Kwantificering van de selectiviteit van visuele kenmerken van de optokinetische reflex bij muizen

Als reactie op visuele stimuli in de omgeving bewegen onze ogen om onze blik te verschuiven, netvliesbeelden te stabiliseren, bewegende doelen te volgen of de foveae van twee ogen uit te lijnen met doelen die zich op verschillende afstanden van de waarnemer bevinden, die van vitaal belang zijn voor een goed zicht ^1,2. Oculomotorisch gedrag is op grote schaal gebruikt als aantrekkelijke modellen van sensomotorische integratie om de neurale circuits in gezondheid en ziekte te begrijpen, althans gedeeltelijk vanwege de eenvoud van het oculomotorische systeem³. Bestuurd door drie paar extraoculaire spieren, draait het oog in de kas voornamelijk rond drie overeenkomstige assen: elevatie en depressie langs de transversale as, adductie en abductie langs de verticale as, en intorsie en extorsie langs de anteroposterieure as ^1,2. Zo’n eenvoudig systeem stelt onderzoekers in staat om het oculomotorische gedrag van muizen gemakkelijk en nauwkeurig te evalueren in een laboratoriumomgeving.

Een belangrijk oculomotorisch gedrag is de optokinetische reflex (OKR). Deze onwillekeurige oogbeweging wordt veroorzaakt door langzame driften of verschuivingen van beelden op het netvlies en dient om netvliesbeelden te stabiliseren terwijl het hoofd van een dier of zijn omgeving beweegt ^2,4. De OKR, als gedragsparadigma, is om verschillende redenen interessant voor onderzoekers. Ten eerste kan het betrouwbaar worden gestimuleerd en nauwkeurig worden gekwantificeerd ^5,6. Ten tweede zijn de procedures voor het kwantificeren van dit gedrag relatief eenvoudig en gestandaardiseerd en kunnen ze worden toegepast om de visuele functies van een groot cohort dieren te evalueren⁷. Ten derde is dit aangeboren gedrag zeer plastisch ^5,8,9. De amplitude kan worden versterkt wanneer herhaalde retinale slips gedurende lange tijd optreden ^5,8,9, of wanneer de vestibulaire oculaire reflex (VOR) van zijn werkpartner, een ander mechanisme voor het stabiliseren van netvliesbeelden veroorzaakt door vestibulaire input^2, is aangetast⁵. Deze experimentele paradigma’s van OKR-potentiëring stellen onderzoekers in staat om de circuitbasis te onthullen die ten grondslag ligt aan oculomotorisch leren.

In eerdere studies zijn voornamelijk twee niet-invasieve methoden gebruikt om de OKR te evalueren: (1) video-oculografie in combinatie met een fysieke trommel 7,10,11,12,13 of (2) willekeurige bepaling van hoofddraaien in combinatie met een virtuele trommel^6,14,15,16. Hoewel hun toepassingen vruchtbare ontdekkingen hebben opgeleverd bij het begrijpen van de moleculaire en circuitmechanismen van oculomotorische plasticiteit, hebben deze twee methoden elk enkele nadelen die hun vermogen beperken om de eigenschappen van de OKR kwantitatief te onderzoeken. Ten eerste maken fysieke trommels, met gedrukte patronen van zwarte en witte strepen of stippen, het niet mogelijk om gemakkelijk en snel visuele patronen te veranderen, wat de meting van de afhankelijkheid van de OKR van bepaalde visuele kenmerken, zoals ruimtelijke frequentie, richting en contrast van bewegende roosters, grotendeels beperkt ^8,17. In plaats daarvan kunnen tests van de selectiviteit van de OKR voor deze visuele kenmerken baat hebben bij geautomatiseerde visuele stimulatie, waarbij visuele kenmerken gemakkelijk van proef tot proef kunnen worden gewijzigd. Op deze manier kunnen onderzoekers systematisch het OKR-gedrag in de multidimensionale visuele parameterruimte onderzoeken. Bovendien rapporteert de tweede methode van de OKR-test alleen de drempels van visuele parameters die waarneembare OKR’s veroorzaken, maar niet de amplitudes van oog- of hoofdbewegingen 6,14,15,16. Het gebrek aan kwantitatief vermogen verhindert dus het analyseren van de vorm van afstemmingscurven en de geprefereerde visuele kenmerken, of het detecteren van subtiele verschillen tussen individuele muizen in normale en pathologische omstandigheden. Om de bovenstaande beperkingen te overwinnen, waren video-oculografie en geautomatiseerde virtuele visuele stimulatie gecombineerd om het OKR-gedrag in recente studies te testen 5,17,18,19,20. Deze eerder gepubliceerde studies boden echter niet genoeg technische details of stapsgewijze instructies, en daarom is het voor onderzoekers nog steeds een uitdaging om zo’n OKR-test voor hun eigen onderzoek op te zetten.

Hier presenteren we een protocol om de selectiviteit van visuele kenmerken van OKR-gedrag onder fotopische of scotopische omstandigheden nauwkeurig te kwantificeren met de combinatie van video-oculografie en geautomatiseerde virtuele visuele stimulatie. Muizen zijn met hun hoofd gefixeerd om de oogbewegingen te vermijden die worden opgeroepen door vestibulaire stimulatie. Een hogesnelheidscamera wordt gebruikt om de oculaire bewegingen vast te leggen van muizen die bewegende roosters met veranderende visuele parameters bekijken. De fysieke grootte van de oogbollen van individuele muizen wordt gekalibreerd om de nauwkeurigheid van het afleiden van de hoek van oogbewegingen te garanderen²¹. Deze kwantitatieve methode maakt het mogelijk om OKR-gedrag tussen dieren van verschillende leeftijden of genetische achtergronden te vergelijken, of om de verandering ervan te volgen die wordt veroorzaakt door farmacologische behandelingen of visueel-motorisch leren.