Visuell aktivitet fremkalt av infrarød hos mennesker etter mørketilpasning

BAKGRUNN: Synshemming påvirker 285 millioner mennesker over hele verden. Prevalensen av synshemming i USA forventes å øke fra 3,3 millioner i 2000 til 5,5 millioner i 2020. Dette vil forverre den nåværende økonomiske byrden med synstap, som allerede er 38,2 milliarder dollar per år i direkte og indirekte kostnader. Den viktigste årsaken til blindhet i høyinntektsland skyldes aldersrelatert makuladegenerasjon (AMD), en sykdom som fører til gradvis tap av fotoreseptorcellelaget. Anslagsvis 1,75 millioner mennesker har AMD i USA og ytterligere 7,3 millioner er i faresonen. Viktigere, til tross for tap av fotoreseptorceller i AMD, forblir de andre cellelagene i netthinnen stort sett intakte.

Netthinnen kler baksiden av øyet og er sammensatt av strukturelle lag. Det ytre kjernelaget inneholder fotoreseptorer kalt staver og kjegler. Det indre kjernelaget inkluderer bipolare, horisontale og amakrine celler. Mest anteriort har ganglioncellelaget aksoner som går ut av øyet som synsnerven. Visuell bildedannelse begynner når et foton av lys kommer inn i øyet, passerer gjennom alle netthinnelag og absorberes av fotoreseptorcellene. Disse cellene transduserer fotonet av lys til et elektrokjemisk signal, som kommuniseres til bipolare celler, etterfulgt av ganglioncellene. Her genereres et aksjonspotensial og forplantes via synsnerven til det området av hjernen hvor synsoppfatningen oppstår. Når øyet er mørkt tilpasset, er cellene i denne banen potensielt mer følsomme for andre typer stimuli, for eksempel IR. Etterforskerne mener kationkanaler kalt TRP-kanaler i ganglionceller aktiveres av IR i denne mørke tilpassede tilstanden, og skaper den visuelle responsen på IR. Varme er en kjent aktivator for visse undertyper av disse kanalene andre steder i kroppen. TRP-kanaler er også ansvarlige for IR-syn hos hoggormer og vampyrflaggermus.

Palczewska et al. rapporterte at visuell persepsjon til IR skjedde gjennom en prosess med direkte to-foton isomerisering av visuelle pigmenter. Imidlertid antyder andre bevis at IR-oppfatning kan oppstå gjennom enkelt IR-fotonabsorpsjon. Studier som bruker IR for å teste funksjonaliteten til implanterte visuelle proteser har notert en større respons på IR i det ikke-implanterte øyet sammenlignet med det implanterte øyet på både VEP-tester og ERG. På ERG ble det funnet en spesialisert respons spesifikk for IR kalt scotopic terskelrespons (STR). Denne responsen skjer under mørketilpassede forhold og korrelerer med en respons ved ganglioncellelaget. Direkte IR-aktivering av TRP-kanaler på ganglionceller kan starte en visuell respons. Basert på disse funnene antar etterforskerne at den menneskelige responsen på IR under mørk tilpasning skjer på nivået av ganglioncellene gjennom varmeaktiverte TRP-kanaler.

FORSKNINGSDESIGN MÅL1: Å bestemme den optimale IR-bølgelengden for menneskelig visuell persepsjon mens den er tilpasset mørke.

Introduksjon for mål 1: Målet med dette målet er å bestemme den optimale bølgelengden til IR som det menneskelige øyet er følsomt for. For å oppnå dette målet vil etterforskerne teste arbeidshypotesen om at det sunne menneskelige øyet, og de med fargeblindhet, vil oppdage en rekke IR-bølgelengder, med en preferanse for en spesifikk bølgelengde. Etterforskerne vil teste arbeidshypotesen ved å bruke en bredspektret lyskilde med bølgelengdespesifikke båndpassfiltre i IR-området. Etterforskernes begrunnelse for dette målet er at forståelsen av den optimale IR-bølgelengden til det menneskelige øyet vil hjelpe i fremtidige undersøkelser når man tester den visuelle responsen på IR ved hjelp av diagnostisk utstyr. Dette er viktig fordi det kan påvirke måten andre oftalmologiske modaliteter bruker IR til å diagnostisere og behandle visuelle patologier.

Forskningsdesign for mål 1: Totalt friske 25 deltakere (15 med normalt syn og 10 med fargeblindhet) på 18 år og eldre vil bli rekruttert ved å bruke University of New Mexico (UNM) Clinical and Translational Science Center (CTSC) Clinical Research Volunteer Registry HRRC-06412. Informert samtykke, deltakerdemografi, tidligere medial og visuell historie, og en generell synsundersøkelse vil bli innhentet ved hjelp av CTSC-forskningskoordinatoren. Hver deltaker vil bli plassert i et mørkt rom i en time for å tillate optimal mørketilpasning av øyet. Etterforskerne vil bruke en bredspektret lyskilde med bølgelengdespesifikke båndpassfiltre med forskjellige IR-bølgelengder. Totalt 12 filtre vil bli brukt fra 850 nm til 1400 nm. Intensitetskurver vil bli bygget for hver bølgelengde, ved å bremse opp med å skru opp strømmen til deltakeren indikerer en visuell respons på stimulansen.

Dataanalyse for mål 1: Data vil bli analysert av etterforskerne. Beskrivende statistikk vil bli brukt til å evaluere demografi, generell og visuell helseinformasjon og rapporterte optimale bølgelengder. Etterforskernes analyse vil sammenligne forskjellene mellom svarene for hver bølgelengde. Så vidt etterforskerne vet har det ikke vært studier som har evaluert hvilken IR-bølgelengde som er optimal for menneskelig visuell persepsjon, og derfor antar etterforskerne en lav effektstørrelse på 10 %, noe som ville gi en 82 % sjanse for at minst to av 30 friske deltakere gir en foretrukket respons på en spesifikk bølgelengde. Etterforskerne vil beskrive de estimerte effektstørrelsene som svar på funnene.

Forventede resultater for mål 1: Etterforskerne forventer at det menneskelige øyet oppfatter en rekke IR-bølgelengder, men har en spesifikk bølgelengde som er optimal når det gjelder lysstyrke.

Potensielle problemer og alternative strategier for mål 1: For å forhindre skjevhet ved prøvetaking planlegger etterforskerne å skaffe et representativt utvalg fra New Mexico; deltakerne kan imidlertid være yngre og mer utdannet enn befolkningen generelt. Forvirrende skjevhet av lysforurensning kan oppstå, noe som vil forhindre mørketilpasning og redusere IR-følsomheten. Et fotometer vil vurdere rommet for bakgrunnsfotoner.

MÅL 2: Å teste den elektrofysiologiske responsen på IR hos friske mennesker etter mørketilpasning.

Introduksjon for mål 2: Målet med dette målet er å bestemme stedet for IR-transduksjon i synsbanen. For å oppnå dette målet vil etterforskerne teste arbeidshypotesen om at IR fremkaller en amplitudeendring hos menneskelige forsøkspersoner på ERG- og VEP-tester etter mørketilpasning. Etterforskerne vil teste arbeidshypotesen med en klinisk studie der den elektrofysiologiske visuelle responsen på grunnlinjen av synlig lys sammenlignes med IR. Etterforskernes begrunnelse for dette målet er at den foreslåtte forskningen vil bidra til en viktig forståelse av en alternativ synsmekanisme. Det er viktig å undersøke denne veien for ytterligere å forstå generell visuell helse og for å demonstrere hvordan IR direkte fremkaller en visuell respons. Et slikt funn ville være viktig fordi det ville utvide det visuelt responsive lysspekteret til å inkludere IR.

Forskningsdesign for mål 2: Totalt 6 friske deltakere på 18 år og eldre vil bli rekruttert etter samme kriterier som i mål 1. Utforskerne vil samle inn samme dokumentasjon og helseinformasjon som i mål 1. Deltakerne vil bli testet i UNM Eye Clinic ved bruk av VEP og ERG både ved baseline og under mørketilpassede IR-forhold. Begge testene er ikke-invasive og anses som trygge. International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV) retningslinjer for kliniske VEP-er og full-field ERG-er vil bli fulgt. Disse protokollene vil bli utvidet for å teste IR-stimulus etter mørketilpasning. Total tid for deltakerne vil være 5 timer og hver vil delta kun én gang.

Dataanalyse for mål 2: Data vil bli analysert av etterforskerne. Beskrivende statistikk vil beskrive demografi og generell og visuell helseinformasjon. I henhold til ISCEV-protokollen, når de eksperimenterer utenfor de normale laboratorieområdene, vil etterforskerne ikke anta en normal fordeling. Rapporter vil spesifisere stimulus og registreringsparametere. Etterforskernes primæranalyse vil teste den underliggende sannsynligheten for en respons på stimulus ved å bruke binomiale fordelinger (HO = 0, HI > 0). Ved å bruke eksakte tester vil etterforskernes sekundære analyse sammenligne forskjeller mellom mørketilpasningstidsintervaller på 0, 15, 30, 45, 60 minutter for hver stimulustype, og den tertiære analysen vil sammenligne forskjeller mellom baseline og IR-stimulus ved hvert tidsintervall. Etterforskernes pilotdata og dyremodeller har vist en konsistent visuell respons på IR. Så vidt etterforskerne vet, har det imidlertid ikke vært noen elektrofysiologiske studier på en IR-stimulus hos mennesker. Dermed vil etterforskerne anta en lav effektstørrelse. Men på grunn av kostnadene for den diagnostiske testen er vi begrenset til 5 deltakere. Etterforskerne vil beskrive de estimerte effektstørrelsene som svar på funnet.

Forventede resultater for mål 2: Etterforskerne forventer en IR-respons i ERG og VEP hos mørketilpassede mennesker.

Potensielle problemer og alternative strategier for mål 2: Mål 2 deler de samme potensielle problemene som mål 1, og etterforskerne vil adressere disse på identisk måte. I tillegg kan kalibreringsskjevhet forekomme med ERG og VEP. Etterforskerne vil følge ISCEV-protokollene for begge disse testene. IR-forsøk kan kreve gjennomsnittlig ekstra stimulusrepetisjoner for å forbedre signal-til-støy-forholdet til ERG- og VEP-signaler. For å unngå skjevheter i tolkningen av resultater, vil etterforskerne bruke intra- og inter-pålitelighetssammenlikninger.

MÅL 3: Å teste den elektrofysiologiske responsen på IR hos mennesker med netthinnesykdommer eller skader etter mørketilpasning.

Introduksjon for mål 3: Målet med dette målet er å bestemme hvilket retinalcellelag som reagerer på IR og arten av TRP-kanalinvolvering. For å oppnå dette målet vil etterforskerne teste arbeidshypotesen om at IR ikke vil fremkalle en amplitudeendring i visse netthinnesykdommer. Etterforskerne vil teste arbeidshypotesen med en klinisk studie ved å teste den visuelle responsen på IR i visse netthinnesykdommer ved hjelp av ERG og VEP. Etterforskernes begrunnelse for dette målet er at den foreslåtte forskningen vil undersøke om visse netthinnesykdommer er visuelt følsomme for IR. Dette er viktig å undersøke fordi det kan tillate en annen tilnærming til visuell forskning på visse netthinnesykdommer. Et slikt funn vil være viktig fordi det kan gi grunnlag for en ny form for visuell protese.

Forskningsdesign for mål 3: Totalt tjuefem deltakere, eller fem per netthinnesykdom, vil bli rekruttert ved å bruke CTSC Clinical Research Volunteer Registry HRRC-06412. Netthinnesykdommer inkluderer retinitis pigmentosa, aldersrelatert makuladegenerasjon, medfødt stasjonær nattblindhet, grå stær. Fem deltakere med fargeblindhet vil også være med. Samme protokoll vil bli fulgt som i mål 2 for demografisk innsamling og ERG- og VEP-tester under baseline- og mørketilpassede forhold.

Dataanalyse for mål 3: I tillegg til å bruke samme type dataanalyse som i mål 2, vil resultater også sammenlignes mellom netthinnesykdommer og med friske deltakere.

Forventede resultater for mål 3: Etterforskerne forventer at en IR ikke vil fremkalle en respons på ERG og VEP i visse netthinnesykdommer etter mørketilpasning.

Potensielle problemer og alternative strategier for mål 3: Samme som i mål 2.