PyOKR:光運動反射追跡能力を定量化するための半自動法

要約

ここでは、2次元画像の動きに対する視覚反応に起因する眼球運動を直接測定する半自動定量分析法であるPyOKRについて説明します。Pythonベースのユーザーインターフェースと分析アルゴリズムにより、従来の方法よりも高いスループットと正確なアイトラッキングパラメータの定量的測定が可能になります。

要約

視覚刺激に対する行動反応の研究は、視覚系の機能を理解するための重要な要素です。注目すべき反応の1つは、網膜の画像安定化に必要な高度に保存された先天的な行動である視運動反射(OKR)です。OKRは、画像追跡能力の堅牢な読み出しを提供し、さまざまな遺伝的背景を持つ動物の視覚系回路と機能を理解するために広く研究されてきました。OKR は、視面の端への刺激を目が追う低速追跡フェーズと、眼窩内の目の位置をリセットする代償高速フェーズ サッケードの 2 つのフェーズで構成されます。ゲインの定量化を追跡する従来の方法は、信頼性は高いものの、労働集約的であり、主観的または任意に導き出される可能性があります。アイトラッキング能力のより迅速で再現性のある定量化を得るために、私たちは、あらゆるタイプのビデオ眼球撮影装置に適応できることに加えて、あらゆる方向刺激に応答する2次元アイトラッキング運動の定量化を可能にする新しい半自動分析プログラムPyOKRを開発しました。この方法では、自動フィルタリング、低速トラッキングフェーズの選択、垂直および水平の視線ベクトルのモデリング、刺激速度に対する眼球運動ゲインの定量化、および結果データの統計的およびグラフィカルな比較に使用できるスプレッドシートへの整理が提供されます。この定量的で合理化された分析パイプラインは、PyPIインポートを介して簡単にアクセスでき、OKR応答の迅速かつ直接的な測定を提供し、それによって視覚行動反応の研究を容易にします。

概要

手ぶれ補正は、自己運動中に発生する全体的な光学の流れを補正するために、正確な眼球運動反応に依存しています。この安定化は、主に視運動反射(OKR)と前庭眼反射(VOR)^1,2,3の2^つの運動反応によって駆動されます。網膜を横切るゆっくりとした全体的な動きはOKRを誘発し、OKRは対応する方向に反射的な眼の回転を誘発して画像を安定させます^1,2。この動きは、遅相と呼ばれ、早速相と呼ばれる代償性サッカードによって中断され、目が反対方向に急速にリセットされ、新たな遅相が可能になります。ここでは、これらの高速位相のサッカードを視線追跡運動 (ETM) と定義します。VORが前庭系に依存して眼球運動を誘発し、頭部の動きを補う^のに対し3、OKRはONの発火とそれに続く中脳の補助光学系(AOS)へのシグナル伝達によって網膜で開始されます^4,5。網膜回路に直接依存しているため、OKRは、研究と臨床の両方の環境で視覚追跡能力を決定するために頻繁に使用されてきました

プロトコル

ジョンズ・ホプキンス大学医学部(JHUSOM)で行われたすべての動物実験は、JHUSOMの動物管理・使用委員会(IACUC)によって承認されました。カリフォルニア大学サンフランシスコ校(UCSF)で行われたすべての実験は、UCSFのInstitutional Animal Care and Use Programによって承認されたプロトコルに従って行われました。

1. 行動データの収集

1. 波のデータ (つまり、球面座標での目の視線角度の時系列) を生成するために選択したビデオ眼球撮影法を使用して OKR の眼球運動を記録します。
   注:JHUSOMで収集された代表的なデータは、前述の^9,13(図1)のように、ヘッドポスト移植手術とビデオ眼鏡検査を使用して取得されました。UCSFから収集された代表的なデータは、前述の¹⁰(図7)で説明したように、ヘッドポスト移植手術とビデオ眼鏡法によって取得されました。
   1. 刺激と記録パラメータ(記録フレームレート、刺激の速度と方向、刺激エポック間と刺激エポック後の時間の長さ)をメモします。正弦波刺激の場合は、刺激波の振幅と....

ディスカッション

PyOKRは、眼球運動に反映された視覚反応を研究するためにいくつかの利点を提供します。これには、精度、アクセシビリティ、データ収集オプション、パラメータ化や可変刺激速度を組み込む機能が含まれます。

ダイレクト・アイ・トラッキング・ゲイン評価は、眼球運動の正確な特性評価を提供し、従来の高速位相サッカード(ETM)の手動カウントよりも直接的な定量的?.......

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
C57BL/6J  mice	Jackson Labs	664
Igor Pro	WaveMetrics	RRID: SCR_000325
MATLAB	MathWorks	RRID: SCR_001622
Optokinetic reflex recording chamber - JHUSOM	Custom-built	N/A	As described in Al-Khindi et al.(2022)9 and Kodama et al. (2016)13
Optokinetic reflex recording chamber - UCSF	Custom-built	N/A	As described in Harris and Dunn, 201510
Python	Python Software Foundation	RRID: SCR_008394
Tbx5 flox/+ mice	Gift from B. Bruneau	N/A	As described in Al-Khindi et al.(2022)9
Tg(Pcdh9-cre)NP276Gsat/Mmucd	MMRRC	MMRRC Stock # 036084-UCD; RRID: MMRRC_036084-UCD