التقييم السلوكي للوظيفة البصرية عبر الاستجابة الحركية البصرية والوظيفة الإدراكية عبر متاهة Y في الفئران المصابة بالسكري
Summary
يمكن ملاحظة التنكس العصبي في كل من العينين والدماغ نتيجة لمرض السكري من خلال الاختبارات السلوكية التي أجريت على القوارض. توفر متاهة Y، وهي مقياس للإدراك المكاني، والاستجابة الحركية البصرية، وهي مقياس للوظيفة البصرية، نظرة ثاقبة على التشخيصات والعلاجات المحتملة.
Abstract
الاستجابة الحركية البصرية ومتاهة Y هي اختبارات سلوكية مفيدة لتقييم الوظيفة البصرية والمعرفية ، على التوالي. تعد الاستجابة الحركية البصرية أداة قيمة لتتبع التغيرات في عتبات التردد المكاني (SF) وحساسية التباين (CS) بمرور الوقت في عدد من نماذج أمراض الشبكية، بما في ذلك اعتلال الشبكية السكري. وبالمثل ، يمكن استخدام متاهة Y لمراقبة الإدراك المكاني (كما يقاس بالتناوب التلقائي) والسلوك الاستكشافي (كما يقاس بعدد من الإدخالات) في عدد من نماذج الأمراض التي تؤثر على الجهاز العصبي المركزي. تشمل مزايا الاستجابة الحركية البصرية ومتاهة Y الحساسية وسرعة الاختبار واستخدام الاستجابات الفطرية (ليست هناك حاجة إلى التدريب) ، والقدرة على القيام بها على الحيوانات المستيقظة (غير المخدرة). هنا ، يتم وصف البروتوكولات لكل من الاستجابة الحركية البصرية ومتاهة Y وأمثلة على استخدامها الموضحة في نماذج من مرض السكري من النوع الأول والنوع الثاني. وتشمل الأساليب إعداد القوارض والمعدات ، وأداء الاستجابة الحركية البصرية ومتاهة Y ، وتحليل بيانات ما بعد الاختبار.
Introduction
يعيش أكثر من 463 مليون شخص مصاب بمرض السكري، مما يجعله واحدا من أكبر أوبئة الأمراض العالمية1. أحد المضاعفات الخطيرة التي تنشأ عن مرض السكري هو اعتلال الشبكية السكري (DR) ، وهو سبب رئيسي للعمى للبالغين الأمريكيين في سن العمل2. في السنوات ال 30 المقبلة، من المتوقع أن تتضاعف النسبة المئوية للسكان المعرضين لخطر الإصابة بالحد من مخاطر الكوارث، لذلك من الأهمية بمكان إيجاد طرق جديدة لتشخيص الحد من مخاطر الكوارث في مراحلها المبكرة لمنع تطور الحد من مخاطر الكوارث3 والتخفيف من حدته. يعتقد تقليديا أن DR هو مرض وعائي4,5,6. ومع ذلك ، الآن مع وجود أدلة على خلل وظيفي عصبي وموت الخلايا المبرمج في شبكية العين التي تسبق أمراض الأوعية الدموية ، يتم تعريف DR على أنه يحتوي على مكونات عصبية وأوعية دموية4،5،6،7،8،9. تتمثل إحدى طرق تشخيص DR في فحص التشوهات العصبية في شبكية العين ، وهو نسيج قد يكون أكثر عرضة للإجهاد التأكسدي والإجهاد الأيضي من مرض السكري من الأنسجة العصبية الأخرى10.
يحدث الانخفاض في الوظيفة الإدراكية والحركية أيضا مع مرض السكري وغالبا ما يرتبط بتغيرات الشبكية. يصور الأفراد الأكبر سنا المصابون بداء السكري من النوع الثاني أداء معرفيا أساسيا أسوأ ويظهرون تدهورا معرفيا أكثر تفاقما من المشاركين في التحكم11. بالإضافة إلى ذلك ، تم إنشاء شبكية العين كامتداد للجهاز العصبي المركزي ويمكن أن تظهر الأمراض في شبكية العين12. سريريا، تمت دراسة العلاقة بين شبكية العين والدماغ في سياق مرض الزهايمر وأمراض أخرى ولكن لم يتم استكشافها بشكل شائع مع مرض السكري12،13،14،15،16. يمكن استكشاف التغيرات في الدماغ والشبكية أثناء تطور مرض السكري باستخدام نماذج حيوانية ، بما في ذلك الفئران STZ (نموذج لمرض السكري من النوع الأول حيث يتم استخدام السم أو الستربتوزوتوسين أو STZ ، لإتلاف خلايا بيتا البنكرياسية) وفئران Goto-Kakizaki (نموذج متعدد الجينات لمرض السكري من النوع الثاني حيث تتطور الحيوانات إلى ارتفاع السكر في الدم تلقائيا في حوالي 3 أسابيع من العمر). في هذا البروتوكول ، يتم توفير وصف لمتاهة Y والاستجابة الحركية البصرية لتقييم التغيرات المعرفية والبصرية في القوارض المصابة بالسكري ، على التوالي. تقوم الاستجابة الحركية البصرية (OMR) بتقييم التردد المكاني (على غرار حدة البصر) وحساسية التباين من خلال مراقبة حركات تتبع الرأس الانعكاسية المميزة لقياس العتبات البصرية لكل عين17. يشير التردد المكاني إلى سمك أو صفاء القضبان ، وتشير حساسية التباين إلى مقدار التباين الموجود بين القضبان والخلفية (الشكل 1E). وفي الوقت نفسه ، تختبر متاهة Y الذاكرة المكانية قصيرة المدى والوظيفة الاستكشافية ، التي لوحظت من خلال التناوب التلقائي والدخول من خلال أذرع المتاهة.
يمكن إجراء كلا الاختبارين في الحيوانات المستيقظة وغير المخدرة ولهما ميزة الاستفادة من الاستجابات الفطرية للحيوانات ، مما يعني أنها لا تتطلب التدريب. كلاهما حساس نسبيا ، حيث يمكن استخدامه للكشف عن العجز في وقت مبكر من تطور مرض السكري في القوارض ، وموثوق به ، من حيث أنه ينتج نتائج ترتبط باختبارات بصرية أو شبكية أو سلوكية أخرى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام OMR ومتاهة Y بالاقتران مع اختبارات مثل التصوير الكهربائي للشكليات والتصوير المقطعي للتماسك البصري يمكن أن يوفر معلومات حول متى تتطور التغيرات الشبكية والهيكلية والمعرفية بالنسبة لبعضها البعض في نماذج الأمراض. يمكن أن تكون هذه التحقيقات مفيدة في تحديد التنكس العصبي الذي يحدث بسبب مرض السكري. في نهاية المطاف، يمكن أن يؤدي هذا إلى طرق تشخيصية جديدة تحدد بشكل فعال DR في المراحل المبكرة من التقدم.
يتم وصف أنظمة OMR و Y-maze المستخدمة لتطوير هذا البروتوكول في جدول المواد. تم استخدام البحث السابق حول OMR ، من قبل Prusky et al.18 ، و Y-maze ، بواسطة Maurice et al.19 ، كنقطة انطلاق لتطوير هذا البروتوكول.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح OMR ومتاهة Y بالتقييم غير الغازي للوظيفة البصرية والعجز في الوظائف الإدراكية في القوارض بمرور الوقت. في هذا البروتوكول ، تم إثبات OMR ومتاهة Y لتتبع العجز البصري والمعرفي في نماذج القوارض من مرض السكري.
الخطوات الحاسمة في البروتوكول
ريال عماني
<p …Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل جوائز التطوير الوظيفي لخدمة إعادة التأهيل وإعادة التأهيل التابعة لوزارة شؤون المحاربين القدامى (CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928) إلى RSA و (CDA-2 ، RX002342) إلى AJF والمعاهد الوطنية للصحة (NIH-NICHD F31 HD097918 إلى DACT و NIH-NIEHS T32 ES012870 إلى DACT) و NEI Core Grant P30EY006360.
Materials
| OptoMotry HD | CerebralMechanics Inc. | OMR apparatus & software | |
| Timer | Thomas Scientific | 810029AR | |
| Y-Maze apparatus | San Diego Instruments | 7001-043 | Available specifically for rats |
References
- . International Diabetes Federation Diabetes Atlas, 9th edn Available from: https://diabetesatlas.org/upload/resources/material/20200302_133351_IDFATLAfinal-web.pdf (2019)
- Wang, W., Lo, A. C. Y. Diabetic retinopathy: pathophysiology and treatments. International Journal of Molecular Sciences. 19 (6), (2018).
- Akpek, E. K., Smith, R. A. Overview of age-related ocular conditions. The American Journal of Managed Care. 19 (5), 67-75 (2013).
- Urano, F. Wolfram syndrome: diagnosis, management, and treatment. Current Diabetes Reports. 16 (1), 6 (2016).
- Adeva-Andany, M. M., Funcasta-Calderón, R., Fernández-Fernández, C., Ameneiros-Rodríguez, E., Domínguez-Montero, A. Subclinical vascular disease in patients with diabetes is associated with insulin resistance. Diabetes & Metabolic Syndrome: Clinical Research & Reviews. 13 (3), 2198-2206 (2019).
- Chin, J. A., Sumpio, B. E. Diabetes mellitus and peripheral vascular disease: diagnosis and management. Clinics in Podiatric Medicine and Surgery. 31 (1), 11-26 (2014).
- Barber, A. J., Gardner, T. W., Abcouwer, S. F. The significance of vascular and neural apoptosis to the pathology of diabetic retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (2), 1156-1163 (2011).
- Pardue, M. T., Allen, R. S. Neuroprotective strategies for retinal disease. Progress in Retinal and Eye Research. 65, 50-76 (2018).
- Aung, M. H., Kim, M. K., Olson, D. E., Thule, P. M., Pardue, M. T. Early visual deficits in streptozotocin-induced diabetic long evans rats. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (2), 1370-1377 (2013).
- Antonetti, D. A., et al. Diabetic retinopathy: seeing beyond glucose-induced microvascular disease. Diabetes. 55 (9), 2401-2411 (2006).
- Logroscino, G., Kang, J. H., Grodstein, F. Prospective study of type 2 diabetes and cognitive decline in women aged 70-81 years. BMJ. 328 (7439), 548 (2004).
- London, A., Benhar, I., Schwartz, M. The retina as a window to the brain-from eye research to CNS disorders. Nature Reviews Neurology. 9 (1), 44-53 (2013).
- Archibald, N. K., Clarke, M. P., Mosimann, U. P., Burn, D. J. The retina in Parkinson’s disease. Brain. 132 (5), 1128-1145 (2009).
- Sakai, R. E., Feller, D. J., Galetta, K. M., Galetta, S. L., Balcer, L. J. Vision in multiple sclerosis: the story, structure-function correlations, and models for neuroprotection. Journal of Neuroophthalmology. 31 (4), 362-373 (2011).
- Wong, T. Y., et al. Retinal microvascular abnormalities and incident stroke: the Atherosclerosis Risk in Communities Study. The Lancet. 358 (9288), 1134-1140 (2001).
- Marquié, M., et al. Association between retinal thickness and β-amyloid brain accumulation in individuals with subjective cognitive decline: Fundació ACE Healthy Brain Initiative. Alzheimer’s Research & Therapy. 12 (1), 37 (2020).
- Thomas, B. B., Seiler, M. J., Sadda, S. R., Coffey, P. J., Aramant, R. B. Optokinetic test to evaluate visual acuity of each eye independently. Journal of Neuroscience Methods. 138 (1-2), 7-13 (2004).
- Prusky, G. T., Alam, N. M., Beekman, S., Douglas, R. M. Rapid quantification of adult and developing mouse spatial vision using a virtual optomotor system. Investigative Ophthalmology & Vision Science. 45 (12), 4611-4616 (2004).
- Maurice, T., et al. Behavioral evidence for a modulating role of σ ligands in memory processes. I. Attenuation of dizocilpine (MK-801)-induced amnesia. Brain Research. 647 (1), 44-56 (1994).
- Douglas, R. M., et al. Independent visual threshold measurements in the two eyes of freely moving rats and mice using a virtual-reality optokinetic system. Visual Neuroscience. 22 (5), 677-684 (2005).
- Feola, A. J., et al. Menopause exacerbates visual dysfunction in experimental glaucoma. Experimental Eye Research. 186, 107706 (2019).
- Allen, R. S., et al. TrkB signalling pathway mediates the protective effects of exercise in the diabetic rat retina. European Journal of Neuroscience. 47 (10), 1254-1265 (2018).
- Allen, R. S., et al. Retinal deficits precede cognitive and motor deficits in a rat model of type II diabetes. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 60 (1), 123-133 (2019).
- Prusky, G. T., Harker, K. T., Douglas, R. M., Whishaw, I. Q. Variation in visual acuity within pigmented, and between pigmented and albino rat strains. Behavioural Brain Research. 136 (2), 339-348 (2002).
- Hwang, C. K., et al. Circadian rhythm of contrast sensitivity is regulated by a dopamine-neuronal PAS-domain protein 2-adenylyl cyclase 1 signaling pathway in retinal ganglion cells. Journal of Neuroscience. 33 (38), 14989-14997 (2013).
- Mui, A. M., et al. Daily visual stimulation in the critical period enhances multiple aspects of vision through BDNF-mediated pathways in the mouse retina. PLoS One. 13 (2), 0192435 (2018).
- Feola, A. J., et al. Menopause exacerbates visual dysfunction in experimental glaucoma. Experimental Eye Research. 186, 107706 (2019).
- Allen, R. S., et al. Long-term functional and structural consequences of primary blast overpressure to the eye. Journal of Neurotrauma. 35 (17), 2104-2116 (2018).
- Maaswinkel, H., Li, L. Spatio-temporal frequency characteristics of the optomotor response in zebrafish. Vision Research. 43 (1), 21-30 (2003).
- Benkner, B., Mutter, M., Ecke, G., Münch, T. A. Characterizing visual performance in mice: an objective and automated system based on the optokinetic reflex. Behavioral Neuroscience. 127 (5), 788-796 (2013).
- Lehmann, K., Schmidt, K. F., Löwel, S. Vision and visual plasticity in ageing mice. Restorative Neurology and Neuroscience. 30, 161-178 (2012).
- Leinonen, H., Tanila, H. Vision in laboratory rodents-tools to measure it and implications for behavioral research. Behavioral Brain Research. 352, 172-182 (2018).
- Spielmann, M., Schröger, E., Kotz, S. A., Pechmann, T., Bendixen, A. Using a staircase procedure for the objective measurement of auditory stream integration and segregation thresholds. Frontiers in Psychology. 4, 534 (2013).
- Shi, C., et al. Optimization of optomotor response-based visual function assessment in mice. Scientific Reports. 8 (1), 9708 (2018).
- You, M., Yamane, T., Tomita, H., Sugano, E., Akashi, T. A novel rat head gaze determination system based on optomotor responses. PLoS One. 12 (4), 0176633 (2017).
- Whyte, A. J., et al. Reward-related expectations trigger dendritic spine plasticity in the mouse ventrolateral orbitofrontal cortex. The Journal of Neuroscience. 39 (23), 4595-4605 (2019).
