Az infravörös által kiváltott vizuális tevékenység az emberekben a sötét alkalmazkodás után

HÁTTÉR: A látássérülés világszerte 285 millió embert érint. A látássérültek előfordulása az Egyesült Államokban a 2000-es 3,3 millióról 2020-ra várhatóan 5,5 millióra emelkedik. Ez súlyosbítja a látásvesztés jelenlegi gazdasági terhét, amely már évi 38,2 milliárd dollár közvetlen és közvetett költséget jelent. A magas jövedelmű országokban a vakság fő oka az életkorral összefüggő makuladegeneráció (AMD), egy olyan betegség, amely a fotoreceptor sejtréteg fokozatos elvesztéséhez vezet. Becslések szerint az Egyesült Államokban 1,75 millió ember szenved AMD-ben, és további 7,3 millió van veszélyben. Fontos, hogy az AMD-ben a fotoreceptor sejtek elvesztése ellenére a retina többi sejtrétege nagyrészt érintetlen marad.

A retina a szem hátsó részét szegélyezi, és szerkezeti rétegekből áll. A külső magréteg fotoreceptorokat, úgynevezett rudakat és kúpokat tartalmaz. A belső nukleáris réteg bipoláris, vízszintes és amakrin sejteket tartalmaz. Leginkább a ganglion sejtrétegben vannak axonok, amelyek látóidegként lépnek ki a szemből. A vizuális képalkotás akkor kezdődik, amikor a fény fotonja belép a szembe, áthalad az összes retinarétegen, és elnyeli a fotoreceptor sejtek. Ezek a sejtek a fény fotonját elektrokémiai jellé alakítják át, amelyet a bipoláris sejtekhez, majd a ganglionsejtekhez továbbítanak. Itt akciós potenciál keletkezik, és a látóideg révén az agy azon területére terjed, ahol a látás észlelhető. Amikor a szem sötéthez alkalmazkodik, az ezen az útvonalon lévő sejtek potenciálisan érzékenyebbek más típusú ingerekre, például az IR-re. A kutatók úgy vélik, hogy a ganglionsejtekben a TRP-csatornáknak nevezett kationcsatornákat az IR aktiválja ebben a sötétben adaptált állapotban, ami vizuális választ hoz létre az IR-re. A hő bizonyos altípusok ismert aktivátora, ezek a csatornák a test más részein is. A TRP csatornák felelősek a gödörviperák és vámpírdenevérek infravörös látásáért is.

Palczewska et al. beszámolt arról, hogy az infravörös vizuális észlelés a vizuális pigmentek közvetlen kétfoton izomerizációja révén történt. Más bizonyítékok azonban arra utalnak, hogy az infravörös érzékelés egyetlen infravörös foton abszorpciója révén is létrejöhet. A beültetett látóprotézis funkcionalitásának tesztelésére IR-t használó tanulmányok a VEP-teszteknél és az ERG-nél is nagyobb IR-reakciót figyeltek meg a nem beültetett szemben, mint a beültetett szemben. Az ERG-n egy speciális, az IR-re specifikus választ találtak, az úgynevezett scotopic threshold response (STR). Ez a válasz sötéthez alkalmazkodott körülmények között lép fel, és korrelál a ganglionsejtréteg válaszával. A ganglionsejteken lévő TRP csatornák közvetlen IR aktiválása vizuális választ válthat ki. Ezen eredmények alapján a kutatók azt feltételezik, hogy az IR-re adott emberi válasz sötét adaptáció esetén a ganglionsejtek szintjén, hővel aktivált TRP csatornákon keresztül történik.

A KUTATÁS TERVEZÉSE 1. CÉLKITŰZÉS: Meghatározni az optimális IR hullámhosszt az emberi vizuális észleléshez sötéthez alkalmazkodva.

Bevezetés az 1. célhoz: A cél célja az IR optimális hullámhosszának meghatározása, amelyre az emberi szem érzékeny. A cél elérése érdekében a kutatók azt a munkahipotézist tesztelik, hogy az egészséges emberi szem és a színtévesztő szemek egy adott hullámhosszt részesítenek előnyben az IR hullámhosszok tartományában. A kutatók a munkahipotézist egy széles spektrumú fényforrással tesztelik, hullámhossz-specifikus sávszűrőkkel az IR tartományban. A kutatók ezt a célt az indokolják, hogy az emberi szem optimális infravörös hullámhosszának megértése segít a jövőbeni vizsgálatokban, amikor az IR-re adott vizuális választ diagnosztikai berendezéssel tesztelik. Ez azért fontos, mert hatással lehet arra, ahogyan más szemészeti módszerek az IR-t használják a vizuális patológiák diagnosztizálására és kezelésére.

Kutatási terv az 1. célhoz: Összesen 25 egészséges, 18 éves vagy annál idősebb résztvevőt (15 normál látású és 10 színvakságú) vesznek fel az Új-Mexikói Egyetem (UNM) Klinikai és Transzlációs Tudományos Központja (CTSC) Klinikai Kutatási Önkéntes Nyilvántartásába. HRRC-06412. A CTSC kutatási koordinátora segítségével tájékozott beleegyezés, résztvevő demográfiai adatok, múltbeli mediális és vizuális anamnézis, valamint általános szemvizsgálat történik. Minden résztvevőt egy sötét helyiségbe helyeznek egy órára, hogy lehetővé tegyék a szem optimális alkalmazkodását a sötéthez. A kutatók széles spektrumú fényforrást fognak használni, különböző IR hullámhosszú hullámhossz-specifikus sávszűrőkkel. Összesen 12 szűrőt fognak használni, 850 nm és 1400 nm között. Az intenzitásgörbéket minden hullámhosszra felállítják a teljesítmény lassításával, amíg a résztvevő vizuális választ nem jelez az ingerre.

Adatelemzés az 1. célhoz: Az adatokat a vizsgálók elemzik. Leíró statisztikákat használunk a demográfiai adatok, az általános és vizuális egészségügyi információk, valamint a jelentett optimális hullámhosszok értékelésére. A vizsgálók elemzése összehasonlítja a válaszok közötti különbségeket minden hullámhosszon. A kutatók tudomása szerint nem készültek olyan tanulmányok, amelyek azt értékelték volna, hogy melyik IR hullámhossz az optimális az emberi vizuális észleléshez, így a kutatók alacsony, 10%-os hatásméretet feltételeznek, ami 82%-os esélyt adna arra, hogy 30 egészséges résztvevőből legalább kettő ad egy érzékenységet. adott hullámhosszra adott preferált válasz. A kutatók az eredményekre válaszul leírják a becsült hatásméreteket.

Az 1. cél várt eredményei: A kutatók arra számítanak, hogy az emberi szem az IR hullámhosszok tartományát érzékeli, de a fényesség szempontjából optimális hullámhossza van.

Lehetséges problémák és alternatív stratégiák az 1. célhoz: A mintavételi torzítás elkerülése érdekében a vizsgálók azt tervezik, hogy reprezentatív mintát szereznek be Új-Mexikóból; a résztvevők azonban fiatalabbak és képzettebbek lehetnek, mint az általános lakosság. A fényszennyezés zavaró torzítása előfordulhat, ami megakadályozza a sötéthez való alkalmazkodást és csökkenti az IR érzékenységet. Egy fotométer felméri a helyiséget a háttérfotonok számára.

2. CÉLKITŰZÉS: Az infravörösre adott elektrofiziológiai válasz tesztelése egészséges emberekben a sötéthez való alkalmazkodás után.

Bevezetés a 2. célhoz: Ennek a célnak az a célja, hogy meghatározzuk az IR transzdukció helyét a látópályán. E cél elérése érdekében a kutatók tesztelni fogják azt a munkahipotézist, hogy az IR amplitúdóváltozást vált ki humán alanyokban ERG és VEP teszteken a sötét adaptációt követően. A kutatók a munkahipotézist egy klinikai vizsgálattal fogják tesztelni, amelyben a látható fény alapvonalára adott elektrofiziológiai vizuális választ az IR-hez hasonlítják. A kutatók ezt a célt azzal indokolják, hogy a javasolt kutatás hozzájárul a látás egy alternatív mechanizmusának fontos megértéséhez. Fontos megvizsgálni ezt az utat az általános látási állapot további megértéséhez, és annak bemutatásához, hogy az IR hogyan vált ki közvetlenül vizuális választ. Egy ilyen megállapítás azért lenne fontos, mert kiterjesztené a vizuálisan érzékeny fényspektrumot az IR-re.

Kutatási terv a 2. célhoz: Összesen 6 egészséges, 18 éves vagy annál idősebb résztvevőt vesznek fel az 1. célban leírt kritériumok alapján. A vizsgálók ugyanazokat a dokumentációkat és egészségügyi információkat gyűjtik össze, mint az 1. célban. A résztvevőket az UNM Szemklinikán tesztelik VEP és ERG segítségével mind a kiinduláskor, mind a sötéthez igazított IR körülmények között. Mindkét teszt nem invazív és biztonságosnak tekinthető. A Nemzetközi Látás Klinikai Elektrofiziológiai Társaság (ISCEV) irányelveit követik a klinikai VEP-ekre és a teljes körű ERG-kre vonatkozóan. Ezeket a protokollokat kibővítjük, hogy teszteljék az infravörös ingert a sötét adaptáció után. A résztvevők teljes ideje 5 óra, és mindegyik csak egyszer vesz részt.

Adatelemzés a 2. célhoz: Az adatokat a vizsgálók elemzik. A leíró statisztikák leírják a demográfiai adatokat, valamint az általános és vizuális egészségügyi információkat. Az ISCEV protokoll szerint a normál laboratóriumi tartományon kívüli kísérletek során a vizsgálók nem feltételeznek normális eloszlást. A jelentések meghatározzák az ingerlési és rögzítési paramétereket. A vizsgálók elsődleges elemzése binomiális eloszlások (HO = 0, HI > 0) segítségével teszteli az ingerre adott válasz mögöttes valószínűségét. A vizsgálók másodlagos elemzése egzakt teszteket használva összehasonlítja a 0, 15, 30, 45, 60 perces sötét adaptációs időintervallumok közötti különbségeket az egyes ingertípusok esetében, és a harmadlagos elemzés összehasonlítja az alapvonal és az IR ingerek közötti különbségeket minden egyes időintervallumban. A kutatók kísérleti adatai és állatmodellei konzisztens vizuális választ mutattak az IR-re. A kutatók tudomása szerint azonban nem végeztek elektrofiziológiai vizsgálatokat az IR ingerrel kapcsolatban emberekben. Így a vizsgálók alacsony hatásméretet feltételeznek. A diagnosztikai vizsgálat költsége miatt azonban a résztvevők száma 5 fő. A kutatók a leletre válaszul leírják a becsült hatásméreteket.

A 2. cél várható eredményei: A kutatók IR-reakciót várnak ERG-ben és VEP-ben sötéthez alkalmazkodó emberekben.

Potenciális problémák és alternatív stratégiák a 2. célhoz: A 2. cél ugyanazokkal a lehetséges problémákkal jár, mint az 1. cél, és a nyomozók azonos módon kezelik ezeket. Ezenkívül az ERG és a VEP kalibrációs torzítása is előfordulhat. A vizsgálók mindkét teszt esetében követik az ISCEV protokollt. Az IR-próbák további ingerismétlések átlagolását tehetik szükségessé az ERG és VEP jelek jel-zaj arányának javítása érdekében. Az eredmények értelmezésében a torzítás elkerülése érdekében a vizsgálók belső és inter-reliabilitási összehasonlításokat alkalmaznak.

3. CÉLKITŰZÉS: Az infravörösre adott elektrofiziológiai válasz tesztelése retinabetegségben vagy -sérülésben szenvedő embereknél a sötét adaptáció után.

Bevezetés a 3. célhoz: Ennek a célnak az a célja, hogy meghatározzuk, melyik retina sejtréteg reagál az IR-re, és hogy milyen természetű a TRP csatorna érintettség. E cél elérése érdekében a kutatók azt a munkahipotézist tesztelik, hogy az IR nem vált ki amplitúdóváltozást bizonyos retinabetegségekben. A kutatók a munkahipotézist egy klinikai vizsgálattal tesztelik az IR-re adott vizuális válasz vizsgálatával bizonyos retinabetegségekben ERG és VEP segítségével. A kutatók ezt a célt az indokolják, hogy a javasolt kutatás azt vizsgálja, hogy bizonyos retinabetegségek vizuálisan érzékenyek-e az IR-re. Ezt azért fontos megvizsgálni, mert lehetővé teheti bizonyos retinabetegségek vizuális kutatásának más megközelítését. Egy ilyen megállapítás azért lenne fontos, mert a látásprotézis egy új formájának alapja lehet.

Kutatási terv a 3. célhoz: Összesen huszonöt résztvevőt (vagy retinabetegségenként ötöt) vesznek fel a CTSC Klinikai Kutatási Önkéntes Nyilvántartása (HRRC-06412) segítségével. A retina betegségei közé tartozik a retinitis pigmentosa, az időskori makuladegeneráció, a veleszületett stacioner éjszakai vakság, szürkehályog. Öt színtévesztő résztvevőt is bevonunk. Ugyanazt a protokollt fogják követni, mint a 2. célban a demográfiai gyűjtés, valamint az ERG és VEP teszteknél alapvonal és sötéthez igazított körülmények között.

Adatelemzés a 3. célhoz: Amellett, hogy a 2. célhoz hasonló adatelemzést használunk, az eredményeket a retina betegségek és az egészséges résztvevők között is összehasonlítjuk.

A 3. cél várható eredményei: A kutatók arra számítanak, hogy az IR nem vált ki választ az ERG-re és a VEP-re bizonyos retinabetegségekben a sötéthez való alkalmazkodást követően.

Lehetséges problémák és alternatív stratégiák a 3. célhoz: Ugyanaz, mint a 2. célnál.