Visuaalinen aktiivisuus, jonka infrapuna herättää ihmisissä pimeyden mukautumisen jälkeen

TAUSTAA: Näkövamma vaikuttaa 285 miljoonaan ihmiseen maailmanlaajuisesti. Näkövammaisuuden yleisyyden odotetaan nousevan Yhdysvalloissa vuoden 2000 3,3 miljoonasta 5,5 miljoonaan vuonna 2020. Tämä pahentaa näönmenetyksen nykyistä taloudellista taakkaa, joka on jo 38,2 miljardia dollaria vuodessa suorina ja välillisinä kustannuksina. Yleisin sokeuden syy korkean tulotason maissa johtuu ikään liittyvästä silmänpohjan rappeutumisesta (AMD), sairaudesta, joka johtaa valoreseptorisolukerroksen asteittaiseen häviämiseen. Arviolta 1,75 miljoonalla ihmisellä on AMD Yhdysvalloissa ja 7,3 miljoonaa on vaarassa. Tärkeää on, että huolimatta fotoreseptorisolujen häviämisestä AMD:ssä, muut verkkokalvon solukerrokset pysyvät suurelta osin koskemattomina.

Verkkokalvo linjaa silmän takaosaa ja koostuu rakenteellisista kerroksista. Ulompi ydinkerros sisältää fotoreseptoreita, joita kutsutaan sauvoiksi ja kartioiksi. Sisempi tumakerros sisältää bipolaarisia, vaakasuuntaisia ​​ja amakriinisoluja. Useimmiten etupuolella gangliosolukerroksessa on aksoneja, jotka poistuvat silmästä näköhermona. Visuaalisen kuvan muodostuminen alkaa, kun valon fotoni tulee silmään, kulkee kaikkien verkkokalvon kerrosten läpi ja absorboi sen fotoreseptorisoluihin. Nämä solut muuntavat valon fotonin sähkökemialliseksi signaaliksi, joka välitetään bipolaarisille soluille, joita seuraavat gangliosolut. Tässä toimintapotentiaali syntyy ja leviää näköhermon kautta aivojen alueelle, jossa näön havaitseminen tapahtuu. Kun silmä on sopeutunut pimeään, tämän reitin solut ovat mahdollisesti herkempiä muun tyyppisille ärsykkeille, kuten IR:lle. Tutkijat uskovat, että gangliosoluissa olevat kationikanavat, joita kutsutaan TRP-kanaviksi, aktivoituvat IR:llä tässä pimeässä mukautuneessa tilassa, mikä luo visuaalisen vasteen IR:lle. Lämpö on tunnettu aktivaattori tietyille alatyypeille, jotka ohjaavat näitä kanavia muualla kehossa. TRP-kanavat vastaavat myös kyykäärmeiden ja vampyyrilepakoiden infrapunanäöstä.

Palczewska et ai. raportoi, että visuaalinen havainto IR:lle tapahtui visuaalisten pigmenttien suoran kahden fotonin isomeroinnin kautta. Muut todisteet viittaavat kuitenkin siihen, että IR-havainto voi tapahtua yksittäisen IR-fotonin absorption kautta. Tutkimukset, joissa käytetään IR:tä implantoidun näköproteesin toimivuuden testaamiseen, ovat havainneet suuremman vasteen IR:lle ei-implantoidussa silmässä verrattuna implantoituun silmään sekä VEP-testeissä että ERG:ssä. ERG:ssä havaittiin IR:lle spesifinen vaste, jota kutsutaan scotopic threshold vasteeksi (STR). Tämä vaste tapahtuu pimeään mukautuneissa olosuhteissa ja korreloi gangliosolukerroksen vasteen kanssa. TRP-kanavien suora IR-aktivointi gangliosoluissa voi käynnistää visuaalisen vasteen. Näiden löydösten perusteella tutkijat olettavat, että ihmisen vaste IR:lle pimeässä sopeutumisessa tapahtuu gangliosolujen tasolla lämpöaktivoitujen TRP-kanavien kautta.

TUTKIMUKSEN SUUNNITTELUN TAVOITE1: Määrittää optimaalinen IR-aallonpituus ihmisen visuaalisen havainnon kannalta pimeään sopeutuneena.

Tavoitteen 1 johdanto: Tämän tavoitteen tavoitteena on määrittää IR:n optimaalinen aallonpituus, jolle ihmissilmä on herkkä. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi tutkijat testaavat työhypoteesia, jonka mukaan terve ihmisen silmä ja värisokeudesta kärsivät havaitsevat joukon IR-aallonpituuksia suosien tiettyä aallonpituutta. Tutkijat testaavat työhypoteesia laajaspektrisellä valonlähteellä, jossa on aallonpituusspesifiset kaistanpäästösuodattimet IR-alueella. Tutkijoiden perusteluna tälle tavoitteelle on, että ihmissilmän optimaalisen IR-aallonpituuden ymmärtäminen auttaa tulevissa tutkimuksissa testattaessa visuaalista vastetta IR:lle diagnostisten laitteiden avulla. Tämä on tärkeää, koska se voi vaikuttaa tapaan, jolla muut oftalmologiset menetelmät käyttävät IR:tä diagnosoimaan ja hoitamaan näköpatologioita.

Tutkimussuunnitelma tavoitteelle 1: Yhteensä 25 tervettä osallistujaa (15 normaalinäköistä ja 10 värisokeutta) vähintään 18-vuotiaita rekrytoidaan New Mexicon yliopiston (UNM) kliinisen ja translaatiotieteen keskuksen (CTSC) kliinisen tutkimuksen vapaaehtoisrekisterin avulla. HRRC-06412. Tietoinen suostumus, osallistujien demografiset tiedot, aiempi mediali- ja visuaalinen historia sekä yleinen näöntarkastus hankitaan CTSC-tutkimuskoordinaattorin avulla. Jokainen osallistuja sijoitetaan pimeään huoneeseen tunniksi, jotta silmä sopeutuu optimaalisesti pimeään. Tutkijat käyttävät laaja-alaista valonlähdettä eri IR-aallonpituuksilla aallonpituuskohtaisilla kaistanpäästösuodattimilla. Yhteensä 12 suodatinta käytetään 850 nm - 1400 nm välillä. Intensiteettikäyrät muodostetaan kullekin aallonpituudelle hidastamalla tehon nostamista, kunnes osallistuja ilmaisee visuaalisen vasteen ärsykkeelle.

Tietojen analyysi tavoitteelle 1: Tutkijat analysoivat tiedot. Kuvaavia tilastoja käytetään demografisten tietojen, yleisten ja visuaalisten terveystietojen sekä raportoitujen optimaalisten aallonpituuksien arvioimiseen. Tutkijoiden analyysi vertailee vasteiden välisiä eroja kullakin aallonpituudella. Tutkijoiden tietämyksen mukaan ei ole tehty tutkimuksia, joissa olisi arvioitu, mikä IR-aallonpituus on optimaalinen ihmisen visuaalisen havainnoinnin kannalta, joten tutkijat olettavat alhaisen 10 %:n vaikutuskoon, mikä antaisi 82 ​​%:n todennäköisyyden, että ainakin kaksi 30 terveestä osallistujasta antaisi ensisijainen vaste tietylle aallonpituudelle. Tutkijat kuvaavat arvioidut vaikutusten koot vastauksena havaintoihin.

Tavoitteen 1 odotetut tulokset: Tutkijat odottavat, että ihmissilmä havaitsee joukon IR-aallonpituuksia, mutta sillä on tietty aallonpituus, joka on optimaalinen kirkkauden kannalta.

Mahdolliset ongelmat ja vaihtoehtoiset strategiat tavoitteelle 1: Näytteenoton vääristymisen estämiseksi tutkijat suunnittelevat saavansa edustavan näytteen New Mexicosta; osallistujat voivat kuitenkin olla nuorempia ja koulutetumpia kuin koko väestö. Valosaastetta saattaa esiintyä hämmentävästi, mikä estäisi sopeutumista pimeyteen ja pienentäisi IR-herkkyyttä. Fotometri arvioi huoneen taustafotonien varalta.

TAVOITE 2: Testaa elektrofysiologista vastetta IR:lle terveillä ihmisillä pimeään sopeutumisen jälkeen.

Johdatus tavoitteelle 2: Tämän tavoitteen tavoitteena on määrittää IR-transduktion paikka näköreitillä. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi tutkijat testaavat työhypoteesia, jonka mukaan IR saa aikaan amplitudin muutoksen ihmisissä ERG- ja VEP-testeissä pimeään mukautumisen jälkeen. Tutkijat testaavat työhypoteesia kliinisellä tutkimuksella, jossa sähköfysiologista visuaalista vastetta näkyvän valon perusviivaan verrataan IR:hen. Tutkijoiden perusteluna tälle tavoitteelle on, että ehdotettu tutkimus edistää tärkeätä ymmärrystä vaihtoehtoisesta näkömekanismista. On tärkeää tutkia tätä reittiä yleisen näköterveyden ymmärtämiseksi paremmin ja sen osoittamiseksi, kuinka IR saa suoraan aikaan visuaalisen vasteen. Tällainen löytö olisi tärkeä, koska se laajentaisi visuaalisesti herkän valon spektrin sisältämään IR:n.

Tutkimussuunnitelma tavoitteelle 2: Yhteensä 6 tervettä vähintään 18-vuotiasta osallistujaa rekrytoidaan samoilla kriteereillä kuin tavoitteessa 1. Tutkijat keräävät samat asiakirjat ja terveystiedot kuin tavoitteessa 1. Osallistujat testataan UNM Eye Clinicissä käyttäen VEP:tä ja ERG:tä sekä lähtötilanteessa että pimeässä mukautetuissa IR-olosuhteissa. Molemmat testit ovat ei-invasiivisia ja niitä pidetään turvallisina. Kansainvälisen näön kliinisen sähköfysiologian seuran (ISCEV) ohjeita kliinisille VEP:ille ja täyden kentän ERG:ille noudatetaan. Näitä protokollia laajennetaan testaamaan IR-ärsyke pimeään mukautumisen jälkeen. Osallistujien kokonaisaika on 5 tuntia ja jokainen osallistuu vain kerran.

Tietojen analyysi tavoitteelle 2: Tutkijat analysoivat tiedot. Kuvaavat tilastot kuvaavat väestötietoja sekä yleisiä ja visuaalisia terveystietoja. ISCEV-protokollan mukaan tutkijat eivät oleta normaalijakaumaa tehdessään kokeita normaalien laboratoriorajojen ulkopuolella. Raportit määrittelevät ärsyke- ja tallennusparametrit. Tutkijoiden ensisijainen analyysi testaa taustalla olevan vasteen todennäköisyyttä ärsykkeelle käyttämällä binomiaalijakaumia (HO = 0, HI > 0). Käyttämällä tarkkoja testejä tutkijan toissijainen analyysi vertailee eroja 0, 15, 30, 45, 60 minuutin pimeään sopeutumisaikavälien välillä jokaiselle ärsyketyypille, ja tertiäärisessä analyysissä verrataan eroja lähtötilanteen ja IR-ärsykkeen välillä kullakin aikavälillä. Tutkijoiden pilottitiedot ja eläinmallit ovat osoittaneet johdonmukaisen visuaalisen vasteen IR:hen. Tutkijoiden tietämyksen mukaan IR-ärsykkeelle ei ole kuitenkaan tehty sähköfysiologisia tutkimuksia ihmisillä. Näin ollen tutkijat olettavat pienen vaikutuksen koon. Diagnostisen testin hinnasta johtuen osallistujamäärä on kuitenkin rajoitettu viiteen. Tutkijat kuvaavat arvioidut vaikutuskoot vastauksena havaintoon.

Tavoitteen 2 odotetut tulokset: Tutkijat odottavat IR-vastetta ERG:ssä ja VEP:ssä pimeään sopeutuneilla ihmisillä.

Mahdolliset ongelmat ja vaihtoehtoiset strategiat tavoitteelle 2: Tavoitteella 2 on samat mahdolliset ongelmat kuin tavoitteella 1, ja tutkijat käsittelevät niitä samalla tavalla. Lisäksi ERG:ssä ja VEP:ssä saattaa esiintyä kalibrointivirheitä. Tutkijat noudattavat ISCEV-protokollia molemmissa testeissä. IR-kokeet saattavat vaatia ylimääräisten ärsykkeiden toistojen keskiarvon laskemista ERG- ja VEP-signaalien signaali-kohinasuhteen parantamiseksi. Välttääkseen harhaa tulosten tulkinnassa tutkijat käyttävät sisäisiä ja keskinäisiä luotettavuusvertailuja.

TAVOITE 3: Testaa sähköfysiologista vastetta IR:lle ihmisillä, joilla on verkkokalvon sairauksia tai vammoja pimeään sopeutumisen jälkeen.

Johdatus tavoitteelle 3: Tämän tavoitteen tavoitteena on määrittää mikä verkkokalvon solukerros reagoi IR:hen ja TRP-kanavan osallistumisen luonne. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi tutkijat testaavat työhypoteesia, jonka mukaan IR ei aiheuta amplitudin muutosta tietyissä verkkokalvon sairauksissa. Tutkijat testaavat työhypoteesia kliinisellä tutkimuksella testaamalla visuaalista vastetta IR:lle tietyissä verkkokalvon sairauksissa käyttämällä ERG:tä ja VEP:tä. Tutkijoiden perusteluna tälle tavoitteelle on se, että ehdotetussa tutkimuksessa selvitetään, ovatko tietyt verkkokalvon sairaudet visuaalisesti herkkiä infrapunasäteilylle. Tämä on tärkeää tutkia, koska se voisi mahdollistaa erilaisen lähestymistavan visuaaliseen tutkimukseen tietyissä verkkokalvon sairauksissa. Tällainen löytö olisi tärkeä, koska se voisi tarjota pohjan uudelle näköproteesimuodolle.

Tutkimussuunnitelma tavoitteelle 3: Yhteensä 25 osallistujaa eli viisi verkkokalvosairautta kohden rekrytoidaan käyttämällä CTSC Clinical Research Volunteer Registry -rekisteriä HRRC-06412. Verkkokalvon sairauksiin kuuluvat retinitis pigmentosa, ikään liittyvä silmänpohjan rappeuma, synnynnäinen paikallaan pysyvä yösokeus, kaihi. Mukana on myös viisi värisokeudesta kärsivää osallistujaa. Noudatetaan samaa protokollaa kuin tavoitteessa 2 väestötietojen keräämisessä sekä ERG- ja VEP-testeissä perustilanteessa ja pimeään mukautuneissa olosuhteissa.

Tavoitteen 3 data-analyysi: Sen lisäksi, että käytetään samantyyppistä data-analyysiä kuin tavoitteessa 2, tuloksia verrataan myös verkkokalvosairauksien ja terveiden osallistujien välillä.

Tavoitteen 3 odotetut tulokset: Tutkijat odottavat, että IR ei saa aikaan vastetta ERG:lle ja VEP:lle tietyissä verkkokalvosairauksissa pimeään mukautumisen jälkeen.

Mahdolliset ongelmat ja vaihtoehtoiset strategiat tavoitteelle 3: Sama kuin tavoitteessa 2.