Attività visiva evocata dall'infrarosso negli esseri umani dopo l'adattamento al buio

SFONDO: La disabilità visiva colpisce 285 milioni di persone in tutto il mondo. Si prevede che la prevalenza della disabilità visiva negli Stati Uniti aumenterà da 3,3 milioni nel 2000 a 5,5 milioni nel 2020. Ciò aggraverà l'attuale onere economico della perdita della vista, che è già di 38,2 miliardi di dollari all'anno in costi diretti e indiretti. La principale causa di cecità nei paesi ad alto reddito è dovuta alla degenerazione maculare legata all'età (AMD), una malattia che porta alla graduale perdita dello strato cellulare dei fotorecettori. Si stima che 1,75 milioni di persone abbiano la AMD negli Stati Uniti e altri 7,3 milioni siano a rischio. È importante sottolineare che, nonostante la perdita di cellule fotorecettrici nell'AMD, gli altri strati cellulari nella retina rimangono in gran parte intatti.

La retina allinea la parte posteriore dell'occhio ed è composta da strati strutturali. Lo strato nucleare esterno contiene fotorecettori chiamati bastoncelli e coni. Lo strato nucleare interno comprende cellule bipolari, orizzontali e amacrine. Più anteriormente, lo strato di cellule gangliari ha assoni che escono dall'occhio come nervo ottico. La formazione dell'immagine visiva inizia quando un fotone di luce entra nell'occhio, attraversa tutti gli strati retinici e viene assorbito dalle cellule dei fotorecettori. Queste cellule trasducono il fotone di luce in un segnale elettrochimico, che viene comunicato alle cellule bipolari, seguite dalle cellule gangliari. Qui, un potenziale d'azione viene generato e propagato attraverso il nervo ottico nell'area del cervello in cui si verifica la percezione visiva. Quando l'occhio è adattato all'oscurità, le cellule in questo percorso sono potenzialmente più sensibili ad altri tipi di stimoli, come l'IR. I ricercatori ritengono che i canali cationici chiamati canali TRP nelle cellule gangliari siano attivati ​​dall'IR in questo stato di adattamento al buio, creando la risposta visiva all'IR. Il calore è un noto attivatore di alcuni sottotipi di questi canali in altre parti del corpo. I canali TRP sono anche responsabili della visione IR nelle vipere e nei pipistrelli vampiri.

Palczewska et al. riferito che la percezione visiva all'IR si è verificata attraverso un processo di isomerizzazione diretta a due fotoni dei pigmenti visivi. Tuttavia, altre prove suggeriscono che la percezione IR può avvenire attraverso l'assorbimento di un singolo fotone IR. Gli studi che utilizzano l'IR per testare la funzionalità della protesi visiva impiantata hanno notato una maggiore risposta all'IR nell'occhio non impiantato rispetto all'occhio impiantato sia nei test VEP che nell'ERG. Su ERG, è stata trovata una risposta specializzata specifica per IR chiamata risposta alla soglia scotopica (STR). Questa risposta si verifica in condizioni di adattamento al buio e si correla con una risposta a livello delle cellule gangliari. L'attivazione IR diretta dei canali TRP sulle cellule gangliari potrebbe avviare una risposta visiva. Sulla base di questi risultati, i ricercatori ipotizzano che la risposta umana all'IR in condizioni di adattamento al buio avvenga a livello delle cellule gangliari attraverso i canali TRP attivati ​​dal calore.

PROGETTAZIONE DELLA RICERCA OBIETTIVO 1: Determinare la lunghezza d'onda IR ottimale per la percezione visiva umana durante l'adattamento al buio.

Introduzione per l'Obiettivo 1: L'obiettivo di questo obiettivo è determinare la lunghezza d'onda ottimale dell'IR a cui l'occhio umano è sensibile. Per ottenere questo obiettivo, i ricercatori verificheranno l'ipotesi di lavoro secondo cui l'occhio umano sano e quelli con daltonismo rileveranno una gamma di lunghezze d'onda IR, con una preferenza per una lunghezza d'onda specifica. Gli investigatori testeranno l'ipotesi di lavoro utilizzando una sorgente luminosa ad ampio spettro con filtri passa-banda specifici per la lunghezza d'onda nella gamma IR. La logica degli investigatori per questo scopo è che la comprensione della lunghezza d'onda IR ottimale dell'occhio umano aiuterà nelle indagini future durante il test della risposta visiva all'IR utilizzando apparecchiature diagnostiche. Questo è importante perché potrebbe avere un impatto sul modo in cui altre modalità oftalmologiche utilizzano l'IR per diagnosticare e trattare le patologie visive.

Progetto di ricerca per l'obiettivo 1: un totale di 25 partecipanti sani (15 con visione normale e 10 con daltonismo) di età pari o superiore a 18 anni sarà reclutato utilizzando il registro dei volontari per la ricerca clinica del Centro di scienze cliniche e traslazionali (CTSC) dell'Università del New Mexico (UNM) HRRC-06412. Il consenso informato, i dati demografici dei partecipanti, la storia mediale e visiva passata e un esame oculistico generale saranno ottenuti utilizzando il coordinatore della ricerca CTSC. Ogni partecipante verrà posto in una stanza buia per un'ora per consentire un ottimale adattamento al buio dell'occhio. Gli investigatori utilizzeranno una sorgente luminosa ad ampio spettro con filtri passa-banda specifici per la lunghezza d'onda di diverse lunghezze d'onda IR. Verranno utilizzati un totale di 12 filtri che vanno da 850 nm a 1400 nm. Le curve di intensità saranno costruite per ogni lunghezza d'onda, rallentando aumentando la potenza fino a quando il partecipante non indica una risposta visiva allo stimolo.

Analisi dei dati per l'obiettivo 1: i dati saranno analizzati dagli investigatori. Verranno utilizzate statistiche descrittive per valutare i dati demografici, le informazioni sulla salute generale e visiva e le lunghezze d'onda ottimali riportate. L'analisi degli investigatori confronterà le differenze tra le risposte per ciascuna lunghezza d'onda. A conoscenza dei ricercatori non sono stati condotti studi che valutassero quale lunghezza d'onda IR sia ottimale per la percezione visiva umana, quindi i ricercatori presumono una dimensione dell'effetto bassa del 10%, che produrrebbe una probabilità dell'82% che almeno due su 30 partecipanti sani diano un risposta preferita a una specifica lunghezza d'onda. Gli investigatori descriveranno le dimensioni dell'effetto stimato in risposta ai risultati.

Risultati attesi per l'obiettivo 1: gli investigatori si aspettano che l'occhio umano percepisca una gamma di lunghezze d'onda IR, ma abbia una lunghezza d'onda specifica ottimale in termini di luminosità.

Potenziali problemi e strategie alternative per l'obiettivo 1: per evitare errori di campionamento, gli investigatori intendono ottenere un campione rappresentativo dal New Mexico; tuttavia, i partecipanti possono essere più giovani e più istruiti rispetto alla popolazione generale. Potrebbero verificarsi pregiudizi confondenti dell'inquinamento luminoso, che impedirebbero l'adattamento al buio e diminuirebbero la sensibilità IR. Un fotometro valuterà la stanza per i fotoni di fondo.

OBIETTIVO 2: Testare la risposta elettrofisiologica all'IR in esseri umani sani dopo l'adattamento al buio.

Introduzione per l'Obiettivo 2: L'obiettivo di questo obiettivo è determinare il sito di trasduzione IR nel percorso visivo. Per ottenere questo obiettivo, gli investigatori verificheranno l'ipotesi di lavoro secondo cui l'IR provoca un cambiamento di ampiezza nei soggetti umani sui test ERG e VEP dopo l'adattamento al buio. Gli investigatori verificheranno l'ipotesi di lavoro con uno studio clinico in cui la risposta visiva elettrofisiologica alla linea di base della luce visibile viene confrontata con l'IR. La motivazione dei ricercatori per questo obiettivo è che la ricerca proposta contribuirà a un'importante comprensione di un meccanismo alternativo della visione. È importante indagare su questo percorso per comprendere ulteriormente la salute visiva generale e dimostrare come l'IR suscita direttamente una risposta visiva. Una tale scoperta sarebbe importante perché espanderebbe lo spettro della luce visivamente reattivo per includere l'IR.

Progetto di ricerca per l'obiettivo 2: un totale di 6 partecipanti sani di età pari o superiore a 18 anni verrà reclutato utilizzando gli stessi criteri dell'obiettivo 1. Gli investigatori raccoglieranno la stessa documentazione e informazioni sanitarie dell'Obiettivo 1. I partecipanti saranno testati nella UNM Eye Clinic utilizzando VEP ed ERG sia al basale che in condizioni IR adattate al buio. Entrambi i test sono non invasivi e considerati sicuri. Saranno seguite le linee guida dell'International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV) per i VEP clinici e gli ERG a campo intero. Questi protocolli saranno estesi per testare lo stimolo IR dopo l'adattamento al buio. Il tempo totale per i partecipanti sarà di 5 ore e ognuno parteciperà una sola volta.

Analisi dei dati per l'obiettivo 2: i dati saranno analizzati dagli investigatori. Le statistiche descrittive descriveranno i dati demografici e le informazioni sulla salute generale e visiva. Secondo il protocollo ISCEV, quando si sperimenta al di fuori dei normali intervalli di laboratorio, i ricercatori non assumeranno una distribuzione normale. I report specificheranno lo stimolo ei parametri di registrazione. L'analisi primaria dei ricercatori testerà la probabilità sottostante di una risposta allo stimolo utilizzando distribuzioni binomiali (HO = 0, HI > 0). Utilizzando test esatti, l'analisi secondaria dei ricercatori confronterà le differenze tra gli intervalli di tempo di adattamento al buio di 0, 15, 30, 45, 60 minuti per ciascun tipo di stimolo e l'analisi terziaria confronterà le differenze tra la linea di base e lo stimolo IR a ciascun intervallo di tempo. I dati pilota e i modelli animali degli investigatori hanno dimostrato una risposta visiva coerente all'IR. Tuttavia, a conoscenza dei ricercatori, non sono stati condotti studi elettrofisiologici su uno stimolo IR negli esseri umani. Pertanto, gli investigatori assumeranno una dimensione dell'effetto bassa. Tuttavia, a causa del costo del test diagnostico, siamo limitati a 5 partecipanti. Gli investigatori descriveranno le dimensioni dell'effetto stimato in risposta alla scoperta.

Risultati attesi per l'obiettivo 2: i ricercatori si aspettano una risposta IR in ERG e VEP negli esseri umani adattati all'oscurità.

Potenziali problemi e strategie alternative per l'obiettivo 2: l'obiettivo 2 condivide gli stessi potenziali problemi dell'obiettivo 1 e gli investigatori li affronteranno in modo identico. Inoltre, con l'ERG e il VEP possono verificarsi bias di calibrazione. Gli investigatori seguiranno i protocolli ISCEV per entrambi questi test. Le prove IR possono richiedere la media di ulteriori ripetizioni di stimoli per migliorare il rapporto segnale-rumore dei segnali ERG e VEP. Per evitare pregiudizi nell'interpretazione dei risultati, i ricercatori utilizzeranno confronti intra e inter-affidabilità.

OBIETTIVO 3: Testare la risposta elettrofisiologica all'IR negli esseri umani con malattie o lesioni retiniche dopo l'adattamento al buio.

Introduzione per l'Obiettivo 3: L'obiettivo di questo obiettivo è determinare quale strato di cellule retiniche sta rispondendo all'IR e la natura del coinvolgimento del canale TRP. Per ottenere questo obiettivo, gli investigatori verificheranno l'ipotesi di lavoro secondo cui l'IR non susciterà un cambiamento di ampiezza in alcune malattie della retina. Gli investigatori verificheranno l'ipotesi di lavoro con una sperimentazione clinica testando la risposta visiva all'IR in alcune malattie della retina utilizzando ERG e VEP. La logica degli investigatori per questo scopo è che la ricerca proposta esaminerà se alcune malattie della retina sono visivamente sensibili all'IR. Questo è importante da indagare perché potrebbe consentire un approccio diverso alla ricerca visiva in alcune malattie della retina. Tale scoperta sarebbe importante perché potrebbe fornire la base per una nuova forma di protesi visiva.

Progetto di ricerca per l'obiettivo 3: un totale di venticinque partecipanti, o cinque per malattia retinica, sarà reclutato utilizzando il registro dei volontari della ricerca clinica CTSC HRRC-06412. Le malattie retiniche includono retinite pigmentosa, degenerazione maculare senile, cecità notturna stazionaria congenita, cataratta. Saranno inclusi anche cinque partecipanti con daltonismo. Lo stesso protocollo sarà seguito come nell'obiettivo 2 per la raccolta demografica ei test ERG e VEP in condizioni basali e adattate al buio.

Analisi dei dati per l'obiettivo 3: oltre a utilizzare lo stesso tipo di analisi dei dati dell'obiettivo 2, i risultati saranno confrontati anche tra malattie della retina e con partecipanti sani.

Risultati attesi per l'obiettivo 3: i ricercatori si aspettano che un IR non susciti una risposta su ERG e VEP in alcune malattie della retina dopo l'adattamento al buio.

Potenziali problemi e strategie alternative per l'obiettivo 3: come per l'obiettivo 2.