Kvantificering af visuel funktionsselektivitet af den optokinetiske refleks hos mus

Som reaktion på visuelle stimuli i miljøet bevæger vores øjne sig for at flytte vores blik, stabilisere nethindebilleder, spore bevægelige mål eller justere foveae af to øjne med mål placeret i forskellige afstande fra observatøren, hvilket er afgørende for korrekt syn ^1,2. Oculomotorisk adfærd er blevet brugt i vid udstrækning som attraktive modeller for sensorimotorisk integration for at forstå de neurale kredsløb i sundhed og sygdom, i det mindste delvis på grund af enkelheden i det oculomotoriske system³. Styret af tre par ekstraokulære muskler roterer øjet i soklen primært omkring tre tilsvarende akser: højde og fordybning langs tværaksen, adduktion og bortførelse langs den lodrette akse og intorsion og afpresning langs anteroposterioraksen ^1,2. Et sådant simpelt system giver forskere mulighed for nemt og præcist at evaluere musens oculomotoriske adfærd i et laboratoriemiljø.

En primær oculomotorisk adfærd er den optokinetiske refleks (OKR). Denne ufrivillige øjenbevægelse udløses af langsomme drifter eller glidninger af billeder på nethinden og tjener til at stabilisere nethindebilleder, når et dyrs hoved eller dets omgivelser bevæger sig ^2,4. OKR, som et adfærdsparadigme, er interessant for forskere af flere grunde. For det første kan den stimuleres pålideligt og kvantificeres nøjagtigt ^5,6. For det andet er procedurerne for kvantificering af denne adfærd relativt enkle og standardiserede og kan anvendes til at evaluere de visuelle funktioner hos en stor kohorte af dyr⁷. For det tredje er denne medfødte adfærd meget plastisk ^5,8,9. Dens amplitude kan forstærkes, når gentagne retinale glider forekommer i lang tid ^5,8,9, eller når dens arbejdspartner vestibulær okulær refleks (VOR), en anden mekanisme til stabilisering af retinale billeder udløst af vestibulær input^2, er svækket⁵. Disse eksperimentelle paradigmer for OKR-potensering giver forskere mulighed for at afsløre kredsløbsgrundlaget bag oculomotorisk læring.

To ikke-invasive metoder er primært blevet brugt til at evaluere OKR i tidligere undersøgelser: (1) videookulografi kombineret med en fysisk tromle 7,10,11,12,13 eller (2) vilkårlig bestemmelse af hoveddrejninger kombineret med en virtuel tromle^6,14,15,16. Selvom deres anvendelser har gjort frugtbare opdagelser i forståelsen af molekylære og kredsløbsmekanismer for oculomotorisk plasticitet, har disse to metoder hver især nogle ulemper, der begrænser deres kræfter til kvantitativt at undersøge OKR’s egenskaber. For det første tillader fysiske tromler med trykte mønstre af sorte og hvide striber eller prikker ikke lette og hurtige ændringer af visuelle mønstre, hvilket stort set begrænser målingen af OKR’s afhængighed af visse visuelle træk, såsom rumlig frekvens, retning og kontrast af bevægelige riste ^8,17. I stedet kan test af OKR’s selektivitet over for disse visuelle funktioner drage fordel af computeriseret visuel stimulering, hvor visuelle funktioner bekvemt kan ændres fra forsøg til forsøg. På den måde kan forskerne systematisk undersøge OKR-adfærden i det multidimensionelle visuelle parameterrum. Desuden rapporterer den anden metode i OKR-analysen kun tærsklerne for visuelle parametre, der udløser mærkbare OKR’er, men ikke amplituderne af øjen- eller hovedbevægelser 6,14,15,16. Manglen på kvantitativ effekt forhindrer således analyse af formen på indstillingskurver og de foretrukne visuelle træk eller detektering af subtile forskelle mellem individuelle mus under normale og patologiske forhold. For at overvinde ovenstående begrænsninger var videookulografi og computeriseret virtuel visuel stimulering blevet kombineret for at analysere OKR-adfærden i nylige undersøgelser 5,17,18,19,20. Disse tidligere offentliggjorte undersøgelser gav imidlertid ikke nok tekniske detaljer eller trinvise instruktioner, og det er derfor stadig udfordrende for forskere at etablere en sådan OKR-test til deres egen forskning.

Her præsenterer vi en protokol til præcist at kvantificere den visuelle funktionsselektivitet af OKR-adfærd under fotopiske eller scotopiske forhold med kombinationen af videookulografi og computeriseret virtuel visuel stimulering. Mus er hovedfikseret for at undgå øjenbevægelser fremkaldt af vestibulær stimulering. Et højhastighedskamera bruges til at optage okulære bevægelser fra mus, der ser bevægelige riste med skiftende visuelle parametre. Den fysiske størrelse af øjenæblerne på individuelle mus kalibreres for at sikre nøjagtigheden af at udlede øjenvinklen²¹. Denne kvantitative metode gør det muligt at sammenligne OKR-adfærd mellem dyr i forskellige aldre eller genetiske baggrunde eller overvåge dens ændring forårsaget af farmakologiske behandlinger eller visuel-motorisk læring.