Vizuální aktivita vyvolaná infračerveným zářením u lidí po adaptaci na tmu

POZADÍ: Zrakové postižení postihuje 285 milionů lidí na celém světě. Očekává se, že prevalence zrakového postižení v USA vzroste z 3,3 milionu v roce 2000 na 5,5 milionu v roce 2020. To ještě zhorší současnou ekonomickou zátěž způsobenou ztrátou zraku, která již nyní činí 38,2 miliardy dolarů ročně v přímých a nepřímých nákladech. Hlavní příčinou slepoty v zemích s vysokými příjmy je věkem podmíněná makulární degenerace (AMD), onemocnění, které vede k postupné ztrátě vrstvy fotoreceptorových buněk. Odhaduje se, že 1,75 milionu lidí má AMD v USA a dalších 7,3 milionu je ohroženo. Důležité je, že navzdory ztrátě fotoreceptorových buněk u AMD zůstávají ostatní buněčné vrstvy v sítnici z velké části nedotčené.

Sítnice vystýlá zadní část oka a je složena ze strukturálních vrstev. Vnější jaderná vrstva obsahuje fotoreceptory zvané tyčinky a čípky. Vnitřní jaderná vrstva zahrnuje bipolární, horizontální a amakrinní buňky. Nejvíce vpředu má vrstva gangliových buněk axony, které vystupují z oka jako optický nerv. Tvorba vizuálního obrazu začíná, když foton světla vstoupí do oka, projde všemi vrstvami sítnice a je absorbován buňkami fotoreceptorů. Tyto buňky převádějí foton světla na elektrochemický signál, který je sdělován bipolárním buňkám a následně gangliovým buňkám. Zde se generuje akční potenciál a šíří se optickým nervem do oblasti mozku, kde dochází k vnímání zraku. Když je oko adaptováno na tmu, buňky v této dráze jsou potenciálně citlivější na jiné typy stimulů, jako je IR. Vyšetřovatelé se domnívají, že kationtové kanály zvané TRP kanály v gangliových buňkách jsou aktivovány IR v tomto tmavém adaptovaném stavu, což vytváří vizuální odpověď na IR. Teplo je známým aktivátorem určitých podtypů těchto kanálů jinde v těle. TRP kanály jsou také zodpovědné za IR vidění u zmijí a upírů.

Palczewska a kol. uvedli, že vizuální vnímání k IR probíhalo prostřednictvím procesu přímé dvoufotonové izomerizace vizuálních pigmentů. Jiné důkazy však naznačují, že k vnímání IR může dojít prostřednictvím absorpce jediného IR fotonu. Studie, které používají IR k testování funkčnosti implantované zrakové protézy, zaznamenaly větší odezvu na IR v neimplantovaném oku ve srovnání s implantovaným okem při testech VEP i ERG. Na ERG byla nalezena specializovaná odpověď specifická pro IR nazývaná skotopická prahová odpověď (STR). Tato odpověď nastává za podmínek adaptovaných na tmu a koreluje s odpovědí ve vrstvě gangliových buněk. Přímá IR aktivace TRP kanálů na gangliových buňkách by mohla vyvolat vizuální odpověď. Na základě těchto zjištění vědci předpokládají, že k lidské odpovědi na IR při adaptaci na tmu dochází na úrovni gangliových buněk prostřednictvím tepelně aktivovaných TRP kanálů.

NÁVRH VÝZKUMU CÍL1: Stanovit optimální vlnovou délku IR pro lidské zrakové vnímání při adaptaci na tmu.

Úvod k cíli 1: Cílem tohoto cíle je určit optimální vlnovou délku IR, na kterou je lidské oko citlivé. K dosažení tohoto cíle budou vyšetřovatelé testovat pracovní hypotézu, že zdravé lidské oko a oči s barvoslepostí budou detekovat rozsah IR vlnových délek s preferencí pro konkrétní vlnovou délku. Pracovní hypotézu vyšetřovatelé otestují pomocí širokospektrálního světelného zdroje s pásmovými filtry v IR oblasti specifické pro vlnovou délku. Vyšetřovatelé zdůvodňují tento cíl tím, že pochopení optimální vlnové délky IR lidského oka pomůže v budoucích výzkumech při testování vizuální odezvy na IR pomocí diagnostického zařízení. To je důležité, protože by to mohlo ovlivnit způsob, jakým jiné oftalmologické modality používají IR k diagnostice a léčbě zrakových patologií.

Návrh výzkumu pro cíl 1: Celkem 25 zdravých účastníků (15 s normálním zrakem a 10 s barvoslepostí) ve věku 18 let a starších bude přijato pomocí Registru dobrovolníků klinického výzkumu Centra klinické a translační vědy (CTSC) University of New Mexico (UNM). HRRC-06412. Informovaný souhlas, demografie účastníků, minulá mediální a vizuální historie a obecná oční zkouška budou získány pomocí koordinátora výzkumu CTSC. Každý účastník bude umístěn na hodinu do temné místnosti, aby byla umožněna optimální adaptace oka na tmu. Vyšetřovatelé použijí širokospektrální světelný zdroj s pásmovými filtry pro různé vlnové délky s různými vlnovými délkami IR. Celkem bude použito 12 filtrů v rozsahu od 850 nm do 1400 nm. Pro každou vlnovou délku se vytvoří křivky intenzity zpomalením zvyšování výkonu, dokud účastník neukáže vizuální odezvu na podnět.

Analýza dat pro cíl 1: Data budou analyzována vyšetřovateli. Popisné statistiky budou použity k vyhodnocení demografie, obecných a vizuálních zdravotních informací a hlášených optimálních vlnových délek. Analýza vyšetřovatelů porovná rozdíly mezi odezvami pro každou vlnovou délku. Pokud je vědcům známo, neexistují žádné studie hodnotící, která vlnová délka IR je optimální pro lidské zrakové vnímání, proto vědci předpokládají nízkou velikost účinku 10 %, což by produkovalo 82% šanci, že alespoň dva ze 30 zdravých účastníků poskytnou preferovaná odezva na určitou vlnovou délku. Vyšetřovatelé popíší odhadované velikosti účinku v reakci na zjištění.

Očekávané výsledky pro cíl 1: Výzkumníci očekávají, že lidské oko bude vnímat řadu vlnových délek IR, ale bude mít specifickou vlnovou délku optimální z hlediska jasu.

Potenciální problémy a alternativní strategie pro cíl 1: Aby se zabránilo zkreslení vzorku, vyšetřovatelé plánují získat reprezentativní vzorek z Nového Mexika; účastníci však mohou být mladší a vzdělanější než běžná populace. Může dojít k matoucímu zkreslení světelného znečištění, které by bránilo adaptaci na tmu a snížilo IR citlivost. Fotometr vyhodnotí prostor pro fotony pozadí.

CÍL 2: Testovat elektrofyziologickou odpověď na IR u zdravých lidí po adaptaci na tmu.

Úvod k cíli 2: Cílem tohoto cíle je určit místo IR transdukce ve zrakové dráze. K dosažení tohoto cíle budou výzkumníci testovat pracovní hypotézu, že IR vyvolává změnu amplitudy u lidských subjektů na ERG a VEP testech po adaptaci na tmu. Vyšetřovatelé otestují pracovní hypotézu klinickou studií, ve které je elektrofyziologická vizuální odezva na základní linii viditelného světla porovnána s IR. Důvodem výzkumníků pro tento cíl je, že navrhovaný výzkum přispěje k důležitému pochopení alternativního mechanismu vidění. Je důležité prozkoumat tuto cestu, abychom dále porozuměli obecnému zrakovému zdraví a ukázali, jak IR přímo vyvolává vizuální odezvu. Takové zjištění by bylo důležité, protože by rozšířilo vizuálně citlivé světelné spektrum o IR.

Návrh výzkumu pro Cíl 2: Celkem 6 zdravých účastníků ve věku 18 let a starších bude přijato podle stejných kritérií jako v Cíli 1. Vyšetřovatelé budou shromažďovat stejnou dokumentaci a zdravotní informace jako v Cíli 1. Účastníci budou testováni na oční klinice UNM pomocí VEP a ERG jak na základní linii, tak za podmínek IR přizpůsobených tmě. Oba testy jsou neinvazivní a jsou považovány za bezpečné. Budou se řídit pokyny Mezinárodní společnosti pro klinickou elektrofyziologii vidění (ISCEV) pro klinické VEP a ERG v plném rozsahu. Tyto protokoly budou rozšířeny o testování IR stimulu po adaptaci na tmu. Celkový čas pro účastníky bude 5 hodin a každý se zúčastní pouze jednou.

Analýza dat pro cíl 2: Data budou analyzována vyšetřovateli. Popisné statistiky budou popisovat demografické a obecné a vizuální zdravotní informace. Podle protokolu ISCEV při experimentování mimo normální laboratorní rozsahy výzkumníci nebudou předpokládat normální rozdělení. Zprávy budou specifikovat stimulační a nahrávací parametry. Primární analýza vyšetřovatelů bude testovat základní pravděpodobnost odpovědi na stimul pomocí binomických distribucí (HO = 0, HI > 0). Pomocí exaktních testů bude výzkumná sekundární analýza porovnávat rozdíly mezi časovými intervaly adaptace na tmu 0, 15, 30, 45, 60 minut pro každý typ stimulu a terciární analýza bude porovnávat rozdíly mezi základní linií a IR stimulem v každém časovém intervalu. Pilotní data vyšetřovatelů a zvířecí modely prokázaly konzistentní vizuální odezvu na IR. Nicméně, pokud je vědcům známo, nebyly provedeny žádné elektrofyziologické studie IR stimulu u lidí. Vyšetřovatelé tedy budou předpokládat malou velikost účinku. Vzhledem k ceně diagnostického testu jsme však omezeni na 5 účastníků. Vyšetřovatelé popíší odhadované velikosti účinku v reakci na zjištění.

Očekávané výsledky pro cíl 2: Výzkumníci očekávají IR reakci v ERG a VEP u lidí adaptovaných na tmu.

Potenciální problémy a alternativní strategie pro Cíl 2: Cíl 2 sdílí stejné potenciální problémy jako Cíl 1 a vyšetřovatelé je budou řešit stejným způsobem. Kromě toho může u ERG a VEP dojít ke kalibračnímu zkreslení. Vyšetřovatelé se budou řídit protokoly ISCEV pro oba tyto testy. Zkoušky IR mohou vyžadovat zprůměrování dalších opakování stimulu ke zlepšení poměru signálu k šumu signálů ERG a VEP. Aby se zabránilo zkreslení při interpretaci výsledků, vyšetřovatelé použijí srovnání mezi spolehlivostí a vzájemnou spolehlivostí.

CÍL 3: Testovat elektrofyziologickou odpověď na IR u lidí s onemocněním sítnice nebo poraněním po adaptaci na tmu.

Úvod k cíli 3: Cílem tohoto cíle je určit, která buněčná vrstva sítnice reaguje na IR a povahu zapojení TRP kanálu. K dosažení tohoto cíle budou výzkumníci testovat pracovní hypotézu, že IR nevyvolá změnu amplitudy u určitých onemocnění sítnice. Vyšetřovatelé otestují pracovní hypotézu klinickou studií testováním vizuální odpovědi na IR u určitých onemocnění sítnice pomocí ERG a VEP. Důvodem výzkumníků pro tento cíl je, že navrhovaný výzkum bude zkoumat, zda jsou některá onemocnění sítnice vizuálně citlivá na IR. To je důležité prozkoumat, protože by to mohlo umožnit odlišný přístup k vizuálnímu výzkumu u určitých onemocnění sítnice. Takové zjištění by bylo důležité, protože by mohlo poskytnout základ pro novou formu zrakové protézy.

Návrh výzkumu pro cíl 3: Celkem dvacet pět účastníků, neboli pět na onemocnění sítnice, bude rekrutováno pomocí registru dobrovolníků klinického výzkumu CTSC HRRC-06412. Onemocnění sítnice zahrnují retinitis pigmentosa, věkem podmíněnou makulární degeneraci, vrozenou stacionární šeroslepost, šedý zákal. Zařazeno bude i pět účastníků s barvoslepostí. Bude se postupovat podle stejného protokolu jako v cíli 2 pro demografický sběr a testy ERG a VEP za výchozích podmínek a podmínek adaptovaných na tmu.

Analýza dat pro Cíl 3: Kromě použití stejného typu analýzy dat jako v Cíli 2 budou výsledky také porovnány mezi onemocněními sítnice a se zdravými účastníky.

Očekávané výsledky pro cíl 3: Výzkumníci očekávají, že IR nevyvolá odezvu na ERG a VEP u určitých onemocnění sítnice po adaptaci na tmu.

Potenciální problémy a alternativní strategie pro cíl 3: Stejné jako v cíli 2.