Visuel aktivitet fremkaldt af infrarød hos mennesker efter mørketilpasning

BAGGRUND: Synshandicap påvirker 285 millioner mennesker verden over. Forekomsten af ​​synsnedsættelse i USA forventes at stige fra 3,3 millioner i 2000 til 5,5 millioner i 2020. Dette vil forværre den nuværende økonomiske byrde af synstab, som allerede er 38,2 milliarder dollars om året i direkte og indirekte omkostninger. Den førende årsag til blindhed i højindkomstlande skyldes aldersrelateret makuladegeneration (AMD), en sygdom, der fører til gradvist tab af fotoreceptorcellelaget. Det anslås, at 1,75 millioner mennesker har AMD i USA, og yderligere 7,3 millioner er i fare. Det er vigtigt, at trods tabet af fotoreceptorceller i AMD forbliver de andre cellulære lag i nethinden stort set intakte.

Nethinden beklæder bagsiden af ​​øjet og er sammensat af strukturelle lag. Det ydre nukleare lag indeholder fotoreceptorer kaldet stænger og kegler. Det indre nukleare lag omfatter bipolære, vandrette og amacrine celler. Mest fortil har gangliecellelaget axoner, der forlader øjet som synsnerven. Visuel billeddannelse begynder, når en foton af lys kommer ind i øjet, passerer gennem alle retinale lag og absorberes af fotoreceptorcellerne. Disse celler transducerer lysets foton til et elektrokemisk signal, som kommunikeres til bipolære celler, efterfulgt af gangliecellerne. Her genereres et aktionspotentiale og forplantes via synsnerven til det område af hjernen, hvor synsopfattelsen opstår. Når øjet er mørkt tilpasset, er cellerne i denne vej potentielt mere følsomme over for andre typer stimuli, såsom IR. Forskerne mener, at kationkanaler kaldet TRP-kanaler i ganglieceller aktiveres af IR i denne mørke tilpassede tilstand, hvilket skaber den visuelle respons på IR. Varme er en kendt aktivator af visse undertyper af disse kanaler andre steder i kroppen. TRP-kanaler er også ansvarlige for IR-syn hos pit hugorme og vampyrflagermus.

Palczewska et al. rapporterede, at visuel perception til IR skete gennem en proces med direkte to-foton isomerisering af visuelle pigmenter. Imidlertid tyder andre beviser på, at IR-opfattelse kan forekomme gennem enkelt IR-fotonabsorption. Undersøgelser, der bruger IR til at teste funktionaliteten af ​​implanteret synsprotese, har bemærket en større respons på IR i det ikke-implanterede øje sammenlignet med det implanterede øje på både VEP-test og ERG. På ERG blev der fundet en specialiseret respons specifik for IR kaldet scotopic threshold response (STR). Denne reaktion opstår under mørketilpassede forhold og korrelerer med en reaktion ved gangliecellelaget. Direkte IR-aktivering af TRP-kanaler på ganglieceller kunne initiere en visuel reaktion. Baseret på disse resultater antager forskerne, at den menneskelige reaktion på IR under mørk tilpasning forekommer på niveau med gangliecellerne gennem varmeaktiverede TRP-kanaler.

FORSKNINGSDESIGN MÅL1: At bestemme den optimale IR-bølgelængde for menneskelig visuel perception, mens den er tilpasset til mørke.

Introduktion til mål 1: Formålet med dette mål er at bestemme den optimale bølgelængde af IR, som det menneskelige øje er følsomt overfor. For at opnå dette mål vil efterforskerne teste arbejdshypotesen om, at det sunde menneskelige øje og dem med farveblindhed vil detektere en række IR-bølgelængder med en præference for en specifik bølgelængde. Forskerne vil teste arbejdshypotesen ved hjælp af en bredspektret lyskilde med bølgelængdespecifikke båndpasfiltre i IR-området. Efterforskernes begrundelse for dette mål er, at forståelsen af ​​den optimale IR-bølgelængde af det menneskelige øje vil hjælpe i fremtidige undersøgelser, når de tester den visuelle respons på IR ved hjælp af diagnostisk udstyr. Dette er vigtigt, fordi det kan påvirke den måde, andre oftalmologiske modaliteter bruger IR til at diagnosticere og behandle visuelle patologier.

Forskningsdesign til mål 1: I alt raske 25 deltagere (15 med normalt syn og 10 med farveblindhed) på 18 år og ældre vil blive rekrutteret ved hjælp af University of New Mexico (UNM) Clinical and Translational Science Center (CTSC) Clinical Research Volunteer Registry HRRC-06412. Informeret samtykke, deltagerdemografi, tidligere medial og visuel historie og en generel øjenundersøgelse vil blive opnået ved hjælp af CTSC-forskningskoordinatoren. Hver deltager vil blive placeret i et mørkt rum i en time for at give mulighed for optimal mørketilpasning af øjet. Efterforskerne vil bruge en bredspektret lyskilde med bølgelængdespecifikke båndpasfiltre med forskellige IR-bølgelængder. Der vil blive brugt i alt 12 filtre fra 850 nm til 1400 nm. Intensitetskurver vil blive bygget for hver bølgelængde ved at skrue op for strømmen langsomt, indtil deltageren angiver en visuel reaktion på stimulus.

Dataanalyse for mål 1: Data vil blive analyseret af efterforskerne. Beskrivende statistik vil blive brugt til at evaluere demografi, generelle og visuelle sundhedsoplysninger og rapporterede optimale bølgelængder. Efterforskernes analyse vil sammenligne forskelle mellem svarene for hver bølgelængde. Så vidt efterforskerne ved, har der ikke været nogen undersøgelser, der vurderer, hvilken IR-bølgelængde der er optimal for menneskelig visuel perception, derfor antager efterforskerne en lav effektstørrelse på 10 %, hvilket ville give en 82 % chance for, at mindst to ud af 30 raske deltagere giver en foretrukket respons på en specifik bølgelængde. Efterforskerne vil beskrive de estimerede effektstørrelser som svar på resultaterne.

Forventede resultater for mål 1: Efterforskerne forventer, at det menneskelige øje opfatter en række IR-bølgelængder, men har en specifik bølgelængde, der er optimal med hensyn til lysstyrke.

Potentielle problemer og alternative strategier for mål 1: For at forhindre stikprøveudvælgelse planlægger efterforskerne at få en repræsentativ prøve fra New Mexico; dog kan deltagerne være yngre og mere uddannede end befolkningen generelt. Forvirrende skævhed af lysforurening kan forekomme, hvilket ville forhindre mørketilpasning og mindske IR-følsomheden. Et fotometer vil vurdere rummet for baggrundsfotoner.

MÅL 2: At teste den elektrofysiologiske respons på IR hos raske mennesker efter mørketilpasning.

Introduktion til mål 2: Formålet med dette mål er at bestemme stedet for IR-transduktion i den visuelle vej. For at opnå dette mål vil efterforskerne teste arbejdshypotesen om, at IR fremkalder en amplitudeændring i menneskelige forsøgspersoner på ERG- og VEP-tests efter mørketilpasning. Forskerne vil teste arbejdshypotesen med et klinisk forsøg, hvor den elektrofysiologiske visuelle respons på basislinjen af ​​synligt lys sammenlignes med IR. Efterforskernes begrundelse for dette mål er, at den foreslåede forskning vil bidrage til en vigtig forståelse af en alternativ synsmekanisme. Det er vigtigt at undersøge denne vej for yderligere at forstå generel visuel sundhed og for at demonstrere, hvordan IR direkte fremkalder en visuel reaktion. En sådan opdagelse ville være vigtig, fordi den ville udvide det visuelt reagerende lysspektrum til at omfatte IR.

Forskningsdesign for mål 2: I alt 6 raske deltagere på 18 år og ældre vil blive rekrutteret efter de samme kriterier som i mål 1. Efterforskerne vil indsamle den samme dokumentation og helbredsoplysninger som i mål 1. Deltagerne vil blive testet i UNM Eye Clinic ved hjælp af VEP og ERG ved både baseline og under mørke tilpassede IR-forhold. Begge tests er ikke-invasive og anses for sikre. International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV) retningslinjer for kliniske VEP'er og fuldfelts ERG'er vil blive fulgt. Disse protokoller vil blive udvidet til at teste IR-stimulus efter mørketilpasning. Samlet tid for deltagere vil være 5 timer, og hver deltager kun én gang.

Dataanalyse for mål 2: Data vil blive analyseret af efterforskerne. Beskrivende statistik vil beskrive demografi og generelle og visuelle sundhedsoplysninger. I henhold til ISCEV-protokollen vil efterforskerne ikke antage en normal fordeling, når de eksperimenterer uden for de normale laboratorieområder. Rapporter vil specificere stimulus og registreringsparametre. Efterforskernes primære analyse vil teste den underliggende sandsynlighed for et svar på stimulus ved hjælp af binomiale fordelinger (HO = 0, HI > 0). Ved hjælp af eksakte tests vil efterforskernes sekundære analyse sammenligne forskelle mellem mørketilpasningstidsintervaller på 0, 15, 30, 45, 60 minutter for hver stimulustype, og den tertiære analyse vil sammenligne forskelle mellem baseline og IR-stimulus ved hvert tidsinterval. Efterforskernes pilotdata og dyremodeller har vist en konsekvent visuel respons på IR. Men efter forskernes viden har der ikke været nogen elektrofysiologiske undersøgelser af en IR-stimulus hos mennesker. Efterforskerne vil således antage en lav effektstørrelse. På grund af omkostningerne til den diagnostiske test er vi dog begrænset til 5 deltagere. Efterforskerne vil beskrive de estimerede effektstørrelser som svar på fundene.

Forventede resultater for mål 2: Efterforskerne forventer et IR-respons i ERG og VEP hos mørketilpassede mennesker.

Potentielle problemer og alternative strategier for mål 2: Mål 2 deler de samme potentielle problemer som mål 1, og efterforskerne vil behandle disse på en identisk måde. Derudover kan kalibreringsbias forekomme med ERG og VEP. Efterforskerne vil følge ISCEV-protokollerne for begge disse tests. IR-forsøg kan kræve et gennemsnit af yderligere stimulusgentagelser for at forbedre signal-til-støj-forholdet mellem ERG- og VEP-signaler. For at undgå skævhed i fortolkningen af ​​resultaterne, vil efterforskerne bruge intra- og indbyrdes pålidelighedssammenligninger.

MÅL 3: At teste den elektrofysiologiske respons på IR hos mennesker med nethindesygdomme eller skader efter mørketilpasning.

Introduktion til mål 3: Formålet med dette mål er at bestemme, hvilket retinalt cellelag, der reagerer på IR og arten af ​​TRP-kanalinvolvering. For at opnå dette mål vil efterforskerne teste arbejdshypotesen om, at IR ikke vil fremkalde en amplitudeændring i visse nethindesygdomme. Efterforskerne vil teste arbejdshypotesen med et klinisk forsøg ved at teste den visuelle respons på IR i visse nethindesygdomme ved hjælp af ERG og VEP. Efterforskernes begrundelse for dette mål er, at den foreslåede forskning vil undersøge, om visse nethindesygdomme er visuelt følsomme over for IR. Dette er vigtigt at undersøge, fordi det kunne tillade en anden tilgang til visuel forskning i visse nethindesygdomme. Et sådant fund ville være vigtigt, fordi det kunne danne grundlag for en ny form for synsprotese.

Forskningsdesign til mål 3: I alt femogtyve deltagere, eller fem per nethindesygdom, vil blive rekrutteret ved hjælp af CTSC Clinical Research Volunteer Registry HRRC-06412. Nethindesygdomme omfatter retinitis pigmentosa, aldersrelateret makuladegeneration, medfødt stationær natteblindhed, grå stær. Fem deltagere med farveblindhed vil også være med. Samme protokol vil blive fulgt som i mål 2 for demografisk indsamling og ERG- og VEP-test under baseline og mørke-tilpassede forhold.

Dataanalyse for mål 3: Udover at bruge samme type dataanalyse som i mål 2, vil resultater også blive sammenlignet mellem nethindesygdomme og med raske deltagere.

Forventede resultater for mål 3: Forskerne forventer, at en IR ikke vil fremkalde en reaktion på ERG og VEP i visse nethindesygdomme efter mørketilpasning.

Potentielle problemer og alternative strategier for mål 3: Samme som i mål 2.