Количественная оценка селективности зрительных признаков оптокинетического рефлекса у мышей

В ответ на визуальные раздражители в окружающей среде наши глаза двигаются, чтобы переместить наш взгляд, стабилизировать изображения на сетчатке, отслеживать движущиеся цели или выровнять ямки двух глаз с мишенями, расположенными на разном расстоянии от наблюдателя, что жизненно важно для правильного зрения ^1,2. Глазодвигательное поведение широко использовалось в качестве привлекательных моделей сенсомоторной интеграции для понимания нейронных цепей в норме и при болезнях, по крайней мере, отчасти из-за простоты глазодвигательной^{системы.} Управляемый тремя парами экстраокулярных мышц, глаз вращается в глазнице преимущественно вокруг трех соответствующих осей: возвышение и впадина вдоль поперечной оси, приведение и отведение вдоль вертикальной оси и инторсия и разгибание вдоль переднезадней оси ^1,2. Такая простая система позволяет исследователям легко и точно оценивать глазодвигательное поведение мышей в лабораторных условиях.

Одним из основных глазодвигательных движений является оптокинетический рефлекс (OKR). Это непроизвольное движение глаз вызывается медленным дрейфом или проскальзыванием изображений на сетчатке и служит для стабилизации изображений сетчатки при движении головы животного или его окружения ^2,4. OKR, как поведенческая парадигма, интересен исследователям по нескольким причинам. Во-первых, его можно надежно стимулировать и точно количественно определить ^5,6. Во-вторых, процедуры количественной оценки этого поведения относительно просты и стандартизированы и могут быть применены для оценки зрительных функций большой когорты^{животных.} В-третьих, это врожденное поведение очень пластично ^5,8,9. Его амплитуда может быть потенцирована, когда повторяющиеся соскальзывания сетчатки происходят в течение длительного времени ^5,8,9, или когда его рабочий партнер вестибулярный глазной рефлекс (VOR), другой механизм стабилизации изображений сетчатки^, запускаемый вестибулярным входом^2, нарушен⁵. Эти экспериментальные парадигмы потенцирования OKR дают исследователям возможность раскрыть схемную основу, лежащую в основе глазодвигательного обучения.

В предыдущих исследованиях для оценки OKR в основном использовались два неинвазивных метода: (1) видеоокулография в сочетании с физическим барабаном 7,10,11,12,13 или (2) произвольное определение поворотов головы в сочетании с виртуальным барабаном^6,14,15,16. Несмотря на то, что их применение привело к плодотворным открытиям в понимании молекулярных и схемных механизмов глазодвигательной пластичности, каждый из этих двух методов имеет некоторые недостатки, которые ограничивают их возможности в количественном исследовании свойств OKR. Во-первых, физические барабаны, с напечатанными узорами из черно-белых полос или точек, не позволяют легко и быстро менять визуальные паттерны, что в значительной степени ограничивает измерение зависимости OKR от некоторых визуальных признаков, таких как пространственная частота, направление и контрастность движущихся решеток ^8,17. Вместо этого тесты селективности OKR к этим визуальным признакам могут быть полезны с помощью компьютеризированной зрительной стимуляции, при которой зрительные признаки могут быть легко изменены от испытания к испытанию. Таким образом, исследователи могут систематически изучать поведение OKR в многомерном пространстве визуальных параметров. Более того, второй метод анализа OKR сообщает только пороговые значения визуальных параметров, которые вызывают различимые OKR, но не амплитуды движений глаз или головы 6,14,15,16. Таким образом, недостаток количественной мощности не позволяет анализировать форму кривых настройки и предпочтительные визуальные признаки, а также обнаруживать тонкие различия между отдельными мышами в нормальных и патологических условиях. Чтобы преодолеть вышеуказанные ограничения, видеоокулография и компьютеризированная виртуальная визуальная стимуляция были объединены для анализа поведения OKR в недавних исследованиях 5,17,18,19,20. Тем не менее, эти ранее опубликованные исследования не предоставили достаточно технических подробностей или пошаговых инструкций, и, следовательно, исследователям по-прежнему сложно установить такой тест OKR для своих собственных исследований.

Здесь мы представляем протокол для точной количественной оценки селективности зрительных признаков поведения OKR в фотопических или скотопических условиях с комбинацией видеоокулографии и компьютеризированной виртуальной визуальной стимуляции. Мышей фиксируют голову, чтобы избежать движения глаз, вызванного вестибулярной стимуляцией. Высокоскоростная камера используется для записи движений глаз мышей, рассматривающих движущиеся решетки с изменяющимися визуальными параметрами. Физический размер глазных яблок отдельных мышей калибруется для обеспечения точности определения угла движения глаз²¹. Этот количественный метод позволяет сравнивать поведение OKR у животных разного возраста или генетического фона, а также отслеживать его изменение, вызванное фармакологическим лечением или зрительно-моторным обучением.