PyOKR: Optokinetic Reflex Tracking Ability를 정량화하기 위한 반자동 방법

요약

여기에서는 2차원 이미지 움직임에 대한 시각적 반응으로 인한 안구 움직임을 직접 측정하는 반자동 정량 분석 방법인 PyOKR에 대해 설명합니다. Python 기반 사용자 인터페이스 및 분석 알고리즘을 사용하면 이전 방법보다 더 높은 처리량과 더 정확한 정량 측정이 가능합니다.

초록

시각적 자극에 대한 행동 반응에 대한 연구는 시각 시스템 기능을 이해하는 데 중요한 구성 요소입니다. 한 가지 주목할 만한 반응은 망막의 이미지 안정화에 필요한 고도로 보존된 타고난 행동인 광동태 반사(OKR)입니다. OKR은 이미지 추적 능력에 대한 강력한 판독 기능을 제공하며 다양한 유전적 배경을 가진 동물의 시각 시스템 회로 및 기능을 이해하기 위해 광범위하게 연구되었습니다. OKR은 눈이 시각 평면의 가장자리로 자극을 따라가는 느린 추적 단계와 안와에서 눈의 위치를 재설정하는 보상적 빠른 위상 saccade의 두 단계로 구성됩니다. 이전의 게인 정량화 추적 방법은 신뢰할 수 있지만 노동 집약적이며 주관적이거나 임의로 파생될 수 있습니다. 시선 추적 능력의 보다 빠르고 재현 가능한 정량화를 얻기 위해 우리는 모든 유형의 비디오 안구 촬영 장비에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 모든 방향 자극에 대한 반응으로 2차원 시선 추적 동작을 정량화할 수 있는 새로운 반자동 분석 프로그램인 PyOKR을 개발했습니다. 이 방법은 자동 필터링, 느린 추적 단계 선택, 수직 및 수평 눈 벡터의 모델링, 자극 속도에 상대적인 안구 움직임 이득의 정량화, 결과 데이터를 통계 및 그래픽 비교를 위해 사용 가능한 스프레드시트로 구성합니다. PyPI 가져오기를 통해 쉽게 액세스할 수 있는 이 정량적이고 간소화된 분석 파이프라인은 OKR 응답을 빠르고 직접 측정하여 시각적 행동 응답에 대한 연구를 용이하게 합니다.

서문

이미지 안정화는 자기 동작 중에 발생하는 전체 광학 흐름을 보상하기 위해 정확한 안구 운동 반응에 의존합니다. 이 안정화는 주로 두 가지 운동 반응, 즉 광동태 반사(OKR)와 전정-안구 반사(VOR)^1,2,3에 의해 주도됩니다. 망막을 가로지르는 느린 글로벌 모션은 OKR을 유도하여 해당 방향으로 반사적인 눈 회전을 유도하여 이미지를 안정화합니다 ^1,2. 느린 단계(slow phase)로 알려진 이 움직임은 빠른 단계(fast phase)로 알려진 보상 사케이드(compensatory saccades)에 의해 중단되며, 이 단계에서 눈은 반대 방향으로 빠르게 재설정되어 새로운 느린 단계를 허용합니다. 여기서는 이러한 빠른 단계의 saccades를 ETM(시선 추적 움직임)으로 정의합니다. VOR은 머리^{의 움직임3}을 보상하기 위해 안구의 움직임을 유도하기 위해 전정계에 의존하는 반면, OKR은 ON의 발화와 중뇌의 AOS(Accessory Optic System)에 대한 후속 신호....

프로토콜

존스 홉킨스 의과대학(JHUSOM)에서 수행된 모든 동물 실험은 JHUSOM의 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았습니다. UCSF(University of California, San Francisco)에서 수행된 모든 실험은 UCSF Institutional Animal Care and Use Program에서 승인한 프로토콜에 따라 수행되었습니다.

1. 행동 데이터 수집

1. 파동 데이터(즉, 구형 좌표에서 눈의 시선 각도의 시계열)를 생성하기 위해 선택한 비디오 안구 조영 방법을 사용하여 OKR 눈의 움직임을 기록합니다.
   참고: JHUSOM에서 수집된 대표 데이터는^{앞서 설명한} 바와 같이 헤드포스트 이식 수술 및 비디오 안구 조영술을 사용하여 획득^{되었습니다(}그림 1). UCSF에서 수집된 대표 데이터는 이전¹⁰에서 설명한 바와 같이 헤드포스트 이식 수술 및 비디오 안구 조영술 방법을 통해 획득되었습니다(그림 7....

토론

PyOKR은 눈의 움직임에 반영된 시각적 반응을 연구하는 데 몇 가지 이점을 제공합니다. 여기에는 정확성, 접근성 및 데이터 수집 옵션뿐만 아니라 매개변수화 및 다양한 자극 속도를 통합할 수 있는 기능이 포함됩니다.

직접 시선 추적 게인 평가는 ETM(Fast Phase Saccades)의 기존 수동 계산보다 더 직접적인 정량 메트릭인 안구 움직임의 정확한 특성화를 제공합니다. saccade counting은 ?.......

자료

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