시각적 자극을 사용 하 여 마우스 비전 평가

요약

마우스 비전을 검사 하기 위해, 우리는 얼씬 한 테스트를 실시 했습니다. 마우스는 천장에 모니터가 있는 큰 광장 경기장에 배치 되었다. 눈에 보이는 시각적 자극은 마우스에서 지속적으로 동결 또는 비행 반응을 유발.

초록

중추 신 경계의 시각 시스템은 다양 한 시각적 신호를 처리 합니다. 전체 구조는 시각 피 질에 대 한 측면 교 화 핵을 통해 망막에서 특성화 되었지만, 시스템은 복잡 하다. 세포 및 분자 연구는 시각적인 처리를 뒷받침하는 기계 장치를 명료 하 게 하 고, 확장 하 여, 질병 기계 장치에 의하여 진행 되었습니다. 이러한 연구는 인공 시각 시스템의 개발에 기여할 수 있습니다. 이러한 연구의 결과를 확인 하기 위해 행동 시력 검사가 필요 합니다. 여기서, 우리는 눈에 보이는 자극 실험이 비교적 간단한 설정을 필요로 하는 신뢰할 수 있는 마우스 비전 테스트 임을 보여준다. 어렴풋이 실험은 한 구석에 피난처와 천장에 있는 컴퓨터 모니터와 큰 인클로저에 실시 되었다. 컴퓨터 모니터 옆에 위치한 CCD 카메라는 마우스 동작을 관찰 하기 위해 제공 됩니다. 마우스는 10 분 동안 인클로저에 배치 하 고 주변을 탐구 하 고에 적응 하는 것이 허용 되었다. 이어서, 상기 모니터는 상기 유도 된 자극 10 배를 프로그램 하 여 투영 한다. 마우스는 얼 거 나 숨어 있는 장소로 달아 나는 것에 의해 자극에 반응 했습니다. 어 지는 자극 전후의 마우스 동작을 기록 하 고, 모션 트래킹 소프트웨어를 이용 하 여 비디오를 분석 하였다. 마우스 운동의 속도는 어렴풋이 자극 후 크게 변경. 대조적으로, 블라인드 마우스에서 반응은 관찰 되지 않았다. 우리의 결과는 간단한 눈에 보이는 실험이 마우스 비전의 믿을 수 있는 시험 이라는 것을 보여줍니다.

서문

시각 체계는 망막에서 시작 되 고, 시각적인 신호는 광 수 용기에 의해 포착 되 고, 양극성 세포 (2^nd순서 뉴런)에 표출 되 고, 마지막으로 신경 절 세포 (3 개의^rd-순서 뉴런)에 전달 됩니다. 망막 2^nd-3^rd-순서 뉴런은 색상, 동작 또는 모양과 같은 시각적 신호의 특정 측면을 전달 하는 여러 신경 통로를 형성 하는 것으로 생각 됩니다. 이러한 다양 한 시각적 특징은 측면의 가설 핵과 시각 피 질에 중계 된다. 대조적으로, 눈 운동에 지도 하는 시각적인 신호는 우량한 colliculus에 전송 됩니다. 고전적으로, 두 개의 retino 대뇌 피 질의 통로가 확인 되었습니다: 마 그 놀 리아와 발성 세포 통로. 이러한 경로는 각각 이동 및 고정 개체를 인코딩하고 그 존재는 병렬 처리의 기본 개념을 구체화 합니다.^1,2,⁴,^{5 6}. 최근에는 15 종류 이상의 양극성세포 들^{7,8,9, 10, 11} 및 신경 절 세포 들이¹²,^{13,14 ,15,16} 은 영장류 망막을 포함 한 많은 종의 망막에서 보고 되었다. 이들 세포는 형태학 적 측면 뿐만 아니라 구별 마커 및 유전자의 발현에의해도^8,10,¹⁷,¹⁸의 다양 한 특징이 있음을 시사 한다. 시각적 신호는 병렬로 처리 되며, 원래 예상한 것 보다 더 복잡 합니다.

세포 및 분자 기술 변종 시각 처리에서 발생할 수 있는 시각 처리 및 잠재적인 질병 메커니즘에 대 한 우리의 이해에 기여 했다. 그러한 이해는 인공 눈의 발달에 기여할 수 있습니다. 세포 검사 및 분석은 세포 수준에서 심도 있는 지식을 제공 하지만, 행동 실험과 세포 실험의 조합은 미세 시각 과정에 대 한 우리의 현재 이해를 크게 증가 시킬 것입니다. 예를 들어, 요시다 외¹⁹ 는 무 축 삭 세포가 마우스 망막의 움직임 검출을 위한 핵심 뉴런 이라는 것을 발견 했습니다. 세포 실험에이 어, 그들은 광 운동 안 진 세포 (OKN) 행동 실험을 수행 하 여 스타 버스트 무 축 삭 체가 이동 하는 물체에 반응 하지 않았고, 그로 인해 세포를 확인 하는 돌연변이 쥐가 작동 하는 것을 보여주기 위해 조사. 또한, Pearson et al²⁰ 은 생쥐 망막에서 광 수용 체이 식을 실시 하 여 병에 걸린 쥐의 시야를 회복 시켰습니다. 그들은 세포 실험 뿐만 아니라 광 모터 반응 녹음 및 수 분 미로 작업을 사용 하 여 마우스 동작을 측정 했기 때문에 Pearson et al을 사용할 수 있었습니다. 이전 시각 장애인의 시력 회복 마우스. 함께 촬영, 행동 실험은 마우스 비전을 평가 하는 강력한 도구.

마우스 비전을 측정 하는 데 여러 가지 방법을 사용할 수 있습니다. 이러한 방법에는 장점과 제한이 있습니다. 생체 내에서는 마우스 망막, 특히 광 수용 체 및 양극성 세포에 대 한 정보를 제공 하며, 빛 자극에 적절 하 게 반응 한다. 에 베 그는 스 코트 또는 photopic 조건^21,22에서 중 하나를 테스트 할 수 있습니다. 그러나,이는 마 취를 필요로 하며,이는 출력 측정 (²³)에 영향을 줄 수 있다. 광 운동 반사 (OKR) 또는 광 모터 반응 (OMR)은 마우스 비전의 기능적 구성 요소 모두 대비 감도 및 공간 해상도를 평가 하는 강력한 방법입니다. 그러나, OKR은 마우스 두개골 (²⁴)에 고정 장치를 부착 하는 수술이 필요 하다. OMR 수술이 나 마우스 훈련이 필요 하지 않습니다; 그러나, 그것은 실험 자가 광학 드럼 ( ²⁵)에서 움직이는 격자에 반응 하 여 미묘한 마우스 머리의 움직임을 검출 주관적으로 수 있도록 훈련을 필요로 한다²⁶. 눈동자 빛 반사는 마 취를 필요로 하지 않는 빛 자극에 응 하 여 눈동자 수 축을 측정 하 고 객관적이 고 튼튼한 응답을 전시 합니다 ¹⁹. 동 공 반사는 생체 내에서 망막 광 반응을 시뮬레이션 하지만, 반사는 주로 본질적으로 감광 성 망막 신경 절 세포 (ipRGCs) ²⁷에 의해 중재 됩니다. IpRGCs는 소수의 RGCs를 나타내며 기존의 이미지 형성 신경 절 세포로 서의 역할을 하지 않기 때문에,이 측정은 신경 절 세포의 대다수에 관한 정보를 제공 하지 않습니다.

어렴풋이 빛 실험은 이전에 마우스 비전을 측정 하기 위한 주요 테스트로 간주 되지 않았습니다. 그러나 마우스²⁸,²⁹, 제 브라 피시³⁰, 로커 스 트^31,32및 인간^33,34 등 다양 한 종에 걸친 견고 하 고 신뢰할 수 있는 비전 테스트 이기도 ³⁵. 중요 하 게는, 눈에 보이는 실험은 심상 형성 통로를 시험 하는 단지 몇몇 방법의 한 개입니다-반사 통로-이 회로³⁶에 관여 되는 중추 신 경계의 시각 및 변 연계 체계를 주어^{, 37,38}. 우리는 눈에 보이는 시각 자극 시스템을 확립 하 고 마우스의 움직임을 유도 하는 능력을 입증 했다, 마우스 비주얼 시스템의 불평등을 평가 하기 위해 프록시로 사용 하는.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

프로토콜

모든 실험과 동물 관리는 웨인 주립 대학의 기관 동물 관리 및 사용 위원회에 의해 승인 된 프로토콜에 따라 진행 되었다 (프로토콜 no. 17-11-0399).

1. 실험 준비

1. 눈에 보이는 시각적 자극 프레젠테이션을 하는 동안 마우스를 집에 사각형 오픈 뚜껑 인클로저를 빌드합니다. 알루미늄 프레임과 PVC 패널을 사용 하 여 40 cm x 50 x 33 cm 인클로저를 구성 했습니다 (그림 1a, B). 인클로저의 전체 바닥을 덮는 종이를 깔고 시험을 쉽게 정리할 수 있도록 합니다. 출입구의 모서리에 불투명 한 피난처를 추가 하 여 입구와 출구를 쉽게 경기장의 중심을 향하게 합니다.
2. 마우스의 동작을 캡처하기 위해 광각 렌즈로 카메라를 설정 합니다. 카메라를 인클로저에 인접 한 테이블 장착 스탠드에 고정 합니다. 최고 품질의 비디오 캡처를 위해 카메라 프레임 속도를 60 FPS 이상으로 사용 하십시오.
3. 인클로저 상단에 컴퓨터 모니터를 설정 합니다. 외부에서 모니터를 볼 수 없기 때문에 기본 모니터에 표시 된 이미지를 복제 한 두 번째 모니터가 준비 되었습니다.
4. 프로젝션에 대 한 어렴풋이 패턴을 준비 합니다. 이를 수행 하는 한 가지 방법은 MatLab 소프트웨어 내에서 PsychToolbox3를 사용 하 여 확장 된 검정색 원의 코드를 코딩 하는 것입니다 (그림 1C). 자극이 2 °의 시각적 각도로 시작 하 고 250 ms 이상 50 °까지 확장 되도록 설정 합니다. 이러한 매개 변수는 자극 속도를 결정 합니다 (시각적 각도 계산을 위해 그림 1D 참조). 1 초 간격으로 10 회 자극을 반복 하는 코드를 설정 합니다.
   주: 자극은 이전 프레젠테이션이 종료 되 면 즉시 반복을 시작 했습니다. 자극 프리 젠 테이 션에 대 한 자세한 내용은 섹션 3을 참조 하십시오.
5. 자극에 대 한 관심 마우스를 선택 합니다. 여기, C57 배경, 남성과 여성의 32 건강 한 눈 쥐를 사용 하 여, 4 ~ 14 주 오래 된. 또한 3 개의 블라인드 마우스 (양쪽 눈에 심한 백 내장)를 사용 하 여 자극에 대 한 반응이 진정으로 시각적으로 유도 된 행동 인지 여부를 평가 합니다. 이 블라인드 마우스는 더 이상 빛 반사와 광 모터 반응이 없었다.

2. 마우스 순응

1. 인클로저에 마우스를 놓고 자유롭게 주변을 탐험 할 수 있습니다. 가능 하다 면, 자유 손의 뒤쪽을 마우스의 휴식 장소로 사용 하 여 지원 없이 중단 시키는 대신 동물 이동 중에 스트레스를 최소화 하십시오. 마우스는 안전을 위해 전체 인클로저를 찾아야 하 고 숨어있는 장소를 발견 해야한다. 피난처 반대쪽 구석에 몇 개의 음식 펠 릿을 떨어 쥐는 것은 피난처 밖에 남아 있도록 마우스를 장려 합니다.
2. 마우스가 7 ~ 15 분^29,39에서 어디에 나 적응할 수 있도록 합니다. 우리는 자극 개시 이전에 적응의 10 분을 허용 했습니다. 또한, 실험 1 일 전에 10 분간 순응 하 여 생쥐를 완화 시킬 수 있다.

3. 시각적 자극 프로젝션

1. 마우스를 경기장에 삽입 하기 전에 마우스를 인클로저에 넣는 동안 가능한 적은 수의 조명을 용이 하 게 하기 위해 자극 코드를 실행할 준비가 되었는지 확인 합니다. 소프트웨어를 실행할 준비가 되 면 마우스를 인클로저에 부드럽게 놓습니다.
2. 자극 하기 10 초 전에 비디오 캡처를 시작 하십시오.
3. 마우스가 대피 소에서 떨어져 있고 열린 아레나에 서 자유롭게 움직일 때 눈에 보이는 시각적 자극을 시작 하십시오. 마지막 자극 프리젠테이션 후 10 초 동안 기다렸다가 레코딩을 종료 합니다.
   1. 마우스가 피난처에서 가장 먼 구석에 있을 때 자극 프리젠테이션을 시작 하십시오. 그러나 마우스가 멀리 구석을 탐험 하는 것을 꺼리는 것 처럼 보일 때 마우스는 경기장의 다른 구석에 있을 때 자극을 제시 하십시오. 이것은 동물 행동 반응에 차이를 만드는 것으로 나타나지 않습니다.
4. 마우스를 원래 케이지에 다시 전송 합니다. 70% 에탄올로 벽과 피난처를 분무 하 여 다음 마우스의 인클로저를 청소 하 고 닦아 냅니다. 오염 된 경우 종이 바닥 라이너를 교체 하 고 동물 이동 및 인클로저 청소 중에 이동 하는 경우 피난처를 동일한 초기 위치로 재배치 하십시오.

4. 비디오 분석

1. 분석 소프트웨어로 전송 하는 동안 데이터 손실이 없도록 하기 위해 파일 압축 없이 .avi 형식으로 각 마우스의 비디오 클립을 저장 합니다.
   참고: 압축이 부족 하면 파일 크기가 커집니다. 따라서 외장 하드 드라이브를 사용 하 여 저장 하십시오.
2. 분석 소프트웨어를 사용 하 여 자극 프레젠테이션 전, 중, 후에 경기장 주위의 동물의 움직임을 추적 합니다. 모든 비디오 프레임에서 마우스 헤드의 위치를 추적 하는 수동 추적 기능을 사용 하 여 상업적으로 사용 가능한 소프트웨어 ( 재질 표참조)를 사용할 수 있으며, 1/60 Ms 마다 X 및 Y 조정이 생성 됩니다. 기타 모션 트래킹 소프트웨어에는 피지 (NIH )⁴⁰ 및 EthoVision (놀 dus).
3. 피난처에서 마우스의 속도와 거리를 계산 합니다. 비디오 각도로 인해 투기 장의 이미지가 왜곡 된 경우 계산 전에 X 및 Y 좌표를 수정 합니다 (그림 2).
4. 자극 개시 전후의 파라미터를 비교 하 여 마우스가 자극에 반응 하는 방법을 결정 하기 위해, 동결에의 한 것이 든, 도망치 든, 또는 행동²⁹의 변화가 없음을 입증 하는 것 이다. 0.5 s 이상에 대 한 속도가 20mm/s 보다 작은 에피소드로 동결을 정의 합니다. 비행을 에피소드로 정의 하면 속도가 400 mm 이상으로 증가 하 고 피난처에서 마우스로 끝납니다. 냉동 및 비행에 대 한 정의는 프란 체스 키 et al²⁹ 에 의해 설정 된 것을 기반으로 했다.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

결과

건강 한 눈을 가진 마우스가 인클로저에 배치 되 고 10 분 동안 순응 할 수 있었습니다. 천장에 모니터가 있는 경기장은 빛 조건 (7x105 광자/μ m²/ s)에서 유지 되었다. 적응 기간 동안 마우스가 공간을 탐험 하 고 불투명 돔을 피난처로 발견 했습니다. 마우스가 피난처에서 멀리 이동 하면, 비디오 캡처 시작, 시각적 자극의 개시에 따라. 어 지는 자극에 응답 하 여, 대부분의 마우스는 ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

토론

눈에 보이는 시각적 자극 시스템, 과반수 (97%) 건강 한 눈-생쥐의 비행 반응을 보였다. 29 마우스 중 하나는 명백한 비행 응답을 보여주지 않았다. 그러나 마우스는 돔을 향해 걸어와 서 사라질 때까지 근처에 남아, 마우스는 어 지 렸 던 자극이 발생 했을 때 적어도 조심 했다는 것을 나타냅니다. 따라서, 아 련 하 게 되는 자극은 건강 한 눈이 있는 쥐에서 지속적으로 타고 난 공포 반응을 나타내어. ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
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