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OptoTrack小動物視動反應(yīng)跟蹤系統(tǒng)在嚙齒類動物視網(wǎng)膜病變中的應(yīng)用
閱讀：1850 發(fā)布時間：2021-1-12引言
對于嚙齒類動物視覺功能的檢測,主要依靠視網(wǎng)膜解剖檢查、視網(wǎng)膜電生理測試和視覺功能行為測試來完成口。雖測試評估方法均有自己*的優(yōu)點,但是由于存在各自的缺點,尚未被科學(xué)界*和接受。頭部跟蹤(head- racking-H)試驗在1979年被 Cowey等(報道后其不斷改進的測試方法,視動測試已做為一種非侵入性技術(shù),被廣泛應(yīng)用于嚙齒類動物視網(wǎng)膜功能減退的視覺功能量化評價。
1、視動反應(yīng)測試的原理
Cahl等認(rèn)為圖像穩(wěn)定依靠頭部轉(zhuǎn)動反射,是由視反射( optokinetic reflex,OKR)、視動性眼震( optokineticnystagmus,OKN)和前庭眼反射( the vestibule- ocularreex,OR)這兩種類型的眼球運動反應(yīng)介導(dǎo)7。當(dāng)動物或人通過視覺感知大部分視覺環(huán)境移動時(如在一列移動的火車上通過車窗注視車外風(fēng)景時),這些反射就會被觸發(fā)用于穩(wěn)定在視網(wǎng)膜上運動的圖像。而嚙齒類動物的視網(wǎng)膜解剖結(jié)構(gòu)無黃斑中心凹,故它們鎖定其所看到的目標(biāo)的能力十分有限,相反其更容易引起嚙齒類動物的代償性眼球運動。OKR誘導(dǎo)時,視網(wǎng)膜的整個視覺場景的漂移,引起眼球同向快速地旋轉(zhuǎn),大限度地減少視網(wǎng)膜上的圖像的運動。因其不需要培訓(xùn),評估不同的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能,并可以用少的消耗或適應(yīng)反復(fù)誘導(dǎo),并產(chǎn)生一個電子記錄,使結(jié)果分析更容易,量化數(shù)據(jù)更客觀。VOR是類似的響應(yīng)于頭的運動,是來自前庭系統(tǒng),而不是通過視網(wǎng)膜的傳輸引起的。通常情況下,OKR和ⅤOR一起工作,以確保頭部和身體的運動時圖像在視網(wǎng)膜上的穩(wěn)定的。
2、視動頭部追蹤裝置及改進
目前普遍使用的視動頭部追蹤檢測裝置是一個透明的轉(zhuǎn)鼓,直徑約在60~130cm,鼓中央有一個用來放置動物的平臺。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)壁貼有可以更換的不同空間頻率和不同對比度的光波條柵。燈光從平臺上方照射,以步進式電機控制轉(zhuǎn)鼓,可以順時針和逆時針轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動速度可以調(diào)節(jié)。小鼠會隨著鼓壁上條柵的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動其頭部,通過相機拍攝記錄小鼠的頭部運動,通過計算花費跟蹤運動的總時間,和改變條帶的寬度(不同的光柵頻率),建立視覺功能的測量和視力的量度。
據(jù)報道高級哺乳動物具有相當(dāng)大的視野重疊和雙眼視覺,而低等的哺乳動物(如老鼠)的眼睛很少產(chǎn)生雙眼視。而低等哺乳動物以鼻顳刺激誘發(fā)的視動反應(yīng)是無的。色素大鼠兩側(cè)的單眼視動刺激是高度不對稱的凹。對此 Thomas等{修改了原裝置(圖1),以單獨測量每一只眼睛的視動反應(yīng),使左眼和右眼之間的頭跟蹤反應(yīng)結(jié)果直接比較。由于原始裝置中央平臺未做其他的特殊處理,老鼠容易從平臺上掉下或者偏離攝像頭,這將給實驗帶來不便,故在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上加以改進。蔣麗琴等為了使頭部動作觀察更加明顯,在老鼠頭頂黏有一塊橢圓形小紙板,紙板向上一面為黑色背景下有定距離的兩個小白點,自行編寫的測量軟件通過追蹤小白點的運動來記錄頭部的追隨運動。
3、OptoTrack動物視動反應(yīng)跟蹤分析系統(tǒng)的應(yīng)用
3.1 視網(wǎng)膜退變
動物視動反應(yīng)頭部跟蹤作為一種應(yīng)用于嚙齒類動物視網(wǎng)膜病變的視覺功能評價的非侵入性技術(shù),在疾病不同階段通過調(diào)整刺激參數(shù)如條紋寬度、光柵速度和比敏感度的視動得分來評估視網(wǎng)膜功能。用于評估視網(wǎng)膜退變( retinal degenerate,RD)動物視動頭部跟蹤響應(yīng)-,該研究使用了基于Jaa的軟件程序來創(chuàng)建并調(diào)節(jié)視動的刺激參數(shù),如條的寬度、光柵速度和條紋運動的方向,并且以比較正常和視網(wǎng)膜退化大鼠和小鼠之間的反應(yīng)。并對其頭部反應(yīng)評分(“0”=沒有明顯的頭部跟蹤,“1”=小頭部跟蹤,“2”=好的頭部跟蹤但沒有身體的運動,“3”=大頭部跟蹤和小的身體運動,“4大頭部跟蹤和大幅度的身體運動)。Caroline等通過一個條紋寬度為28,光測量9c/m2的視動轉(zhuǎn)鼓參數(shù)檢測發(fā)現(xiàn),在204只小鼠當(dāng)中有138只視網(wǎng)膜退化小鼠沒有顯示任何頭部跟蹤響應(yīng),剩余66只正常小鼠中45只表現(xiàn)出正常的反應(yīng),剩余21只中19只在第yi次測試中沒有反應(yīng),重復(fù)試驗時顯示正常的反應(yīng),剩余2只是由于其他原因影響。
3.2 青光眼
青光眼出現(xiàn)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的不可逆的損害,終導(dǎo)致視野的喪失。目前用于評估青光眼動物模型的視覺障礙評估有兩種行為分析:視覺上的水迷宮任務(wù)和視動鼓。視動鼓依靠視覺運動反應(yīng),這種反射是一種生理反應(yīng),其非常適合于分析的電路和性能的視網(wǎng)膜神經(jīng)元的微妙變化。而在青光眼的研究中評估微妙的變化是確定新的干預(yù)策略能否成功的關(guān)鍵。Liang等建立高眼壓性青光眼小鼠模型來模擬人的高眼壓性青光眼,激光治療后使用回彈式眼壓計監(jiān)測眼壓的變化并用視動行為測試來測量視覺能力的相應(yīng)變化發(fā)現(xiàn),在激光治療前,雙眼表現(xiàn)出正常的視力(左:0.375周/度;右0.397周/度)。在激光治療后2mo,右眼的視力(眼壓)與左對照眼相比明顯下降(左:0.45周/度;右:0.228周度)。Stephanie等利用視動反應(yīng)來定量DBA2J小鼠在青光眼產(chǎn)生前后視野缺損的情況,并且充分體現(xiàn)了視圖1行為測試儀器A:修改后的裝置示意圖,包括一個旋轉(zhuǎn)鼓以及條紋。從滾筒外部170°均勻照射和后面固定190°的黑色擋板,阻斷光源路徑。B:從上述滾筒加入視頻攝像機,記錄的頭部運動固定的黑色擋板,并在轉(zhuǎn)鼓中心放置大鼠束縛器C:大鼠束縛器:將大鼠置于一個細管(不同的尺寸取決于大鼠尺寸管),其可轉(zhuǎn)動180°。該管頭部一側(cè)的前面有開口。帶電板可以防止老鼠從爬出來。一旦受到電擊,老鼠會一直平靜地坐著,只轉(zhuǎn)動頭部。老鼠一次測試4min,每只眼睛為2min,條紋鼓單向轉(zhuǎn)動,每個方向1min。頭部跟隨視動鼓旋轉(zhuǎn)一次的時間(s)被記錄為“頭部跟蹤”的鼓的旋轉(zhuǎn)。兩個不同的條紋寬度應(yīng)對2個光柵頻率,每度0.25個周期(1cm,中等條紋)和每度0.125個周期(2cm,大條紋)以每分鐘兩圈的恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)用攝像機記錄老鼠的頭部動作供以后分析和評分。
動反應(yīng)非侵入性的測量和評估視網(wǎng)膜視覺系統(tǒng)的功能。其研究的結(jié)果表明,增加眼壓與視覺空間性能(視力和對比敏感度)存在著相關(guān)性。
3.3 糖尿病視網(wǎng)膜病變
對于糖尿病動物研究的視覺通路的功能缺損表現(xiàn)使用多的是視網(wǎng)膜電圖(electroretinogram,ERG)。ERG已用于動物模型主要是量化全視野視網(wǎng)膜光閃爍的整體反應(yīng)具有感光功能的衰老和疾病的認(rèn)識是很有價值的。然而,視網(wǎng)膜內(nèi)層電路以及包括它們的無長突和神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元均受糖尿病影響顯著[,使ERG不能*解釋糖尿病模型。因此,需要在糖尿病的動物模型的視覺功能的視動測試。Asimov等(利用視動頭部跟蹤設(shè)備對雜交的秋田鼠視覺損失進行量化評估,結(jié)果表明在5~7.5月齡有顯著的視覺缺失并且發(fā)現(xiàn)糖尿病可以引起空間頻率關(guān)系的對比敏感度的改變。Aung等(2通過視動跟蹤對鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的色素長埃文斯大鼠的高血糖的糖尿病模型視功能進行了評估,結(jié)果表明視動測定的刺激參數(shù)與大鼠的血糖水平有一定的關(guān)系。
3.4 視網(wǎng)膜光損傷
視網(wǎng)膜光損傷是一個非常復(fù)雜的過程,其中視紫紅質(zhì)在光損傷后視細胞凋亡的過程中起著十分重要的作用。在各種視網(wǎng)膜退行性病變的研究中,解釋和評估光感受器細胞的損傷、死亡與視功能的對應(yīng)關(guān)系也是眼科科研中的一個難題。陳曉勇等[2]利用視覺頭部跟蹤對28只SD大鼠在光損傷治療前后連續(xù)測量動物的視功能狀況,以觀察大鼠視力的連續(xù)變化過程,以評估不同程度視功能的損傷。李學(xué)民等通過視動頭部跟蹤觀察SD大鼠視細胞光損傷模型發(fā)現(xiàn)隨著視細胞損傷程度的加重,SD大鼠的視功能呈現(xiàn)漸進性的下降,其視覺-運動的平均運動速度亦出現(xiàn)相應(yīng)的變化。視覺一運動行為測試可以用于對SD大鼠的視功能進行定量的評估。
3.5 其他eher氏遺傳性視神經(jīng)病變(IHON)是線粒體
呼吸鏈的復(fù)合物I突變引起的遺傳性疾病。該疾病的特征在于中央視力損失,由于視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(RCC)功能障礙和視神經(jīng)萎縮。Fabrice等通過視動反射對艾地苯醌和短鏈苯醌對LHON的治療效果進行評估,結(jié)果表明其在保護視力喪失和在加速視力恢復(fù)LHON患者療效明顯。張森等)通過轉(zhuǎn)鼓視力儀檢測豚鼠的顏色視覺并定量確定其顏色對比敏感度視力,以此評估豚鼠色覺和視功能。
4、總結(jié)
視動頭部跟蹤是一種行為測試技術(shù),與傳統(tǒng)的視功能檢查技術(shù)相比具有方法簡單、快速、重復(fù)、無創(chuàng)、不會被適應(yīng)的特點。雖然視動反應(yīng)有其存在的局限如動物的不配合致使測量不準(zhǔn)確,但是視覺頭部跟蹤具有很大的潛力,以增加我們對視網(wǎng)膜視覺系統(tǒng)的正常功能及病理機制的認(rèn)識,以更好地了解、預(yù)防和治療人類疾病,在未來的測定評估技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用,將對繼續(xù)了解發(fā)病機制和臨床前試驗測試新的治療起到至關(guān)重要的作用。