小鼠视动反射视觉特征选择性的量化

摘要

在这里，我们描述了一种用于量化视动反射的标准方案。它结合了虚拟鼓刺激和视频眼部成像，因此可以精确评估行为的特征选择性及其自适应可塑性。

摘要

视动反射 （OKR） 是一种重要的先天性眼球运动，由视觉环境的整体运动触发，用于稳定视网膜图像。由于其重要性和稳健性，OKR 已被用于研究视觉运动学习并评估具有不同遗传背景、年龄和药物治疗的小鼠的视觉功能。在这里，我们介绍了一种高精度评估头部固定小鼠OKR响应的程序。头部固定可以排除前庭刺激对眼球运动的影响，从而可以测量仅由视觉运动触发的眼球运动。OKR 由虚拟鼓系统引发，其中三个计算机显示器上呈现的垂直光栅以振荡方式水平漂移或以恒定速度单向漂移。通过这个虚拟现实系统，我们可以系统地改变视觉参数，如空间频率、时间/振荡频率、对比度、亮度和光栅方向，并量化视觉特征选择性的调谐曲线。高速红外视频眼球造影可确保准确测量眼球运动的轨迹。对个体小鼠的眼睛进行校准，以提供比较不同年龄、性别和遗传背景的动物之间的OKR的机会。该技术的定量能力使其能够检测 OKR 的变化，当这种行为由于衰老、感官体验或运动学习而塑性地适应时;因此，它使该技术成为用于研究眼睛行为可塑性的工具库的宝贵补充。

引言

为了响应环境中的视觉刺激，我们的眼睛会移动以转移我们的视线、稳定视网膜图像、跟踪移动目标或将两只眼睛的中央凹与距离观察者不同距离的目标对齐，这对正常视力至关重要 ^1,2。动眼神经行为已被广泛用作有吸引力的感觉运动整合模型，以了解健康和疾病中的神经回路，至少部分原因是动眼神经系统的简单性³。在三对眼外肌的控制下，眼睛在眼眶中主要围绕三个相应的轴旋转：沿横轴的抬高和凹陷，沿垂直轴的内收和外展，以及沿前后轴^的内收和外展^1,2。这种简单的系统使研究人员能够在实验室环境中轻松准确地评估小鼠的动眼神经行为。

一种主要的动眼神经行为是视动反射 （OKR）。这种不自主的眼球运动是由视网膜上图像的缓慢漂移或滑动触发的，当动物的头部或其周围环境移动时，用于稳定视网膜图像^2,4。OKR 作为一种行为范式，出于多种原因对研究人员来说很有趣。首先，它可以被可靠地刺激并准确量化^5,6。其次，量....

研究方案

本研究中进行的所有实验程序均已根据多伦多大学动物护理委员会和加拿大动物护理委员会制定的指南获得生物科学当地动物护理委员会的批准。

1. 在颅骨顶部植入头杆

注意：为避免 VOR 行为对眼球运动的贡献，在 OKR 测试期间固定鼠标头部。因此，通过手术将头杆植入颅骨顶部。

1. 在气室中用4%异氟烷（v / v）和O 2的混合物麻醉小鼠（_2-5 个月大的雌性和雄性C57BL / 6）。将小鼠转移到定制的手术平台上，将异氟醚的浓度降低到1.5%-2%。通过检查整个手术过程中的脚趾捏反应和呼吸频率来监测麻醉深度。
2. 在动物身体下方放置加热垫以保持其体温。在双眼上涂上一层润滑眼膏，以保护它们免受干燥。用铝箔盖住眼睛，以保护它们免受光线照射。
3. 皮下注射卡洛芬，剂量为 20 mg/kg，以减轻疼痛。用葡萄糖酸氯己定皮肤清洁剂润湿皮毛后，剃掉头骨顶部的皮毛。用70%异丙醇和氯己定酒精对暴露的头皮进行两次消毒。
4. 在切口部位皮下注射布比卡因（8mg / kg），然后用剪刀去除头皮（~1cm²），露出颅骨背面，包括额后骨，顶骨和顶间骨。
5. 在暴露的头骨上滴几滴 1% 利多卡因和 1：100,000 肾上腺素，以减轻局部疼痛和出血。用 Meyhoefer 刮匙刮除颅骨以去除筋膜并....

讨论

此处介绍的 OKR 行为测定方法具有几个优点。首先，计算机生成的视觉刺激解决了物理鼓的内在问题。针对物理鼓不支持空间频率、方向或对比度调谐的系统检查8的问题，虚拟鼓允许在逐个试验的基础上改变这些视觉^{参数，从而}有助于对OKR行为的特征选择性进行系统和定量分析（图4A）;当物理鼓受到外部光源²³的不均匀照明时，虚拟鼓可?.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
2D translational stage	Thorlabs	XYT1
Acrylic resin	Lang Dental	B1356	For fixing headplate on skull and protecting skull
Bupivacaine	STERIMAX	ST-BX223	Bupivacaine Injection BP 0.5%. Local anesthesia
Carprofen	RIMADYL	8507-14-1	Analgesia
Compressed air	Dust-Off
Eye ointment	Alcon	Systane	For maintaining moisture of eyes
Graphic card	NVIDIA	Geforce GTX 1650 or Quadro P620.	For generating single screen among three monitors
Heating pad	Kent Scientific	HTP-1500	For maintaining body temperature
High-speed infrared (IR) camera	Teledyne Dalsa	G3-GM12-M0640	For recording eye rotation
IR LED	Digikey	PDI-E803-ND	For CR reference and the illumination of the eye
IR mirror	Edmund optics	64-471	For reflecting image of eye
Isoflurane	FRESENIUS KABI	CP0406V2
Labview	National instruments	version 2014	eye tracking
Lactated ringer	BAXTER	JB2324	Water and energy supply
Lidocaine and epinephrine mix	Dentsply Sirona	82215-1	XYLOCAINE. Local anesthesia
Luminance Meter	Konica Minolta	LS-150	for calibration of monitors
Matlab	MathWorks	version xxx	analysis of eye movements
Meyhoefer Curette	World Precision Instruments	501773	For scraping skull and removing fascia
Microscope calibration slide	Amscope	MR095	to measure the magnification of video-oculography
Monitors	Acer	B247W	Visual stimulation
Neutral density filter	Lee filters	299	to generate scotopic visual stimulation
Nigh vision goggle	Alpha optics	AO-3277	for scotopic OKR
Photodiode	Digikey	TSL254-R-LF-ND	to synchronize visual stimulation and video-oculography
Pilocarpine hydrochloride	Sigma-Aldrich	P6503
Post	Thorlabs	TR1.5
Post holder	Thorlabs	PH1
PsychoPy	open source software	version xxx	visual stimulation toolkit
Scissor	RWD	S12003-09	For skin removal
Superglue	Krazy Glue		Type: All purpose. For adhering headplate on the skull