Durch Infrarot hervorgerufene visuelle Aktivität beim Menschen nach der Anpassung an die Dunkelheit

HINTERGRUND: Sehbehinderung betrifft weltweit 285 Millionen Menschen. Die Prävalenz von Sehbehinderungen in den USA wird voraussichtlich von 3,3 Millionen im Jahr 2000 auf 5,5 Millionen im Jahr 2020 steigen. Dies wird die derzeitige wirtschaftliche Belastung durch Sehverlust verschärfen, die sich bereits auf 38,2 Milliarden US-Dollar pro Jahr an direkten und indirekten Kosten beläuft. Die Hauptursache für Blindheit in Ländern mit hohem Einkommen ist die altersbedingte Makuladegeneration (AMD), eine Krankheit, die zu einem allmählichen Verlust der Photorezeptorzellschicht führt. Schätzungsweise 1,75 Millionen Menschen in den USA haben AMD und weitere 7,3 Millionen sind gefährdet. Wichtig ist, dass trotz des Verlustes von Photorezeptorzellen bei AMD die anderen Zellschichten in der Netzhaut weitgehend intakt bleiben.

Die Netzhaut kleidet den Augenhintergrund aus und besteht aus strukturellen Schichten. Die äußere Kernschicht enthält Photorezeptoren, die Stäbchen und Zapfen genannt werden. Die innere Kernschicht umfasst bipolare, horizontale und amakrine Zellen. Ganz vorne hat die Ganglienzellschicht Axone, die als Sehnerv aus dem Auge austreten. Die visuelle Bilderzeugung beginnt, wenn ein Lichtphoton in das Auge eintritt, alle Netzhautschichten passiert und von den Photorezeptorzellen absorbiert wird. Diese Zellen wandeln das Lichtphoton in ein elektrochemisches Signal um, das an die Bipolarzellen und dann an die Ganglienzellen weitergeleitet wird. Hier wird ein Aktionspotential erzeugt und über den Sehnerv in den Bereich des Gehirns weitergeleitet, in dem die Sehwahrnehmung stattfindet. Wenn das Auge an die Dunkelheit angepasst ist, reagieren die Zellen in diesem Signalweg möglicherweise empfindlicher auf andere Arten von Reizen, wie z. B. IR. Die Forscher glauben, dass Kationenkanäle, sogenannte TRP-Kanäle, in Ganglienzellen in diesem dunkeladaptierten Zustand durch IR aktiviert werden, wodurch die visuelle Reaktion auf IR entsteht. Wärme ist ein bekannter Aktivator bestimmter Subtypen dieser Kanäle an anderer Stelle im Körper. TRP-Kanäle sind auch für das IR-Sehen bei Grubenottern und Vampirfledermäusen verantwortlich.

Palczewskaet al. berichteten, dass die visuelle Wahrnehmung im IR durch einen Prozess der direkten Zwei-Photonen-Isomerisierung von visuellen Pigmenten erfolgte. Andere Beweise deuten jedoch darauf hin, dass die IR-Wahrnehmung durch Absorption einzelner IR-Photonen erfolgen kann. Studien, die IR verwenden, um die Funktionalität implantierter Sehprothesen zu testen, haben sowohl bei VEP-Tests als auch bei ERG eine stärkere Reaktion auf IR im nicht implantierten Auge im Vergleich zum implantierten Auge festgestellt. Beim ERG wurde eine spezialisierte IR-spezifische Reaktion gefunden, die als skotopische Schwellenreaktion (STR) bezeichnet wird. Diese Reaktion tritt unter dunkelangepassten Bedingungen auf und korreliert mit einer Reaktion an der Ganglienzellschicht. Eine direkte IR-Aktivierung von TRP-Kanälen auf Ganglienzellen könnte eine visuelle Reaktion auslösen. Basierend auf diesen Ergebnissen stellen die Forscher die Hypothese auf, dass die menschliche Reaktion auf IR unter Dunkeladaptation auf der Ebene der Ganglienzellen durch hitzeaktivierte TRP-Kanäle erfolgt.

FORSCHUNGSDESIGN AIM1: Bestimmung der optimalen IR-Wellenlänge für die menschliche visuelle Wahrnehmung bei Dunkelanpassung.

Einleitung zu Ziel 1: Ziel dieses Ziels ist es, die optimale IR-Wellenlänge zu bestimmen, für die das menschliche Auge empfindlich ist. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Forscher die Arbeitshypothese testen, dass das gesunde menschliche Auge und diejenigen mit Farbenblindheit einen Bereich von IR-Wellenlängen erkennen, wobei eine bestimmte Wellenlänge bevorzugt wird. Die Arbeitshypothese testen die Forscher mit einer Breitspektrum-Lichtquelle mit wellenlängenspezifischen Bandpassfiltern im IR-Bereich. Die Begründung der Forscher für dieses Ziel ist, dass das Verständnis der optimalen IR-Wellenlänge des menschlichen Auges bei zukünftigen Untersuchungen helfen wird, wenn die visuelle Reaktion auf IR mit diagnostischen Geräten getestet wird. Dies ist wichtig, da es die Art und Weise beeinflussen könnte, wie andere ophthalmologische Modalitäten IR zur Diagnose und Behandlung visueller Pathologien verwenden.

Forschungsdesign für Ziel 1: Insgesamt 25 gesunde Teilnehmer (15 mit normalem Sehvermögen und 10 mit Farbenblindheit) im Alter von 18 Jahren und älter werden mithilfe des Clinical Research Volunteer Registry des Clinical and Translational Science Center (CTSC) der University of New Mexico (UNM) rekrutiert HRRC-06412. Die Einverständniserklärung, die demografischen Daten der Teilnehmer, die mediale und visuelle Vorgeschichte und eine allgemeine Augenuntersuchung werden vom CTSC-Forschungskoordinator eingeholt. Jeder Teilnehmer wird für eine Stunde in einen dunklen Raum gebracht, um eine optimale Dunkeladaption des Auges zu ermöglichen. Die Forscher werden eine Breitspektrum-Lichtquelle mit wellenlängenspezifischen Bandpassfiltern unterschiedlicher IR-Wellenlängen verwenden. Insgesamt werden 12 Filter im Bereich von 850 nm bis 1400 nm verwendet. Intensitätskurven werden für jede Wellenlänge erstellt, indem die Leistung verlangsamt wird, bis der Teilnehmer eine visuelle Reaktion auf den Stimulus anzeigt.

Datenanalyse für Ziel 1: Die Daten werden von den Ermittlern analysiert. Beschreibende Statistiken werden verwendet, um demografische Daten, allgemeine und visuelle Gesundheitsinformationen und gemeldete optimale Wellenlängen auszuwerten. Die Untersuchungsanalyse vergleicht die Unterschiede zwischen den Antworten für jede Wellenlänge. Nach Kenntnis der Forscher gab es keine Studien, in denen untersucht wurde, welche IR-Wellenlänge für die menschliche visuelle Wahrnehmung optimal ist, daher gehen die Forscher von einer geringen Effektgröße von 10 % aus, was zu einer Wahrscheinlichkeit von 82 % führen würde, dass mindestens zwei von 30 gesunden Teilnehmern a geben bevorzugte Reaktion auf eine bestimmte Wellenlänge. Die Ermittler werden die geschätzten Effektstärken als Reaktion auf die Ergebnisse beschreiben.

Erwartete Ergebnisse für Ziel 1: Die Forscher erwarten, dass das menschliche Auge einen Bereich von IR-Wellenlängen wahrnimmt, aber eine bestimmte Wellenlänge hat, die in Bezug auf die Helligkeit optimal ist.

Mögliche Probleme und alternative Strategien für Ziel 1: Um Verzerrungen bei der Stichprobenziehung zu vermeiden, planen die Forscher, eine repräsentative Probe aus New Mexico zu erhalten; Die Teilnehmer können jedoch jünger und gebildeter sein als die allgemeine Bevölkerung. Es kann zu einer verwirrenden Verzerrung durch Lichtverschmutzung kommen, die eine Dunkeladaption verhindern und die IR-Empfindlichkeit verringern würde. Ein Photometer untersucht den Raum auf Hintergrundphotonen.

ZIEL 2: Testen der elektrophysiologischen Reaktion auf IR bei gesunden Menschen nach Dunkeladaptation.

Einführung für Ziel 2: Das Ziel dieses Ziels ist es, den Ort der IR-Transduktion im Sehweg zu bestimmen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Forscher die Arbeitshypothese testen, dass IR bei ERG- und VEP-Tests nach Dunkeladaptation eine Amplitudenänderung bei menschlichen Probanden hervorruft. Die Forscher werden die Arbeitshypothese mit einer klinischen Studie testen, in der die elektrophysiologische visuelle Reaktion auf die Basislinie von sichtbarem Licht mit IR verglichen wird. Die Begründung der Forscher für dieses Ziel ist, dass die vorgeschlagene Forschung zu einem wichtigen Verständnis eines alternativen Sehmechanismus beitragen wird. Es ist wichtig, diesen Weg zu untersuchen, um die allgemeine visuelle Gesundheit besser zu verstehen und zu zeigen, wie IR direkt eine visuelle Reaktion hervorruft. Ein solches Ergebnis wäre wichtig, da es das visuell ansprechende Lichtspektrum erweitern würde, um IR einzuschließen.

Forschungsdesign für Ziel 2: Insgesamt 6 gesunde Teilnehmer ab 18 Jahren werden nach denselben Kriterien wie in Ziel 1 rekrutiert. Die Ermittler sammeln die gleichen Unterlagen und Gesundheitsinformationen wie in Ziel 1. Die Teilnehmer werden in der UNM-Augenklinik unter Verwendung von VEP und ERG sowohl zu Studienbeginn als auch unter dunkelangepassten IR-Bedingungen getestet. Beide Tests sind nicht-invasiv und gelten als sicher. Die Richtlinien der International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV) für klinische VEPs und Vollfeld-ERGs werden befolgt. Diese Protokolle werden erweitert, um den IR-Stimulus nach Dunkeladaption zu testen. Die Gesamtzeit für die Teilnehmer beträgt 5 Stunden und jeder nimmt nur einmal teil.

Datenanalyse für Ziel 2: Die Daten werden von den Ermittlern analysiert. Beschreibende Statistiken beschreiben demografische Daten sowie allgemeine und visuelle Gesundheitsinformationen. Gemäß dem ISCEV-Protokoll gehen die Forscher bei Experimenten außerhalb der normalen Laborbereiche nicht von einer Normalverteilung aus. Berichte geben Stimulus- und Aufzeichnungsparameter an. Die Primäranalyse des Ermittlers testet die zugrunde liegende Wahrscheinlichkeit einer Reaktion auf den Stimulus unter Verwendung von Binomialverteilungen (HO = 0, HI > 0). Unter Verwendung exakter Tests vergleicht die Sekundäranalyse der Ermittler die Unterschiede zwischen den Dunkeladaptationszeitintervallen von 0, 15, 30, 45, 60 Minuten für jeden Stimulustyp, und die Tertiäranalyse vergleicht die Unterschiede zwischen der Grundlinie und dem IR-Stimulus in jedem Zeitintervall. Die Pilotdaten und Tiermodelle der Ermittler haben eine konsistente visuelle Reaktion auf IR gezeigt. Nach Kenntnis der Forscher gab es jedoch keine elektrophysiologischen Studien zu einem IR-Stimulus beim Menschen. Daher gehen die Ermittler von einer geringen Effektgröße aus. Aufgrund der Kosten für den diagnostischen Test sind wir jedoch auf 5 Teilnehmer begrenzt. Die Ermittler werden die geschätzten Effektstärken als Reaktion auf den Befund beschreiben.

Erwartete Ergebnisse für Ziel 2: Die Forscher erwarten eine IR-Reaktion in ERG und VEP bei dunkeladaptierten Menschen.

Mögliche Probleme und alternative Strategien für Ziel 2: Ziel 2 weist die gleichen potenziellen Probleme auf wie Ziel 1, und die Ermittler werden diese auf die gleiche Weise angehen. Außerdem kann es bei ERG und VEP zu Kalibrierungsverzerrungen kommen. Die Ermittler werden die ISCEV-Protokolle für diese beiden Tests befolgen. IR-Versuche können die Mittelung zusätzlicher Stimuluswiederholungen erfordern, um das Signal-Rausch-Verhältnis von ERG- und VEP-Signalen zu verbessern. Um Verzerrungen bei der Interpretation der Ergebnisse zu vermeiden, verwenden die Prüfärzte Intra- und Inter-Zuverlässigkeitsvergleiche.

AIM 3: Testen der elektrophysiologischen Reaktion auf IR bei Menschen mit Netzhauterkrankungen oder -verletzungen nach Dunkeladaption.

Einführung für Ziel 3: Das Ziel dieses Ziels besteht darin, zu bestimmen, welche retinale Zellschicht auf IR anspricht, und die Art der Beteiligung des TRP-Kanals. Um dieses Ziel zu erreichen, testen die Forscher die Arbeitshypothese, dass IR bei bestimmten Netzhauterkrankungen keine Amplitudenänderung hervorruft. Die Forscher werden die Arbeitshypothese mit einer klinischen Studie testen, indem sie die visuelle Reaktion auf IR bei bestimmten Netzhauterkrankungen mit ERG und VEP testen. Die Begründung der Forscher für dieses Ziel ist, dass die vorgeschlagene Forschung untersuchen wird, ob bestimmte Netzhauterkrankungen visuell empfindlich auf IR reagieren. Es ist wichtig, dies zu untersuchen, da dies einen anderen Ansatz für die visuelle Forschung bei bestimmten Netzhauterkrankungen ermöglichen könnte. Eine solche Erkenntnis wäre wichtig, da sie die Grundlage für eine neuartige Form von Sehprothesen liefern könnte.

Forschungsdesign für Ziel 3: Insgesamt fünfundzwanzig Teilnehmer, oder fünf pro Netzhauterkrankung, werden unter Verwendung des CTSC Clinical Research Volunteer Registry HRRC-06412 rekrutiert. Netzhauterkrankungen umfassen Retinitis pigmentosa, altersbedingte Makuladegeneration, angeborene stationäre Nachtblindheit, Katarakte. Fünf Teilnehmer mit Farbenblindheit werden ebenfalls aufgenommen. Es wird dasselbe Protokoll wie in Ziel 2 für die demografische Erfassung und ERG- und VEP-Tests unter Grundlinien- und dunkeladaptierten Bedingungen befolgt.

Datenanalyse für Ziel 3: Zusätzlich zur Verwendung der gleichen Art von Datenanalyse wie in Ziel 2 werden die Ergebnisse auch zwischen Netzhauterkrankungen und gesunden Teilnehmern verglichen.

Erwartete Ergebnisse für Ziel 3: Die Forscher erwarten, dass ein IR bei bestimmten Netzhauterkrankungen nach Dunkelanpassung keine Reaktion auf ERG und VEP hervorrufen wird.

Mögliche Probleme und alternative Strategien für Ziel 3: Wie in Ziel 2.