VisioTracker, une approche novatrice automatisé pour l'analyse oculomotrice
Summary
Le VisioTracker est un système automatisé pour l'analyse quantitative de la performance visuelle des poissons adultes et des larves petit basée sur l'enregistrement des mouvements oculaires. Il dispose d'un contrôle total sur les propriétés de stimulation visuelle et analyse en temps réel, ce qui permet à haut débit recherches dans des domaines tels que le développement du système visuel et de la fonction, de la pharmacologie, des études de circuits neuronaux et de l'intégration sensori-motrice.
Abstract
Les enquêtes sur le développement du système visuel et la fonction nécessite quantifiables modèles comportementaux de performances visuelles qui sont faciles à obtenir, robuste et simple à manipuler. Un modèle approprié a été trouvé dans la réponse optocinétique (OKR), un comportement réflexif présente chez tous les vertébrés en raison de sa valeur de sélection de haut. L'OKR implique lents stimulus suivantes mouvements des yeux alternaient avec des saccades rapides rappel. La mesure de ce comportement est facilement réalisée chez les larves de poisson zèbre, en raison de sa précocité et stable (entièrement développée après 96 heures après la fécondation (hpf)), et bénéficiant d'une connaissance approfondie sur le poisson zèbre génétique, depuis des décennies l'un des modèle favorisée organismes dans ce domaine. En attendant l'analyse des mécanismes similaires dans les poissons adultes a gagné en importance, en particulier pour des applications pharmacologiques et toxicologiques.
Nous décrivons ici VisioTracker, un système entièrement automatisé, à haut throughpusystème de t pour l'analyse quantitative de la performance visuelle. Le système est basé sur des recherches effectuées dans le groupe du Prof Stephan Neuhauss et a été re-conçu par les systèmes EST. Il se compose d'un dispositif de blocage pour les petits poissons surveillée par une caméra vidéo de haute qualité équipé d'un objectif zoom haute résolution. Le récipient de poisson est entouré d'un tamis à tambour, sur lequel configurations de stimulus générés par ordinateur peut être projetée. Les mouvements oculaires sont enregistrées et analysées automatiquement par le logiciel VisioTracker en temps réel.
L'analyse des données permet la reconnaissance immédiate des paramètres tels que la durée de la phase lente et rapide, la fréquence du cycle de mouvement, lent-phase et de gain, l'acuité visuelle et la sensibilité au contraste.
Des résultats typiques permettent par exemple l'identification rapide des mutants du système visuel qui ne présentent aucune altération apparente dans la morphologie de type sauvage, ou la détermination des effets quantitatifs de la pharmacologiques ou toxiques et mutagènesagents sur les performances du système visuel.
Protocol
Discussion
L'importance de l'OKR pour l'étude de la fonction visuelle a été reconnu dans la communauté scientifique pour une longue période (de Pâques et de Nicola 1996, 1997), et tente de quantifier réellement le paradigme ont bien commencé il ya une décennie. Pâques et Nicola (1996) a développé un système motorisé avec tambours rotatifs rayés, où l'enregistrement vidéo des mouvements oculaires ont été analysées manuellement. Ce système a souffert de l'absence d'immobilisation de l'embryon de poisson, qui a nécessité un repositionnement manuel fréquent, et peut détecter les mouvements de poursuite des yeux qu'avec grande difficulté. Un pas en avant a été l'utilisation d'un tambour vidéoprojetée rayé pour permettre plus de présentation informatique stimulus variable générée (Roeser & Baier, 2003;. Rinner et al, 2005a).
La essentiellement manuel, cadre-par-cadre analyse des enregistrements sur bande vidéo s'est avérée extrêmement laborieux, et, dans une certaine mesure, entravé par l'observateur biais (Beck et al.,2004). Analyse en temps réel a été proposé pour permettre l'utilisation de mécanismes d'apprentissage du comportement de rétroaction (Major et al., 2004). L'utilisation de l'éclairage infrarouge et la fréquence des stimuli contrôlés par rotation a été mis au point par Beck et al. (2004). Cependant, le système décrit il n'a été utilisé que pour les larves, et l'analyse a été réalisée hors ligne. En outre, la VisioTracker permet un contrôle total sur les stimuli, y compris changer le stimulus au cours de l'expérience, ce qui permet une plus grande souplesse et une influence sur le déroulement spontané de l'expérience. En outre, la création de relance numérique utilisé par le VisioTracker surmonté les problèmes mentionnés plus haut avec une accélération de la masse inerte d'un tambour de relance rayé (Beck et al., 2004).
Retenue par les larves de la méthylcellulose n'interfère pas significativement avec le mouvement des yeux et de ne pas avoir d'effets à long terme sur le bien-être du poisson zèbre. Les larves de poissons ont été avec succèsmaintenu intégré dans de la méthylcellulose pendant plusieurs jours, jusqu'à ce que l'apport d'oxygène par la peau devient insuffisante pour la demande augmente avec l'âge (Qian et al., 2005).
La méthode retenue poissons adultes est tout aussi facile sur l'animal. La courte durée de l'expérience, couplée avec la possibilité d'échanger rapidement l'animal d'essai pour une autre, ajoute encore aux aspects positifs de protection des animaux du système. Depuis les branchies sont continuellement rincé par l'eau, il est commode de pointe de l'eau avec un produit chimique de choix pour étudier son effet sur les mouvements des yeux et de la performance visuelle. De même, une expérience de wash-out peuvent être ajoutés sans avoir besoin de manipuler l'animal entre les expériences.
Bruit de pixel dans l'image vidéo a été minimisée par lissage des algorithmes du logiciel VisioTracker exclusive, ce qui permet des mesures très précises de la position des yeux et de la vitesse angulaire. En outre, afin de faciliter statistiqueanalyse, le logiciel filtre sur les mouvements saccadés qui se produisent à une vitesse fixe et ne contribuent pas à l'état d'expérimentation. Une moyenne des courbes de vélocité plus de 7 images vidéo faciliter une analyse ultérieure.
Le VisioTracker ouvre une nouvelle dimension pour de nombreux domaines de recherche variés. Le système et ses prédécesseurs ont déjà été utilisées avec succès pour quantifier la performance visuelle chez les larves de poisson zèbre, en utilisant des paramètres tels que l'acuité visuelle, sensibilité au contraste et adaptation à la lumière (Rinner et al., 2005a, Schönthaler et al., 2010), pour l'analyse fonctionnelle des cônes photorécepteurs après manipulation des membres de la cascade de transduction visuelle (p. ex Rinner et al, 2005b, Renninger et al, 2011.)., ou l'analyse des défauts visuels chez les larves de poisson zèbre mutant (par exemple Schönthaler et al, 2005, 2008;. Bahadori et al., 2006). L'interdépendance de la maturation morphologique et fonctionnelle du système visuela été étudiée par des mesures OKR de montrer que l'acuité visuelle est principalement, mais pas tout à fait limitée par l'espacement des photorécepteurs au stade larvaire (Haug et al., 2010).
Le VisioTracker convient aussi bien pour analyser la fonction visuelle chez le poisson zèbre adultes et d'autres semblables espèces de poissons de taille moyenne (Mueller et Neuhauss (2010), le présent rapport).
Il est également envisageable d'utiliser le système de recherche dans des domaines tels que la toxicologie ou de pharmacologie dans lequel les substances à analyser peut être ajouté à l'écoulement de l'eau autour des branchies des poissons adultes. En outre, la polyvalence de VisioTracker permet des analyses plus approfondies, par exemple des ontogenetics de la fonction visuelle, la fonction des circuits neuronaux et le développement, ou sensori-moteur de commande (voir la revue dans Huang & Neuhauss, 2008).
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
KPM a été soutenu par l'UE FP7 (RETICIRC).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number |
|---|---|---|
| Methylcellulose | Sigma-Aldrich | M0387 |
| Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate (MS-222) | Sigma-Aldrich | E10521 |
| 35 mm cell culture dish | Corning | 430165 |
| Serum pipette | Greiner bio-one | 612 361 |
| VisioTracker | TSE Systems | 302060 |
References
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