguardo, stabilizzare le immagini retiniche, tracciare bersagli in movimento o allineare le fovee di due occhi con bersagli situati a distanze diverse dall’osservatore, che sono vitali per una corretta visione 1,2. I comportamenti oculomotori sono stati ampiamente utilizzati come modelli attraenti di integrazione sensomotoria per comprendere i circuiti neurali in salute e malattia, almeno in parte a causa della semplicità del sistema oculomotorio3. Controllato da tre paia di muscoli extraoculari, l’occhio ruota nell’alveolo principalmente attorno a tre assi corrispondenti: elevazione e depressione lungo l’asse trasversale, adduzione e abduzione lungo l’asse verticale e intorsione ed estorsione lungo l’asse anteroposteriore 1,2. Un sistema così semplice consente ai ricercatori di valutare i comportamenti oculomotori dei topi in modo semplice e accurato in un ambiente di laboratorio.

Uno dei principali comportamenti oculomotori è il riflesso optocinetico (OKR). Questo movimento oculare involontario è innescato da lente derive o slittamenti di immagini sulla retina e serve a stabilizzare le immagini retiniche mentre la testa di un animale o l’ambiente circostante si muovono 2,4. L’OKR, come paradigma comportamentale, è interessante per i ricercatori per diversi motivi. In primo luogo, può essere stimolato in modo affidabile e quantificato con precisione 5,6. In secondo luogo, le procedure di quantificazione di questo comportamento sono relativamente semplici e standardizzate e possono essere applicate per valutare le funzioni visive di un’ampia coorte di animali7. In terzo luogo, questo comportamento innato è altamente plastico 5,8,9. La sua ampiezza può essere potenziata quando si verificano slittamenti retinici ripetitivi per lungo tempo 5,8,9 o quando il riflesso oculare vestibolare (VOR) del suo partner di lavoro, un altro meccanismo di stabilizzazione delle immagini retiniche innescato dall’input vestibolare2, è compromesso5. Questi paradigmi sperimentali di potenziamento OKR consentono ai ricercatori di svelare le basi del circuito alla base dell’apprendimento oculomotorio.

Due metodi non invasivi sono stati utilizzati principalmente per valutare l’OKR in studi precedenti: (1) video-oculografia combinata con un tamburo fisico 7,10,11,12,13 o (2) determinazione arbitraria dei giri della testa combinata con un tamburo virtuale6,14,15,16. Sebbene le loro applicazioni abbiano fatto scoperte fruttuose nella comprensione dei meccanismi molecolari e circuitali della plasticità oculomotoria, questi due metodi presentano ciascuno alcuni inconvenienti che limitano le loro capacità nell’esaminare quantitativamente le proprietà dell’OKR. In primo luogo, i tamburi fisici, con motivi stampati di strisce o punti bianchi e neri, non consentono cambi facili e rapidi di modelli visivi, il che limita in gran parte la misurazione della dipendenza dell’OKR da alcune caratteristiche visive, come la frequenza spaziale, la direzione e il contrasto delle griglie mobili 8,17. Invece, i test della selettività dell’OKR a queste caratteristiche visive possono beneficiare della stimolazione visiva computerizzata, in cui le caratteristiche visive possono essere convenientemente modificate da una prova all’altra. In questo modo, i ricercatori possono esaminare sistematicamente il comportamento dell’OKR nello spazio dei parametri visivi multidimensionali. Inoltre, il secondo metodo del test OKR riporta solo le soglie dei parametri visivi che innescano OKR distinguibili, ma non le ampiezze dei movimenti oculari o della testa 6,14,15,16. La mancanza di potenza quantitativa impedisce quindi di analizzare la forma delle curve di sintonizzazione e le caratteristiche visive preferite, o di rilevare sottili differenze tra i singoli topi in condizioni normali e patologiche. Per superare le limitazioni di cui sopra, la video-oculografia e la stimolazione visiva virtuale computerizzata sono state combinate per saggiare il comportamento dell’OKR nei recenti studi 5,17,18,19,20. Tuttavia, questi studi pubblicati in precedenza non hanno fornito sufficienti dettagli tecnici o istruzioni dettagliate e, di conseguenza, è ancora difficile per i ricercatori stabilire un tale test OKR per la propria ricerca.

Qui, presentiamo un protocollo per quantificare con precisione la selettività delle caratteristiche visive del comportamento OKR in condizioni fotopiche o scotopiche con la combinazione di video-oculografia e stimolazione visiva virtuale computerizzata. I topi sono fissati alla testa per evitare il movimento oculare evocato dalla stimolazione vestibolare. Una telecamera ad alta velocità viene utilizzata per registrare i movimenti oculari dei topi che osservano le griglie mobili con parametri visivi mutevoli. La dimensione fisica dei bulbi oculari dei singoli topi è calibrata per garantire l’accuratezza della derivazione dell’angolo dei movimenti oculari21. Questo metodo quantitativo permette di confrontare il comportamento OKR tra animali di età o background genetici diversi, o di monitorarne il cambiamento causato da trattamenti farmacologici o dall’apprendimento visuo-motorio.

Protocol

Tutte le procedure sperimentali eseguite in questo studio sono state approvate dal Comitato per la cura degli animali locali di scienze biologiche, in conformità con le linee guida stabilite dal Comitato per la cura degli animali dell’Università di Toronto e dal Consiglio canadese per la cura degli animali. 1. Impianto di una barra per la testa sulla parte superiore del cranio NOTA: Per evitare il contributo del comportamento VOR ai movimenti ocular…

Representative Results

Con la procedura sopra descritta, abbiamo valutato la dipendenza dell’OKR da diverse caratteristiche visive. Le tracce di esempio mostrate qui sono state derivate utilizzando i codici di analisi forniti nel file di codifica supplementare 1 e il file grezzo delle tracce di esempio è disponibile nel file di codifica supplementare 2. Quando il reticolo del tamburo si spostava in una traiettoria sinusoidale (0,4 Hz), l’occhio dell’animale seguiva automaticamente il movimento del reticolo in…

Discussion

Il metodo del test comportamentale OKR qui presentato offre diversi vantaggi. In primo luogo, la stimolazione visiva generata dal computer risolve i problemi intrinseci dei tamburi fisici. Affrontando il problema che i tamburi fisici non supportano l’esame sistematico della frequenza spaziale, della direzione o dell’accordatura del contrasto8, il tamburo virtuale consente di modificare questi parametri visivi su base trial-by-trial, facilitando così un’analisi sistematica e quantitativa della sel…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Siamo grati a Yingtian He per aver condiviso i dati della sintonizzazione della direzione. Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni della Fondazione canadese per l’innovazione e del Fondo di ricerca dell’Ontario (progetto CFI/ORF n. 37597), NSERC (RGPIN-2019-06479), CIHR (Project Grant 437007) e Connaught New Researcher Awards.

Materials

2D translational stage Thorlabs XYT1
Acrylic resin Lang Dental B1356 For fixing headplate on skull and protecting skull
Bupivacaine STERIMAX ST-BX223 Bupivacaine Injection BP 0.5%. Local anesthesia
Carprofen RIMADYL 8507-14-1 Analgesia
Compressed air Dust-Off
Eye ointment Alcon Systane For maintaining moisture of eyes
Graphic card NVIDIA Geforce GTX 1650 or Quadro P620. For generating single screen among three monitors
Heating pad Kent Scientific HTP-1500 For maintaining body temperature
High-speed infrared (IR) camera Teledyne Dalsa G3-GM12-M0640 For recording eye rotation
IR LED Digikey PDI-E803-ND For CR reference and the illumination of the eye
IR mirror Edmund optics 64-471 For reflecting image of eye
Isoflurane FRESENIUS KABI CP0406V2
Labview National instruments version 2014 eye tracking
Lactated ringer BAXTER JB2324 Water and energy supply
Lidocaine and epinephrine mix Dentsply Sirona 82215-1 XYLOCAINE. Local anesthesia
Luminance Meter Konica Minolta LS-150 for calibration of monitors
Matlab MathWorks version xxx analysis of eye movements
Meyhoefer Curette World Precision Instruments 501773 For scraping skull and removing fascia
Microscope calibration slide Amscope MR095 to measure the magnification of video-oculography
Monitors Acer  B247W Visual stimulation
Neutral density filter Lee filters 299 to generate scotopic visual stimulation
Nigh vision goggle Alpha optics AO-3277 for scotopic OKR
Photodiode Digikey TSL254-R-LF-ND to synchronize visual stimulation and video-oculography
Pilocarpine hydrochloride Sigma-Aldrich P6503
Post Thorlabs TR1.5
Post holder Thorlabs PH1
PsychoPy open source software version xxx visual stimulation toolkit
Scissor RWD S12003-09 For skin removal
Superglue Krazy Glue Type: All purpose. For adhering headplate on the skull

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Liu, J., Liu, B. Quantification of Visual Feature Selectivity of the Optokinetic Reflex in Mice. J. Vis. Exp. (196), e65281, doi:10.3791/65281 (2023).

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