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引言
對于嚙齒類動物視覺功能的檢測,主要依靠視網膜解剖檢查、視網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*的優點,但是由于存在各自的缺點,尚未被科學界*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,被廣泛應用于嚙齒類動物視網膜功能減退的視覺功能量化評價。
1、視動反應測試的原理
Cahl等認為圖像穩定依靠頭部轉動反射,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介導7。當動物或人通過視覺感知大部分視覺環境移動時(如在一列移動的火車上通過車窗注視車外風景時),這些反射就會被觸發用于穩定在視網膜上運動的圖像。而嚙齒類動物的視網膜解剖結構無黃斑中心凹,故它們鎖定其所看到的目標的能力十分有限,相反其更容易引起嚙齒類動物的代償性眼球運動。OKR誘導時,視網膜的整個視覺場景的漂移,引起眼球同向快速地旋轉,大限度地減少視網膜上的圖像的運動。因其不需要培訓,評估不同的中樞神經系統的功能,并可以用少的消耗或適應反復誘導,并產生一個電子記錄,使結果分析更容易,量化數據更客觀。VOR是類似的響應于頭的運動,是來自前庭系統,而不是通過視網膜的傳輸引起的。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膜上的穩定的。
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鼓,直徑約在60~130cm,鼓中央有一個用來放置動物的平臺。轉鼓內側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鼓,可以順時針和逆時針轉動,轉動速度可以調節。小鼠會隨著鼓壁上條柵的旋轉而轉動其頭部,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。
據報道高級哺乳動物具有相當大的視野重疊和雙眼視覺,而低等的哺乳動物(如老鼠)的眼睛很少產生雙眼視。而低等哺乳動物以鼻顳刺激誘發的視動反應是無的。色素大鼠兩側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,使左眼和右眼之間的頭跟蹤反應結果直接比較。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,故在原有的設備基礎上加以改進。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動物視動反應跟蹤分析系統的應用
3.1 視網膜退變
動物視動反應頭部跟蹤作為一種應用于嚙齒類動物視網膜病變的視覺功能評價的非侵入性技術,在疾病不同階段通過調整刺激參數如條紋寬度、光柵速度和比敏感度的視動得分來評估視網膜功能。用于評估視網膜退變( retinal degenerate,RD)動物視動頭部跟蹤響應-,該研究使用了基于Jaa的軟件程序來創建并調節視動的刺激參數,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膜退化大鼠和小鼠之間的反應。并對其頭部反應評分(“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的視動轉鼓參數檢測發現,在204只小鼠當中有138只視網膜退化小鼠沒有顯示任何頭部跟蹤響應,剩余66只正常小鼠中45只表現出正常的反應,剩余21只中19只在第yi次測試中沒有反應,重復試驗時顯示正常的反應,剩余2只是由于其他原因影響。
3.2 青光眼
青光眼出現視網膜神經節細胞的不可逆的損害,終導致視野的喪失。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和視動鼓。視動鼓依靠視覺運動反應,這種反射是一種生理反應,其非常適合于分析的電路和性能的視網膜神經元的微妙變化。而在青光眼的研究中評估微妙的變化是確定新的干預策略能否成功的關鍵。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測眼壓的變化并用視動行為測試來測量視覺能力的相應變化發現,在激光治療前,雙眼表現出正常的視力(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等利用視動反應來定量DBA2J小鼠在青光眼產生前后視野缺損的情況,并且充分體現了視圖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),其可轉動180°。該管頭部一側的前面有開口。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,只轉動頭部。老鼠一次測試4min,每只眼睛為2min,條紋鼓單向轉動,每個方向1min。頭部跟隨視動鼓旋轉一次的時間(s)被記錄為“頭部跟蹤”的鼓的旋轉。兩個不同的條紋寬度應對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速旋轉用攝像機記錄老鼠的頭部動作供以后分析和評分。
動反應非侵入性的測量和評估視網膜視覺系統的功能。其研究的結果表明,增加眼壓與視覺空間性能(視力和對比敏感度)存在著相關性。
3.3 糖尿病視網膜病變
對于糖尿病動物研究的視覺通路的功能缺損表現使用多的是視網膜電圖(electroretinogram,ERG)。ERG已用于動物模型主要是量化全視野視網膜光閃爍的整體反應具有感光功能的衰老和疾病的認識是很有價值的。然而,視網膜內層電路以及包括它們的無長突和神經節神經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備對雜交的秋田鼠視覺損失進行量化評估,結果表明在5~7.5月齡有顯著的視覺缺失并且發現糖尿病可以引起空間頻率關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,結果表明視動測定的刺激參數與大鼠的血糖水平有一定的關系。
3.4 視網膜光損傷
視網膜光損傷是一個非常復雜的過程,其中視紫紅質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關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測量動物的視功能狀況,以觀察大鼠視力的連續變化過程,以評估不同程度視功能的損傷。李學民等通過視動頭部跟蹤觀察SD大鼠視細胞光損傷模型發現隨著視細胞損傷程度的加重,SD大鼠的視功能呈現漸進性的下降,其視覺-運動的平均運動速度亦出現相應的變化。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氏遺傳性視神經病變(IHON)是線粒體
呼吸鏈的復合物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,由于視網膜神經節細胞(RCC)功能障礙和視神經萎縮。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,結果表明其在保護視力喪失和在加速視力恢復LHON患者療效明顯。張森等)通過轉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
視動頭部跟蹤是一種行為測試技術,與傳統的視功能檢查技術相比具有方法簡單、快速、重復、無創、不會被適應的特點。雖然視動反應有其存在的局限如動物的不配合致使測量不準確,但是視覺頭部跟蹤具有很大的潛力,以增加我們對視網膜視覺系統的正常功能及病理機制的認識,以更好地了解、預防和治療人類疾病,在未來的測定評估技術聯合應用,將對繼續了解發病機制和臨床前試驗測試新的治療起到至關重要的作用。
