Visuele activiteit opgewekt door infrarood bij mensen na aanpassing aan het donker

ACHTERGROND: Visuele beperkingen treffen wereldwijd 285 miljoen mensen. De prevalentie van visuele beperkingen in de VS zal naar verwachting stijgen van 3,3 miljoen in 2000 tot 5,5 miljoen in 2020. Dit zal de huidige economische last van verlies van gezichtsvermogen verergeren, die nu al 38,2 miljard dollar per jaar aan directe en indirecte kosten bedraagt. De belangrijkste oorzaak van blindheid in landen met een hoog inkomen is te wijten aan leeftijdsgebonden maculaire degeneratie (LMD), een ziekte die leidt tot geleidelijk verlies van de fotoreceptorcellaag. Naar schatting 1,75 miljoen mensen in de VS hebben AMD en nog eens 7,3 miljoen lopen risico. Belangrijk is dat, ondanks het verlies van fotoreceptorcellen bij AMD, de andere cellulaire lagen in het netvlies grotendeels intact blijven.

Het netvlies bekleedt de achterkant van het oog en bestaat uit structurele lagen. De buitenste nucleaire laag bevat fotoreceptoren die staafjes en kegeltjes worden genoemd. De binnenste nucleaire laag omvat bipolaire, horizontale en amacriene cellen. Meest anterieur heeft de ganglioncellaag axonen die het oog verlaten als de oogzenuw. Visuele beeldvorming begint wanneer een foton van licht het oog binnenkomt, door alle lagen van het netvlies gaat en wordt geabsorbeerd door de fotoreceptorcellen. Deze cellen zetten het foton van licht om in een elektrochemisch signaal, dat wordt doorgegeven aan bipolaire cellen, gevolgd door de ganglioncellen. Hier wordt een actiepotentiaal gegenereerd en via de oogzenuw doorgegeven aan het gebied van de hersenen waar zichtwaarneming plaatsvindt. Wanneer het oog donker is aangepast, zijn de cellen in dit pad mogelijk gevoeliger voor andere soorten stimuli, zoals IR. De onderzoekers geloven dat kationkanalen, TRP-kanalen genoemd, in ganglioncellen worden geactiveerd door IR in deze donkere aangepaste toestand, waardoor de visuele reactie op IR ontstaat. Warmte is een bekende activator van bepaalde subtypes die deze kanalen elders in het lichaam afvoeren. TRP-kanalen zijn ook verantwoordelijk voor IR-zicht in pitadders en vampiervleermuizen.

Palczewska et al. meldde dat visuele perceptie van IR plaatsvond door een proces van directe twee-foton-isomerisatie van visuele pigmenten. Ander bewijs suggereert echter dat IR-waarneming kan plaatsvinden door absorptie van een enkel IR-foton. Studies die IR gebruiken om de functionaliteit van geïmplanteerde visuele prothesen te testen, hebben een grotere respons op IR in het niet-geïmplanteerde oog geconstateerd in vergelijking met het geïmplanteerde oog bij zowel VEP-testen als ERG. Op ERG werd een gespecialiseerde respons gevonden die specifiek is voor IR, de scotopische drempelrespons (STR). Deze reactie vindt plaats onder aan het donker aangepaste omstandigheden en correleert met een reactie op de ganglioncellaag. Directe IR-activering van TRP-kanalen op ganglioncellen zou een visuele reactie kunnen initiëren. Op basis van deze bevindingen veronderstellen de onderzoekers dat de menselijke reactie op IR onder donkere aanpassing plaatsvindt op het niveau van de ganglioncellen via door warmte geactiveerde TRP-kanalen.

ONDERZOEKSONTWERP AIM1: Het bepalen van de optimale IR-golflengte voor menselijke visuele waarneming bij aanpassing aan het donker.

Inleiding voor doel 1: Het doel van dit doel is het bepalen van de optimale golflengte van IR waarvoor het menselijk oog gevoelig is. Om dit doel te bereiken, zullen de onderzoekers de werkhypothese testen dat het gezonde menselijke oog, en mensen met kleurenblindheid, een bereik van IR-golflengten zullen detecteren, met een voorkeur voor een specifieke golflengte. De onderzoekers gaan de werkhypothese testen met behulp van een breedspectrumlichtbron met golflengtespecifieke banddoorlaatfilters in het IR-bereik. De grondgedachte van de onderzoekers voor dit doel is dat het begrijpen van de optimale IR-golflengte van het menselijk oog zal helpen bij toekomstig onderzoek bij het testen van de visuele respons op IR met behulp van diagnostische apparatuur. Dit is belangrijk omdat het van invloed kan zijn op de manier waarop andere oftalmologische modaliteiten IR gebruiken om visuele pathologieën te diagnosticeren en te behandelen.

Onderzoeksopzet voor doel 1: in totaal 25 gezonde deelnemers (15 met normaal zicht en 10 met kleurenblindheid) van 18 jaar en ouder zullen worden gerekruteerd met behulp van de University of New Mexico (UNM) Clinical and Translational Science Center (CTSC) Clinical Research Volunteer Registry HRRC-06412. Geïnformeerde toestemming, demografische gegevens van deelnemers, mediale en visuele geschiedenis in het verleden en een algemeen oogonderzoek zullen worden verkregen met behulp van de CTSC-onderzoekscoördinator. Elke deelnemer wordt een uur in een donkere kamer geplaatst om een ​​optimale aanpassing van het oog aan het donker mogelijk te maken. De onderzoekers zullen een breedspectrumlichtbron gebruiken met golflengtespecifieke banddoorlaatfilters van verschillende IR-golflengten. Er zullen in totaal 12 filters worden gebruikt, variërend van 850 nm tot 1400 nm. Voor elke golflengte worden intensiteitscurven gemaakt door het vermogen langzaam op te voeren totdat de deelnemer een visuele reactie op de stimulus aangeeft.

Gegevensanalyse voor doel 1: gegevens worden door de onderzoekers geanalyseerd. Beschrijvende statistieken zullen worden gebruikt om demografische gegevens, algemene en visuele gezondheidsinformatie en gerapporteerde optimale golflengten te evalueren. De analyse van de onderzoekers zal de verschillen tussen de reacties voor elke golflengte vergelijken. Voor zover de onderzoekers weten, zijn er geen onderzoeken geweest die hebben geëvalueerd welke IR-golflengte optimaal is voor menselijke visuele perceptie, dus gaan de onderzoekers uit van een lage effectgrootte van 10%, wat een kans van 82% zou opleveren dat ten minste twee van de 30 gezonde deelnemers een voorkeursreactie op een specifieke golflengte. De onderzoekers beschrijven de geschatte effectgroottes naar aanleiding van de bevindingen.

Verwachte resultaten voor Doel 1: De onderzoekers verwachten dat het menselijk oog een bereik van IR-golflengten waarneemt, maar een specifieke golflengte heeft die optimaal is in termen van helderheid.

Potentiële problemen en alternatieve strategieën voor Doel 1: Om steekproefbias te voorkomen, zijn de onderzoekers van plan een representatief monster uit New Mexico te nemen; deelnemers kunnen echter jonger en hoger opgeleid zijn dan de algemene bevolking. Er kan een verwarrende vertekening van lichtvervuiling optreden, die aanpassing aan het donker zou voorkomen en de IR-gevoeligheid zou verminderen. Een fotometer beoordeelt de ruimte op achtergrondfotonen.

DOEL 2: Testen van de elektrofysiologische respons op IR bij gezonde mensen na aanpassing aan het donker.

Inleiding voor doel 2: Het doel van dit doel is het bepalen van de plaats van IR-transductie in het visuele pad. Om dit doel te bereiken, zullen de onderzoekers de werkhypothese testen dat IR een amplitudeverandering teweegbrengt bij menselijke proefpersonen op ERG- en VEP-testen na aanpassing aan het donker. De onderzoekers zullen de werkhypothese testen met een klinische proef waarin de elektrofysiologische visuele respons op de basislijn van zichtbaar licht wordt vergeleken met IR. De grondgedachte van de onderzoekers voor dit doel is dat het voorgestelde onderzoek zal bijdragen aan een belangrijk begrip van een alternatief gezichtsmechanisme. Het is belangrijk om dit pad te onderzoeken om de algemene visuele gezondheid verder te begrijpen en om aan te tonen hoe IR direct een visuele reactie oproept. Een dergelijke bevinding zou belangrijk zijn omdat het het visueel responsieve lichtspectrum zou uitbreiden met IR.

Onderzoeksopzet voor doel 2: er worden in totaal 6 gezonde deelnemers van 18 jaar en ouder geworven volgens dezelfde criteria als in doel 1. De onderzoekers zullen dezelfde documentatie en gezondheidsinformatie verzamelen als in doel 1. De deelnemers zullen worden getest in de UNM Eye Clinic met gebruik van VEP en ERG bij zowel baseline als onder voor het donker aangepaste IR-omstandigheden. Beide tests zijn niet-invasief en worden als veilig beschouwd. De richtlijnen van de International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV) voor klinische VEP's en full-field ERG's zullen worden gevolgd. Deze protocollen zullen worden uitgebreid om de IR-stimulus na donkere aanpassing te testen. De totale tijd voor deelnemers is 5 uur en iedereen doet maar één keer mee.

Gegevensanalyse voor doel 2: gegevens worden geanalyseerd door de onderzoekers. Beschrijvende statistieken beschrijven demografische gegevens en algemene en visuele gezondheidsinformatie. Volgens het ISCEV-protocol gaan de onderzoekers bij experimenten buiten de normale laboratoriumbereiken niet uit van een normale verdeling. Rapporten specificeren stimulus- en opnameparameters. De primaire analyse van de onderzoeker zal de onderliggende waarschijnlijkheid van een respons op de stimulus testen met behulp van binominale verdelingen (HO = 0, HI > 0). Met behulp van exacte tests vergelijkt de secundaire analyse van de onderzoeker de verschillen tussen tijdsintervallen voor aanpassing aan het donker van 0, 15, 30, 45, 60 minuten voor elk stimulustype, en de tertiaire analyse vergelijkt de verschillen tussen basislijn- en IR-stimulus bij elk tijdsinterval. De pilootgegevens en diermodellen van de onderzoekers hebben een consistente visuele reactie op IR aangetoond. Voor zover de onderzoekers weten, zijn er echter geen elektrofysiologische onderzoeken gedaan naar een IR-stimulus bij mensen. De onderzoekers gaan dus uit van een lage effectgrootte. Vanwege de kosten van de diagnostische test zijn we echter beperkt tot 5 deelnemers. De onderzoekers zullen de geschatte effectgroottes beschrijven als reactie op de bevinding.

Verwachte resultaten voor doelstelling 2: De onderzoekers verwachten een IR-respons in ERG en VEP bij aan het donker aangepaste mensen.

Potentiële problemen en alternatieve strategieën voor doel 2: doel 2 deelt dezelfde potentiële problemen als doel 1, en de onderzoekers zullen deze op identieke wijze aanpakken. Bovendien kan kalibratiebias optreden bij de ERG en VEP. De onderzoekers volgen de ISCEV-protocollen voor beide tests. IR-proeven vereisen mogelijk het gemiddelde van aanvullende stimulusherhalingen om de signaal-ruisverhouding van ERG- en VEP-signalen te verbeteren. Om vooringenomenheid bij de interpretatie van de resultaten te voorkomen, zullen de onderzoekers intra- en interbetrouwbaarheidsvergelijkingen gebruiken.

DOEL 3: Het testen van de elektrofysiologische respons op IR bij mensen met retinale aandoeningen of letsels na aanpassing aan het donker.

Inleiding voor doel 3: Het doel van dit doel is om te bepalen welke cellaag van het netvlies reageert op IR en de aard van de betrokkenheid van het TRP-kanaal. Om dit doel te bereiken, zullen de onderzoekers de werkhypothese testen dat IR geen amplitudeverandering zal veroorzaken bij bepaalde aandoeningen van het netvlies. De onderzoekers zullen de werkhypothese testen met een klinische proef door de visuele respons op IR te testen bij bepaalde netvliesaandoeningen met behulp van ERG en VEP. De grondgedachte van de onderzoekers voor dit doel is dat het voorgestelde onderzoek zal onderzoeken of bepaalde aandoeningen van het netvlies visueel gevoelig zijn voor IR. Dit is belangrijk om te onderzoeken, omdat het een andere benadering van visueel onderzoek bij bepaalde aandoeningen van het netvlies mogelijk zou kunnen maken. Een dergelijke bevinding zou belangrijk zijn omdat het de basis zou kunnen vormen voor een nieuwe vorm van visuele prothese.

Onderzoeksopzet voor doel 3: Er zullen in totaal vijfentwintig deelnemers, of vijf per netvliesaandoening, worden geworven met behulp van de CTSC Clinical Research Volunteer Registry HRRC-06412. Netvliesaandoeningen omvatten retinitis pigmentosa, leeftijdsgebonden maculaire degeneratie, aangeboren stationaire nachtblindheid, staar. Er zullen ook vijf deelnemers met kleurenblindheid worden opgenomen. Hetzelfde protocol zal worden gevolgd als in doel 2 voor demografische verzameling en ERG- en VEP-testen onder basislijn- en aan het donker aangepaste omstandigheden.

Data-analyse voor Doel 3: Naast het gebruik van hetzelfde type data-analyse als in Doel 2, zullen ook resultaten worden vergeleken tussen aandoeningen van het netvlies en met gezonde deelnemers.

Verwachte resultaten voor doel 3: De onderzoekers verwachten dat een IR geen reactie op ERG en VEP zal uitlokken bij bepaalde netvliesaandoeningen na aanpassing aan het donker.

Potentiële problemen en alternatieve strategieën voor doel 3: hetzelfde als in doel 2.