באמצעות גירויים חזותיים מתנשא להערכת חזון העכבר
Summary
, כדי לבחון את ראיית העכבר. ערכנו מבחן מתנשא עכברים הוצבו בזירה מרובעת גדולה עם צג על התקרה שלו. הגירוי החזותי מתנשא בעקביות עורר הקפאת או תגובות הטיסה בעכברים.
Abstract
המערכת החזותית במערכת העצבים המרכזית מעבדת אותות חזותיים מגוונים. למרות המבנה הכללי התאפיין הרשתית דרך הגרעין הגנוקה לרוחב לקליפת הראייה, המערכת היא מורכבת. מחקרים סלולאריים ומולקולריים נערכו כדי להבהיר את המנגנונים המכחולים את העיבוד החזותי, ובאמצעות הרחבה, מנגנוני המחלה. מחקרים אלה עשויים לתרום לפיתוח מערכות חזותיות מלאכותיות. כדי לאמת את התוצאות של מחקרים אלה, בדיקות ראייה התנהגותית היא הכרחית. כאן, אנו מראים כי ניסוי גירוי מתנשא הוא מבחן ראייה בעכבר אמין כי דורש התקנה פשוטה יחסית. הניסוי המאיים נערך במתחם גדול עם מקלט בפינה אחת ומוניטור מחשב הממוקם על התקרה. מצלמת CCD המוצבת ליד צג המחשב שימשה להתבונן בהתנהגות העכבר. העכבר הוצב במתחם במשך 10 דקות ומותר לעשות האקלים ולחקור את הסביבה. לאחר מכן, הצג הקרין הגירוי הנגזר התוכנית הנובעת 10 פעמים. העכבר הגיב לגירויים או בהקפאה או בבריחה למקום המסתור. התנהגותו של העכבר לפני ואחרי הגירוי מתנשא הוקלט, והווידאו נותחו באמצעות תוכנת מעקב אחר תנועה. המהירות של תנועת העכבר השתנתה באופן משמעותי לאחר הגירוי המאיים. לעומת זאת, לא נצפתה שום תגובה בעכברים עיוורים. התוצאות שלנו להפגין כי הניסוי מתנשא פשוט הוא מבחן אמין של ראיית העכבר.
Introduction
המערכת החזותית מתחיל הרשתית, שם אותות חזותיים נלכדים על ידי photoreceptors, מועבר לתאים דוקוטבית (2 הסדר נוירונים), ולבסוף עבר גנגליון תאים(3 ההזמנה הנוירונים). ברשתית2 ו-3הנוירונים הזמנה הסדר הם חשבו ליצור מסלולים עצביים מרובים המעבירות היבטים מסוימים של איתות חזותי כגון צבע, תנועה, או צורה. המאפיינים החזותיים המגוונים הללו מועבר לגרעין הג הצדדי ולקליפת הראיה. לעומת זאת, אותות חזותיים המובילים לתנועת העין נשלחים אל הקולקולוס המעולה. באופן קלאסי, שני מסלולים retino-קורטיקליים זוהו: ממגנהסלולר והמסלולים הפרוקתאיים. מסלולים אלה לקודד אובייקטים נעים ונייח, בהתאמה, והקיום שלהם ממחיש את המושג הבסיסי של עיבוד מקבילי1,2,3,4,5, . שישה מטרים לאחרונה, יותר מ 15 סוגים של תאים דו קוטבית7,8,9,10,11 ו גנגליון תאים12,13,14 ,15,16 דווחו ברשתית של מינים רבים, כולל הפרימטים רשתית. תאים אלה מובחנת לא רק על ידי היבטים מורפולוגיים, אלא גם על ידי ביטוי של סמנים וגנים ברורים8,10,17,18, הרומז כי תכונות שונות של אותות חזותיים מעובדים במקביל, שהוא מורכב יותר מהצפוי במקור.
טכנולוגיות סלולריות ומולקולריות תרמו להבנת העיבוד החזותי ומנגנוני המחלה הפוטנציאליים העשויים לנבוע מעיבוד חזותי חריג. הבנה כזו עשויה לתרום להתפתחות של עיניים מלאכותיות. למרות שבדיקות וניתוחים סלולריים מציעים ידע מעמיק במישור הסלולר, שילוב של ניסויים התנהגותיים וניסויים סלולאריים מחזק את ההבנה הנוכחית שלנו לגבי תהליכים חזותיים בדקה. לדוגמה, יושידה et al.19 מצאו כי בתאי אמקרין כוכב הם הנוירונים מפתח לזיהוי תנועה ברשתית העכבר. בעקבות ניסויים סלולריים, הם ביצעו את הניסוי התנהגותי אלקטרואופטיקה (okn) כדי להראות כי עכברים מוטציה שבה תאים אמקרין כוכב היו מתפקדות לא הגיבו להעברת חפצים, ובכך מאשרת הסלולר שלהם חקירות. בנוסף, פירסון ואח ‘20 ביצע תא קולט אור השתלת עכבר הרשתית כדי לשחזר את החזון של עכברים חולים. הם ניהלו לא רק ניסויים סלולריים, אלא גם מדדו התנהגות העכבר באמצעות שימוש בהקלטות התגובה optomotor ומים מבוך משימות ובכך מאפשר פירסון et al. כדי לוודא כי photoreceptors מושתלים שוחזר חזון בעבר עיוור עכברים. ניסויים התנהגותיים הם כלים חזקים להערכת ראיית העכבר.
שיטות מרובות זמינות למדידת ראיית העכבר. לשיטות אלה יש יתרונות ומגבלות. ב vivo ERG מספק מידע על האם העכבר רשתית, במיוחד photoreceptors ו על תאים דו קוטבית, כראוי מגיב גירויים אור. Erg ניתן לבדוק גם תחת התנאים scotopic או photopic21,22. עם זאת, ERG דורש הרדמה, אשר עשוי להשפיע על מדידת פלט23. תגובת אופקינטית (OKR) או optomotor תגובה (OMR) היא שיטה איתנה להערכת רגישות הניגודיות ואת הרזולוציה המרחבית, שני רכיבים פונקציונליים של ראיית העכבר. עם זאת, OKR דורש ניתוח כדי לצרף מכשיר קיבוע לגולגולת העכבר24. OMR דורש לא ניתוח או הכשרה של העכבר; עם זאת, היא דורשת הכשרה כדי לאפשר לניסויים לסובייקטיבי לזהות תנועות ראש מעודן של העכבר בתגובה לפומפיה מעוברת בתוף אופטי 25,26. רפלקס אור האישון מודד את האישון בתגובה לגירויים באור, שאינו דורש הרדמה ומוצגים מטרות ותגובות חזקות 19. למרות רפלקס האישון מדמה תגובת האור ברשתית ב vivo, הרפלקס הוא מתווכת בעיקר על ידי התאים הרשתית מיסודה להיות הריליון ושוב (ipRGCs) 27. מכיוון ipRGCs מייצגים מיעוט קטן של RGCs ואינם משמשים כמו התמונה המקובלת היוצרים תאים גנגליון, מדידה זו אינה מספקת מידע המתייחס לרוב התאים גנגליון.
ניסוי האור המאיים לא נחשב בעבר בדיקה מרכזית למדידת ראיית העכבר. עם זאת, הוא גם מבחן ראייה חזקה ואמינה על פני מינים שונים, כגון עכבר28,29, דג זברה30, ארבה31,32, ו אדם33,34, 35. חשוב ביותר, הניסוי המאיים הוא אחד רק כמה שיטות כדי לבדוק את השביל ליצור את התמונה-זה לא מסלול רפלקס-נתן את המערכת החזותית והלימבית במערכת העצבים המרכזית מעורבים במעגל הזה36, 37,38. הקמנו מערכת מתנשא הגירוי חזותי הוכיחו את יכולתה לעורר זיהוי תנועה בעכבר, אשר אנו משתמשים כמו פרוקסי כדי להעריך את חוסר הלחות של המערכת החזותית של העכבר.
Protocol
Representative Results
Discussion
עם מערכת גירויים חזותיים מתנשא, רוב (97%) של עכברי עיניים בריאים הראו תגובת טיסה. אחד מתוך 29 עכברים לא הראה תגובת טיסה ברורה. עם זאת, העכבר הלך לכיוון הכיפה ונשאר בקרבתה עד שהוא נעלם והצביע על כך שהעכבר היה לפחות זהיר כאשר הגירוי המאיים התרחש. לכן, הגירויים המאיימת בעקביות מעורר תגובות פחד מול?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על-ידי NIH R01 EY028915 (TI) ומענקי RPB.
Materials
| 10.1" monitor (2° display) | Elecrow | Elecrow 10.1 Inch Raspberry Pi 1920x1080p Resolution Display | |
| 14" Business Class Laptop 5490 | Dell | 84 / rcrc961481-4860836 | |
| 20" x 50" Absorbant Liners | Fisher Scientific | AL2050 | works well to protect floor of arena, could use any type of liner |
| 21.5" monitor (1° display) | Acer | Acer R221Q bid 21.5-inch IPS Full HD Display | |
| CCD Camera | Lumenera Corporation | Infiniyy3S-1UR | excellent for behavioral studies due to high fps rate (60 fps) |
| Enclosure (alminum frames and PVC panels) | 80/20 Inc. | 4x cat.#9010, 4x cat.#9005, 1x cat.#9000, 5x cat.#65-2616 | excellent, used quick build tab to find PVC, joints, and frame |
| Ethanol | Fisher Scientific | 22-032-601 | |
| Excel Spreadsheet Software | Microsoft Office | user friendly and widespread knowledge of Microsoft Office software | |
| Freearm | Amazon | used to mount camera to the table, could use any mountable extendable arm | |
| ImagePro Premiere 3D | Media Cybernetics | version 9.3 | good program, could use some updating with the automated tracking feature |
| Matlab software (Psychotoolbox 3) | MathWorks | Matlab R2018b 64-bit (9.5.0.944444) | excellent software to generate pattern stimuli of any conditions |
| SteamPix sorftware | Norpix | StreamPix 7 64-bit Single Camera | works well, a few problems with frame dropping but good customer service |
| WD My Book External Hard Drive | Western Digital | WDBBGB0080HBK hard drive 8 TB USB 3.0 | necessary if using .avi files with no compression codec due to large size of files |
| Wide angle lens | Navitar | NMV-5M23 | excellent and necessary to capture entire arena |
References
- Enroth-Cugell, C., Robson, J. G. The contrast sensitivity of retinal ganglion cells of the cat. The Journal of Physiology. 187 (3), 517-552 (1966).
- Boycott, B. B., Wässle, H. The morphological types of ganglion cells of the domestic cat’s retina. The Journal of Physiology. 240 (2), 397-419 (1974).
- Livingstone, M. S., Hubel, D. H. Segregation of form, color, movement, and depth: anatomy, physiology, and perception. Science. 240 (4853), 740-749 (1988).
- Livingstone, M. S., Hubel, D. H. Psychophysical evidence for separate channels for the perception of form, color, movement, and depth. The Journal of Neuroscience. 7 (11), 3416-3468 (1987).
- Wässle, H. Parallel processing in the mammalian retina. Nature Reviews Neuroscience. 5 (10), 747-757 (2004).
- Awatramani, G. B., Slaughter, M. M. Origin of transient and sustained responses in ganglion cells of the retina. The Journal of Neuroscience. 20 (18), 7087-7095 (2000).
- Ghosh, K. K., Bujan, S., Haverkamp, S., Feigenspan, A., Wässle, H. Types of bipolar cells in the mouse retina. The Journal of Comparative Neuroscience. 469 (1), 70-82 (2004).
- Wässle, H., Puller, C., Muller, F., Haverkamp, S. Cone contacts, mosaics, and territories of bipolar cells in the mouse retina. The Journal of Neuroscience. 29 (1), 106-117 (2009).
- Helmstaedter, M., et al. Connectomic reconstruction of the inner plexiform layer in the mouse retina. Nature. 500 (7461), 168-174 (2013).
- Shekhar, K., et al. Comprehensive Classification of Retinal Bipolar Neurons by Single-Cell Transcriptomics. Cell. 166 (5), 1308-1323 (2016).
- Wu, S. M., Gao, F., Maple, B. R. Functional architecture of synapses in the inner retina: segregation of visual signals by stratification of bipolar cell axon terminals. The Journal of Neuroscience. 20 (12), 4462-4470 (2000).
- Sun, W., Li, N., He, S. Large-scale morphological survey of mouse retinal ganglion cells. The Journal of Comparative Neuroscience. 451 (2), 115-126 (2002).
- Volgyi, B., Chheda, S., Bloomfield, S. A. Tracer coupling patterns of the ganglion cell subtypes in the mouse retina. The Journal of Comparative Neuroscience. 512 (5), 664-687 (2009).
- Kong, J. H., Fish, D. R., Rockhill, R. L., Masland, R. H. Diversity of ganglion cells in the mouse retina: Unsupervised morphological classification and its limits. The Journal of Comparative Neuroscience. 489 (3), 293-310 (2005).
- Sumbul, U., et al. A genetic and computational approach to structurally classify neuronal types. Nature Communications. 5, 3512 (2014).
- Baden, T., et al. The functional diversity of retinal ganglion cells in the mouse. Nature. 529 (7586), 345-350 (2016).
- Lindstrom, S. H., Ryan, D. G., Shi, J., DeVries, S. H. Kainate receptor subunit diversity underlying response diversity in retinal Off bipolar cells. The Journal of Physiology. 592, 1457-1477 (2014).
- Euler, T., Haverkamp, S., Schubert, T., Baden, T. Retinal bipolar cells: elementary building blocks of vision. Nature Reviews Neuroscience. 15 (8), 507-519 (2014).
- Yoshida, K., et al. A key role of starburst amacrine cells in originating retinal directional selectivity and optokinetic eye movement. Neuron. 30 (3), 771-780 (2001).
- Pearson, R. A., et al. Restoration of vision after transplantation of photoreceptors. Nature. 485 (7396), 99-103 (2012).
- Saszik, S. M., Robson, J. G., Frishman, L. J. The scotopic threshold response of the dark-adapted electroretinogram of the mouse. The Journal of Physiology. 543, 899-916 (2002).
- Reuter, J. H., Sanyal, S. Development and degeneration of retina in rds mutant mice: the electroretinogram. Neuroscience Letters. 48 (2), 231-237 (1984).
- Woodward, W. R., et al. Isoflurane is an effective alternative to ketamine/xylazine/acepromazine as an anesthetic agent for the mouse electroretinogram. Documenta Ophthalmologica. 115 (3), 187-201 (2007).
- Cahill, H., Nathans, J. The optokinetic reflex as a tool for quantitative analyses of nervous system function in mice: application to genetic and drug-induced variation. PLoS One. 3 (4), 2055 (2008).
- 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 & Visual Science. 45 (12), 4611-4616 (2004).
- Lu, Q., Ganjawala, T. H., Hattar, S., Abrams, G. W., Pan, Z. H. A Robust Optomotor Assay for Assessing the Efficacy of Optogenetic Tools for Vision Restoration. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 59 (3), 1288-1294 (2018).
- Xue, T., et al. Melanopsin signalling in mammalian iris and retina. Nature. 479 (7371), 67-73 (2011).
- Yilmaz, M., Meister, M. Rapid innate defensive responses of mice to looming visual stimuli. Current Biology. 23 (20), 2011-2015 (2013).
- De Franceschi, G., Vivattanasarn, T., Saleem, A. B., Solomon, S. G. Vision Guides Selection of Freeze or Flight Defense Strategies in Mice. Current Biology. 26 (16), 2150-2154 (2016).
- Temizer, I., Donovan, J. C., Baier, H., Semmelhack, J. L. A Visual Pathway for Looming-Evoked Escape in Larval Zebrafish. Current Biology. 25 (14), 1823-1834 (2015).
- Guest, B. B., Gray, J. R. Responses of a looming-sensitive neuron to compound and paired object approaches. Journal of Neurophysiology. 95 (3), 1428-1441 (2006).
- McMillan, G. A., Gray, J. R. A looming-sensitive pathway responds to changes in the trajectory of object motion. Journal of Neurophysiology. 108 (4), 1052-1068 (2012).
- Vagnoni, E., Lourenco, S. F., Longo, M. R. Threat modulates neural responses to looming visual stimuli. Eur The Journal of Neuroscience. 42 (5), 2190-2202 (2015).
- Coker-Appiah, D. S., et al. Looming animate and inanimate threats: the response of the amygdala and periaqueductal gray. Social Neuroscience. 8 (6), 621-630 (2013).
- Tyll, S., et al. Neural basis of multisensory looming signals. Neuroimage. 65, 13-22 (2013).
- Wei, P., et al. Processing of visually evoked innate fear by a non-canonical thalamic pathway. Nature Communications. 6, 6756 (2015).
- Shang, C., et al. Divergent midbrain circuits orchestrate escape and freezing responses to looming stimuli in mice. Nature Communications. 9 (1), 1232 (2018).
- Salay, L. D., Ishiko, N., Huberman, A. D. A midline thalamic circuit determines reactions to visual threat. Nature. 557 (7704), 183-189 (2018).
- Vale, R., Evans, D., Branco, T. A Behavioral Assay for Investigating the Role of Spatial Memory During Instinctive Defense in Mice. Journal of Visualized Experiments. (137), 56988 (2018).
- Tungtur, S. K., Nishimune, N., Radel, J., Nishimune, H. Mouse Behavior Tracker: An economical method for tracking behavior in home cages. Biotechniques. 63 (5), 215-220 (2017).
