הערכה התנהגותית של תפקוד חזותי באמצעות תגובת Optomotor ותפקוד קוגניטיבי באמצעות Y-Maze בחולדות סוכרתיות
Summary
ניוון עצבי הן בעיניים והן במוח כתוצאה מסוכרת ניתן לראות באמצעות בדיקות התנהגותיות שבוצעו על מכרסמים. מבוך ה-Y, מדד לקוגניציה מרחבית, ותגובת האופטומוטור, מדד לתפקוד חזותי, מספקים תובנה על אבחנות וטיפולים פוטנציאליים.
Abstract
תגובת האופטומוטור ומבוך ה- Y הם מבחנים התנהגותיים שימושיים להערכת תפקוד חזותי וקוגניטיבי, בהתאמה. תגובת האופטומוטור היא כלי רב ערך למעקב אחר שינויים בתדירות המרחבית (SF) ובסף הרגישות לניגודיות (CS) לאורך זמן במספר מודלים של מחלות רשתית, כולל רטינופתיה סוכרתית. באופן דומה, מבוך Y יכול לשמש לניטור קוגניציה מרחבית (כפי שנמדד על ידי חילופים ספונטניים) והתנהגות גישוש (כפי שנמדד על ידי מספר ערכים) במספר מודלים של מחלות המשפיעים על מערכת העצבים המרכזית. היתרונות של תגובת האופטומוטור ומבוך ה- Y כוללים רגישות, מהירות בדיקה, שימוש בתגובות מולדות (אין צורך באימון), והיכולת להתבצע על בעלי חיים ערים (שאינם מורדמים). כאן, פרוטוקולים מתוארים הן עבור התגובה optomotor ואת מבוך Y ודוגמאות של השימוש בהם המוצגים במודלים של סוג I וסוכרת מסוג II. השיטות כוללות הכנת מכרסמים וציוד, ביצוע תגובת האופטומוטור ומבוך ה- Y, וניתוח נתונים לאחר הבדיקה.
Introduction
מעל 463 מיליון אנשים חיים עם סוכרת, מה שהופך אותו לאחת ממגיפות המחלות העולמיות הגדולות ביותר1. אחד הסיבוכים החמורים הנובעים מסוכרת הוא רטינופתיה סוכרתית (DR), גורם מוביל לעיוורון עבור מבוגרים אמריקאים בגיל העבודה2. ב -30 השנים הבאות, אחוז האוכלוסייה בסיכון ל- DR צפוי להכפיל את עצמו, ולכן חיוני למצוא דרכים חדשות לאבחון DR בשלביו המוקדמים יותר כדי למנוע ולהפחית את התפתחות DR3. DR נחשב באופן קונבנציונלי להיות מחלת כלי דם4,5,6. עם זאת, עכשיו עם ראיות של תפקוד עצבי ואפופטוזיס ברשתית שמקדימה פתולוגיה וסקולרית, DR מוגדר יש מרכיבים עצביים וכלי דם4,5,6,6,7,8,9. דרך אחת לאבחן DR תהיה לבחון חריגות עצביות ברשתית, רקמה שעשויה להיות פגיעה יותר ללחץ חמצוני וזן מטבולי מסוכרת מאשר רקמה עצבית אחרת10.
ירידות בתפקוד הקוגניטיבי והמוטורי מתרחשות גם עם סוכרת ולעתים קרובות מתואמות עם שינויים ברשתית. אנשים מבוגרים עם סוכרת מסוג II מתארים ביצועים קוגניטיביים בסיסיים גרועים יותר ומראים ירידה קוגניטיבית מחמירה יותר מאשר משתתפי בקרה11. בנוסף, הרשתית הוקמה כהרחבה של מערכת העצבים המרכזית ופתולוגיות יכולות להתבטא ברשתית12. מבחינה קלינית, הקשר בין רשתית למוח נחקר בהקשר של אלצהיימר ומחלות אחרות, אך לא נחקר בדרך כלל עם סוכרת12,13,13,14,15,16. שינויים במוח וברשתית במהלך התקדמות הסוכרת ניתן לחקור באמצעות מודלים של בעלי חיים, כולל חולדת STZ (מודל של סוכרת מסוג I שבו הרעלן, סטרפטוזוטוצין או STZ, משמש לפגיעה בתאי בטא בלבלב) ואת חולדת גוטו-Kakizaki (מודל פוליגני של סוכרת מסוג II שבו בעלי חיים לפתח היפרגליקמיה באופן ספונטני בסביבות 3 שבועות). בפרוטוקול זה, תיאור עבור מבוך Y ואת התגובה optomotor כדי להעריך שינויים קוגניטיביים וחזותיים מכרסמים סוכרתיים, בהתאמה, מסופק. תגובת האופטומוטור (OMR) מעריכה את התדירות המרחבית (בדומה לחדות הראייה) ואת הרגישות לניגודיות על ידי ניטור תנועות מעקב ראש רפלקסיביות אופייניות כדי לאמוד את הסף החזותי עבור כל עין17. התדירות המרחבית מתייחסת לעובי או לעדינות של הסורגים, ורגישות לניגודיות מתייחסת לכמה ניגודיות יש בין הסורגים לרקע (איור 1E). בינתיים, מבוך ה-Y בוחן זיכרון מרחבי לטווח קצר ותפקוד גישוש, שנצפו באמצעות חילופים וערכים ספונטניים דרך זרועות המבוך.
שתי הבדיקות יכולות להתבצע בבעלי חיים ערים ולא מורדמים ויש להם את היתרון של ניצול התגובות המולדות של בעלי החיים, כלומר הם אינם דורשים אימון. שניהם רגישים יחסית, בכך שניתן להשתמש בהם כדי לזהות ליקויים בשלב מוקדם בהתקדמות הסוכרת במכרסמים, ואמינים, בכך שהם מייצרים תוצאות התואמות לבדיקות חזותיות, רשתיות או התנהגותיות אחרות. בנוסף, שימוש ב- OMR ובמבוך ה- Y בשילוב עם בדיקות כגון אלקטרורטינוגרמה וסריקות טומוגרפיה של קוהרנטיות אופטית יכול לספק מידע על מועד התפתחותם של שינויים ברשתית, מבניים וקוגניטיביים ביחס זה לזה במודלים של מחלות. חקירות אלה יכולות להיות שימושיות בזיהוי ניוון עצבי המתרחשים עקב סוכרת. בסופו של דבר, זה יכול להוביל לשיטות אבחון חדשות המזהות ביעילות DR בשלבים מוקדמים של התקדמות.
מערכות OMR ו- Y-maze המשמשות לפיתוח פרוטוקול זה מתוארות בטבלת החומרים. מחקר קודם על OMR, על ידי Prusky et al.18, ואת מבוך Y, על ידי מוריס et al.19, שימש כנקודת המוצא לפתח פרוטוקול זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
ה- OMR ו- Y-maze מאפשרים הערכה לא פולשנית של תפקוד חזותי וגרעונות בתפקוד הקוגניטיבי במכרסמים לאורך זמן. בפרוטוקול זה, OMR ואת מבוך Y הודגמו כדי לעקוב אחר ליקויים חזותיים וקוגניטיביים במודלים מכרסמים של סוכרת.
שלבים קריטיים בפרוטוקול
The OMR
כמה…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המחלקה לענייני יוצאי צבא גמילה מו”פ שירות ופיתוח פרסים (CDA-1, RX002111; CDA-2; RX002928) ל- RSA ו – (CDA-2, RX002342) ל- AJF ולמכוני הבריאות הלאומיים (NIH-NICHD F31 HD0997918 ל- DACT ו- NIH-NIEHS T32 ES012870 ל- DACT) ו- 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).
