Actividad visual evocada por infrarrojos en humanos después de la adaptación a la oscuridad

ANTECEDENTES: La discapacidad visual afecta a 285 millones de personas en todo el mundo. Se espera que la prevalencia de discapacidad visual en los EE. UU. aumente de 3,3 millones en 2000 a 5,5 millones en 2020. Esto exacerbará la carga económica actual de la pérdida de la visión, que ya asciende a $38,200 millones por año en costos directos e indirectos. La principal causa de ceguera en los países de altos ingresos se debe a la degeneración macular relacionada con la edad (AMD), una enfermedad que conduce a la pérdida gradual de la capa de células fotorreceptoras. Se estima que 1,75 millones de personas tienen AMD en los EE. UU. y otros 7,3 millones están en riesgo. Es importante destacar que, a pesar de la pérdida de células fotorreceptoras en la AMD, las otras capas celulares de la retina permanecen prácticamente intactas.

La retina recubre la parte posterior del ojo y está compuesta de capas estructurales. La capa nuclear externa contiene fotorreceptores llamados bastones y conos. La capa nuclear interna incluye células bipolares, horizontales y amacrinas. Más anteriormente, la capa de células ganglionares tiene axones que salen del ojo como nervio óptico. La formación de imágenes visuales comienza cuando un fotón de luz entra en el ojo, atraviesa todas las capas de la retina y es absorbido por las células fotorreceptoras. Estas células transducen el fotón de luz en una señal electroquímica, que se comunica a las células bipolares, seguidas de las células ganglionares. Aquí, se genera un potencial de acción y se propaga a través del nervio óptico al área del cerebro donde se produce la percepción de la visión. Cuando el ojo está adaptado a la oscuridad, las células de esta vía son potencialmente más sensibles a otros tipos de estímulos, como los IR. Los investigadores creen que los canales de cationes llamados canales TRP en las células ganglionares son activados por IR en este estado adaptado a la oscuridad, creando la respuesta visual a IR. El calor es un activador conocido de ciertos subtipos de estos canales en otras partes del cuerpo. Los canales TRP también son responsables de la visión IR en víboras y murciélagos vampiros.

Palczewska et al. informó que la percepción visual a IR se produjo a través de un proceso de isomerización directa de dos fotones de pigmentos visuales. Sin embargo, otra evidencia sugiere que la percepción IR puede ocurrir a través de la absorción de un solo fotón IR. Los estudios que utilizan IR para probar la funcionalidad de la prótesis visual implantada han observado una mayor respuesta a la IR en el ojo no implantado en comparación con el ojo implantado tanto en las pruebas VEP como en ERG. En ERG, se encontró una respuesta especializada específica para IR llamada respuesta de umbral escotópico (STR). Esta respuesta se produce en condiciones adaptadas a la oscuridad y se correlaciona con una respuesta en la capa de células ganglionares. La activación IR directa de los canales TRP en las células ganglionares podría iniciar una respuesta visual. Sobre la base de estos hallazgos, los investigadores plantean la hipótesis de que la respuesta humana a la IR bajo la adaptación a la oscuridad se produce a nivel de las células ganglionares a través de los canales TRP activados por calor.

DISEÑO DE INVESTIGACIÓN OBJETIVO 1: Determinar la longitud de onda infrarroja óptima para la percepción visual humana mientras está adaptado a la oscuridad.

Introducción para el Objetivo 1: El objetivo de este objetivo es determinar la longitud de onda óptima de IR a la que es sensible el ojo humano. Para lograr este objetivo, los investigadores probarán la hipótesis de trabajo de que el ojo humano sano y aquellos con daltonismo detectarán un rango de longitudes de onda IR, con preferencia por una longitud de onda específica. Los investigadores probarán la hipótesis de trabajo utilizando una fuente de luz de amplio espectro con filtros de paso de banda específicos de longitud de onda en el rango IR. La justificación de los investigadores para este objetivo es que comprender la longitud de onda IR óptima del ojo humano ayudará en futuras investigaciones cuando se pruebe la respuesta visual a IR utilizando equipos de diagnóstico. Esto es importante porque podría afectar la forma en que otras modalidades oftalmológicas utilizan la IR para diagnosticar y tratar patologías visuales.

Diseño de investigación para el objetivo 1: Un total de 25 participantes sanos (15 con visión normal y 10 con daltonismo) de 18 años o más serán reclutados mediante el Registro de Voluntarios de Investigación Clínica del Centro de Ciencias Clínicas y Traslacionales (CTSC) de la Universidad de Nuevo México (UNM). HRRC-06412. El consentimiento informado, los datos demográficos de los participantes, los antecedentes médicos y visuales anteriores y un examen general de la vista se obtendrán a través del coordinador de investigación de CTSC. Cada participante será colocado en una habitación oscura durante una hora para permitir una adaptación óptima del ojo a la oscuridad. Los investigadores utilizarán una fuente de luz de amplio espectro con filtros de paso de banda específicos de longitud de onda de diferentes longitudes de onda IR. Se utilizará un total de 12 filtros que van desde 850 nm a 1400 nm. Se construirán curvas de intensidad para cada longitud de onda, aumentando lentamente la potencia hasta que el participante indique una respuesta visual al estímulo.

Análisis de datos para el objetivo 1: los investigadores analizarán los datos. Se utilizarán estadísticas descriptivas para evaluar datos demográficos, información general y de salud visual y longitudes de onda óptimas informadas. El análisis de los investigadores comparará las diferencias entre las respuestas para cada longitud de onda. Según el conocimiento de los investigadores, no ha habido estudios que evalúen qué longitud de onda IR es óptima para la percepción visual humana, por lo que los investigadores asumen un tamaño de efecto bajo del 10 %, lo que produciría un 82 % de probabilidad de que al menos dos de 30 participantes sanos den una respuesta preferida a una longitud de onda específica. Los investigadores describirán los tamaños del efecto estimados en respuesta a los hallazgos.

Resultados esperados para el Objetivo 1: Los investigadores esperan que el ojo humano perciba un rango de longitudes de onda IR, pero que tenga una longitud de onda específica óptima en términos de brillo.

Problemas potenciales y estrategias alternativas para el Objetivo 1: Para evitar el sesgo de muestreo, los investigadores planean obtener una muestra representativa de Nuevo México; sin embargo, los participantes pueden ser más jóvenes y más educados que la población general. Puede ocurrir un sesgo confuso de contaminación lumínica, lo que impediría la adaptación a la oscuridad y disminuiría la sensibilidad IR. Un fotómetro evaluará la habitación en busca de fotones de fondo.

OBJETIVO 2: Probar la respuesta electrofisiológica a IR en humanos sanos después de la adaptación a la oscuridad.

Introducción para el Objetivo 2: El objetivo de este objetivo es determinar el sitio de transducción IR en la vía visual. Para lograr este objetivo, los investigadores probarán la hipótesis de trabajo de que IR provoca un cambio de amplitud en sujetos humanos en pruebas de ERG y VEP después de la adaptación a la oscuridad. Los investigadores probarán la hipótesis de trabajo con un ensayo clínico en el que la respuesta visual electrofisiológica a la línea de base de luz visible se compara con IR. La justificación de los investigadores para este objetivo es que la investigación propuesta contribuirá a una comprensión importante de un mecanismo alternativo de visión. Es importante investigar esta vía para comprender mejor la salud visual general y demostrar cómo la IR provoca directamente una respuesta visual. Tal hallazgo sería importante porque expandiría el espectro de luz visualmente sensible para incluir IR.

Diseño de investigación para el Objetivo 2: Se reclutará un total de 6 participantes sanos mayores de 18 años utilizando los mismos criterios que en el Objetivo 1. Los investigadores recopilarán la misma documentación e información de salud que en el Objetivo 1. Los participantes serán evaluados en la Clínica Oftalmológica de UNM utilizando VEP y ERG tanto al inicio como en condiciones IR adaptadas a la oscuridad. Ambas pruebas no son invasivas y se consideran seguras. Se seguirán las pautas de la Sociedad Internacional de Electrofisiología Clínica de la Visión (ISCEV) para VEP clínicos y ERG de campo completo. Estos protocolos se ampliarán para probar el estímulo IR después de la adaptación a la oscuridad. El tiempo total de los participantes será de 5 horas y cada uno participará una sola vez.

Análisis de datos para el objetivo 2: los investigadores analizarán los datos. Las estadísticas descriptivas describirán la demografía y la información de salud general y visual. Según el protocolo ISCEV, cuando se experimenta fuera de los rangos normales de laboratorio, los investigadores no asumirán una distribución normal. Los informes especificarán los parámetros de estímulo y registro. El análisis primario de los investigadores probará la probabilidad subyacente de una respuesta al estímulo usando distribuciones binomiales (HO = 0, HI > 0). Usando pruebas exactas, el análisis secundario de los investigadores comparará las diferencias entre los intervalos de tiempo de adaptación a la oscuridad de 0, 15, 30, 45, 60 minutos para cada tipo de estímulo, y el análisis terciario comparará las diferencias entre la línea base y el estímulo IR en cada intervalo de tiempo. Los datos piloto de los investigadores y los modelos animales han demostrado una respuesta visual consistente a IR. Sin embargo, según el conocimiento de los investigadores, no se han realizado estudios electrofisiológicos de un estímulo IR en humanos. Por lo tanto, los investigadores supondrán un tamaño del efecto bajo. Sin embargo, debido al costo de la prueba de diagnóstico, estamos limitados a 5 participantes. Los investigadores describirán los tamaños del efecto estimados en respuesta al hallazgo.

Resultados esperados para el Objetivo 2: Los investigadores esperan una respuesta IR en ERG y VEP en humanos adaptados a la oscuridad.

Problemas potenciales y estrategias alternativas para el Objetivo 2: El Objetivo 2 comparte los mismos problemas potenciales que el Objetivo 1, y los investigadores los abordarán de manera idéntica. Además, puede ocurrir un sesgo de calibración con el ERG y el VEP. Los investigadores seguirán los protocolos de ISCEV para ambas pruebas. Las pruebas de IR pueden requerir un promedio de repeticiones de estímulo adicionales para mejorar la relación señal-ruido de las señales ERG y VEP. Para evitar sesgos en la interpretación de los resultados, los investigadores utilizarán comparaciones de confiabilidad intra e inter.

OBJETIVO 3: Probar la respuesta electrofisiológica a IR en humanos con enfermedades o lesiones en la retina después de la adaptación a la oscuridad.

Introducción para el Objetivo 3: El objetivo de este objetivo es determinar qué capa de células de la retina está respondiendo a la IR y la naturaleza de la participación del canal TRP. Para lograr este objetivo, los investigadores probarán la hipótesis de trabajo de que la IR no provocará un cambio de amplitud en ciertas enfermedades de la retina. Los investigadores probarán la hipótesis de trabajo con un ensayo clínico probando la respuesta visual a IR en ciertas enfermedades de la retina usando ERG y VEP. La justificación de los investigadores para este objetivo es que la investigación propuesta examinará si ciertas enfermedades de la retina son visualmente sensibles a los IR. Es importante investigar esto porque podría permitir un enfoque diferente de la investigación visual en ciertas enfermedades de la retina. Tal hallazgo sería importante porque podría proporcionar la base para una nueva forma de prótesis visual.

Diseño de investigación para el objetivo 3: Se reclutará un total de veinticinco participantes, o cinco por enfermedad de la retina, utilizando el Registro de voluntarios de investigación clínica de CTSC HRRC-06412. Las enfermedades de la retina incluyen retinitis pigmentosa, degeneración macular relacionada con la edad, ceguera nocturna estacionaria congénita, cataratas. También se incluirán cinco participantes con daltonismo. Se seguirá el mismo protocolo que en el objetivo 2 para la recopilación demográfica y las pruebas de ERG y VEP en condiciones de referencia y adaptadas a la oscuridad.

Análisis de datos para el Objetivo 3: Además de utilizar el mismo tipo de análisis de datos que en el Objetivo 2, los resultados también se compararán entre enfermedades de la retina y participantes sanos.

Resultados esperados para el Objetivo 3: Los investigadores esperan que una IR no provoque una respuesta en ERG y VEP en ciertas enfermedades de la retina después de la adaptación a la oscuridad.

Problemas potenciales y estrategias alternativas para el Objetivo 3: Igual que en el Objetivo 2.