Aktywność wizualna wywołana przez podczerwień u ludzi po adaptacji do ciemności

TŁO: Upośledzenie wzroku dotyka 285 milionów ludzi na całym świecie. Oczekuje się, że częstość występowania wad wzroku w Stanach Zjednoczonych wzrośnie z 3,3 miliona w 2000 roku do 5,5 miliona w 2020 roku. Zwiększy to obecne obciążenie ekonomiczne związane z utratą wzroku, które wynosi już 38,2 miliarda dolarów rocznie w kosztach bezpośrednich i pośrednich. Główną przyczyną ślepoty w krajach o wysokich dochodach jest związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej (AMD), choroba, która prowadzi do stopniowej utraty warstwy komórek fotoreceptorów. Szacuje się, że w Stanach Zjednoczonych na AMD choruje 1,75 miliona osób, a kolejne 7,3 miliona jest zagrożonych. Co ważne, pomimo utraty komórek fotoreceptorów w AMD, inne warstwy komórkowe w siatkówce pozostają w dużej mierze nienaruszone.

Siatkówka wyściela tylną część oka i składa się z warstw strukturalnych. Zewnętrzna warstwa jądrowa zawiera fotoreceptory zwane pręcikami i czopkami. Wewnętrzna warstwa jądrowa obejmuje komórki dwubiegunowe, poziome i amakrynowe. Najbardziej do przodu warstwa komórek zwojowych ma aksony, które wychodzą z oka jako nerw wzrokowy. Tworzenie obrazu wzrokowego rozpoczyna się, gdy foton światła dostaje się do oka, przechodzi przez wszystkie warstwy siatkówki i jest absorbowany przez komórki fotoreceptorów. Komórki te przetwarzają foton światła na sygnał elektrochemiczny, który jest przekazywany komórkom dwubiegunowym, a następnie komórkom zwojowym. Tutaj potencjał czynnościowy jest generowany i propagowany przez nerw wzrokowy do obszaru mózgu, w którym występuje percepcja wzrokowa. Kiedy oko jest przystosowane do ciemności, komórki w tym szlaku są potencjalnie bardziej wrażliwe na inne rodzaje bodźców, takie jak IR. Badacze uważają, że kanały kationowe zwane kanałami TRP w komórkach zwojowych są aktywowane przez IR w tym stanie przystosowanym do ciemności, tworząc wizualną reakcję na IR. Ciepło jest znanym aktywatorem niektórych podtypów tych kanałów w innych częściach ciała. Kanały TRP są również odpowiedzialne za widzenie w podczerwieni u żmij i nietoperzy-wampirów.

Palczewska i in. poinformowali, że wizualna percepcja IR nastąpiła w procesie bezpośredniej dwufotonowej izomeryzacji wizualnych pigmentów. Jednak inne dowody sugerują, że percepcja IR może zachodzić poprzez absorpcję pojedynczego fotonu IR. Badania wykorzystujące podczerwień do testowania funkcjonalności wszczepionych protez wzroku wykazały większą odpowiedź na podczerwień w oku bez implantu w porównaniu z okiem z implantem zarówno w testach VEP, jak i ERG. Na ERG stwierdzono wyspecjalizowaną odpowiedź specyficzną dla IR, zwaną skotopową odpowiedzią progową (STR). Ta odpowiedź zachodzi w warunkach przystosowanych do ciemności i koreluje z odpowiedzią w warstwie komórek zwojowych. Bezpośrednia aktywacja IR kanałów TRP na komórkach zwojowych może zainicjować odpowiedź wzrokową. Opierając się na tych odkryciach, badacze stawiają hipotezę, że reakcja człowieka na IR w warunkach adaptacji do ciemności zachodzi na poziomie komórek zwojowych poprzez aktywowane ciepłem kanały TRP.

PROJEKT BADAWCZY CEL 1: Określenie optymalnej długości fali podczerwieni dla percepcji wzrokowej człowieka w warunkach adaptacji do ciemności.

Wprowadzenie do Celu 1: Celem tego celu jest wyznaczenie optymalnej długości fali promieniowania podczerwonego, na jaką wrażliwe jest ludzkie oko. Aby osiągnąć ten cel, badacze przetestują hipotezę roboczą, że zdrowe oko ludzkie i osoby ze daltonizmem wykryją zakres długości fal podczerwieni, z preferencją dla określonej długości fali. Badacze przetestują hipotezę roboczą przy użyciu źródła światła o szerokim spektrum z filtrami pasmowoprzepustowymi specyficznymi dla długości fali w zakresie podczerwieni. Badacze uzasadniają ten cel tym, że poznanie optymalnej długości fali promieniowania podczerwonego ludzkiego oka pomoże w przyszłych badaniach podczas testowania reakcji wzrokowej na promieniowanie podczerwone za pomocą sprzętu diagnostycznego. Jest to ważne, ponieważ może wpłynąć na sposób, w jaki inne metody okulistyczne wykorzystują podczerwień do diagnozowania i leczenia patologii wzroku.

Projekt badawczy dla celu 1: W sumie 25 zdrowych uczestników (15 z normalnym wzrokiem i 10 z daltonistami) w wieku 18 lat i starszych zostanie zrekrutowanych za pomocą Rejestru Wolontariuszy Badań Klinicznych Centrum Nauki Klinicznej i Translacyjnej (CTSC) Uniwersytetu Nowego Meksyku (UNM) HRRC-06412. Świadoma zgoda, dane demograficzne uczestników, historia przyśrodkowa i wizualna w przeszłości oraz ogólne badanie wzroku zostaną uzyskane za pośrednictwem koordynatora badań CTSC. Każdy uczestnik zostanie umieszczony w zaciemnionym pokoju na godzinę, aby umożliwić optymalną adaptację oka do ciemności. Badacze wykorzystają źródło światła o szerokim spektrum z filtrami pasmowo-przepustowymi dla różnych długości fal podczerwieni. W sumie zastosowanych zostanie 12 filtrów o długości fali od 850 nm do 1400 nm. Krzywe intensywności zostaną utworzone dla każdej długości fali, poprzez spowolnienie zwiększania mocy, aż uczestnik wskaże wizualną reakcję na bodziec.

Analiza danych dla celu 1: Dane zostaną przeanalizowane przez badaczy. Statystyki opisowe zostaną wykorzystane do oceny danych demograficznych, ogólnych i wizualnych informacji o zdrowiu oraz zgłoszonych optymalnych długości fal. Analiza badaczy porówna różnice między odpowiedziami dla każdej długości fali. Zgodnie z wiedzą badaczy nie przeprowadzono badań oceniających, jaka długość fali podczerwieni jest optymalna dla ludzkiej percepcji wzrokowej, dlatego badacze zakładają małą wielkość efektu wynoszącą 10%, co dawałoby 82% szans, że co najmniej dwóch z 30 zdrowych uczestników udzieli preferowana reakcja na określoną długość fali. Badacze opiszą szacunkowe rozmiary efektu w odpowiedzi na ustalenia.

Oczekiwane wyniki dla celu 1: Badacze oczekują, że ludzkie oko będzie postrzegać zakres długości fal podczerwieni, ale będzie mieć określoną długość fali optymalną pod względem jasności.

Potencjalne problemy i alternatywne strategie dla celu 1: Aby zapobiec stronniczości pobierania próbek, badacze planują pozyskanie reprezentatywnej próbki z Nowego Meksyku; jednak uczestnicy mogą być młodsi i lepiej wykształceni niż ogół populacji. Może wystąpić myląca tendencja do zanieczyszczenia światłem, która uniemożliwiłaby adaptację do ciemności i zmniejszyła czułość IR. Fotometr oceni pomieszczenie pod kątem fotonów tła.

CEL 2: Zbadanie odpowiedzi elektrofizjologicznej na IR u zdrowych ludzi po adaptacji do ciemności.

Wprowadzenie do Celu 2: Celem tego celu jest określenie miejsca transdukcji IR w drodze wzrokowej. Aby osiągnąć ten cel, badacze przetestują hipotezę roboczą, że podczerwień wywołuje zmianę amplitudy u ludzi w testach ERG i VEP po adaptacji do ciemności. Badacze przetestują hipotezę roboczą w badaniu klinicznym, w którym elektrofizjologiczna reakcja wzrokowa na linię podstawową światła widzialnego jest porównywana z IR. Uzasadnieniem badaczy dla tego celu jest to, że proponowane badania przyczynią się do ważnego zrozumienia alternatywnego mechanizmu widzenia. Ważne jest zbadanie tej ścieżki, aby lepiej zrozumieć ogólny stan zdrowia wzroku i zademonstrować, w jaki sposób IR bezpośrednio wywołuje reakcję wzrokową. Takie odkrycie byłoby ważne, ponieważ rozszerzyłoby widzialne widmo światła o podczerwień.

Projekt badawczy dla Celu 2: W sumie 6 zdrowych uczestników w wieku 18 lat i starszych zostanie zrekrutowanych przy użyciu tych samych kryteriów, co w Celu 1. Badacze zbiorą taką samą dokumentację i informacje zdrowotne, jak w Celu 1. Uczestnicy zostaną przebadani w Klinice Okulistycznej UNM przy użyciu VEP i ERG zarówno w warunkach wyjściowych, jak iw warunkach IR dostosowanych do ciemności. Oba testy są nieinwazyjne i uważane za bezpieczne. Przestrzegane będą wytyczne Międzynarodowego Towarzystwa Elektrofizjologii Klinicznej Widzenia (ISCEV) dotyczące klinicznych VEP i pełnopolowych ERG. Protokoły te zostaną rozszerzone w celu przetestowania bodźca IR po adaptacji do ciemności. Łączny czas uczestników wyniesie 5 godzin, a każdy weźmie udział tylko raz.

Analiza danych dla Celu 2: Dane zostaną przeanalizowane przez badaczy. Statystyki opisowe opisują dane demograficzne oraz ogólne i wizualne informacje dotyczące zdrowia. Zgodnie z protokołem ISCEV, podczas eksperymentów poza normalnymi zakresami laboratoryjnymi, badacze nie zakładają rozkładu normalnego. Raporty będą określać parametry bodźca i zapisu. Podstawowa analiza badacza przetestuje podstawowe prawdopodobieństwo odpowiedzi na bodziec przy użyciu rozkładów dwumianowych (HO = 0, HI > 0). Korzystając z dokładnych testów, wtórna analiza badacza porówna różnice między przedziałami czasowymi adaptacji do ciemności wynoszącymi 0, 15, 30, 45, 60 minut dla każdego typu bodźca, a trzeciorzędna analiza porówna różnice między bodźcem linii podstawowej i IR w każdym przedziale czasowym. Dane pilotażowe badaczy i modele zwierzęce wykazały spójną reakcję wzrokową na IR. Jednak według wiedzy badaczy nie przeprowadzono badań elektrofizjologicznych nad bodźcem IR u ludzi. W związku z tym badacze przyjmą niski rozmiar efektu. Jednak ze względu na koszt badania diagnostycznego jesteśmy ograniczeni do 5 osób. Badacze opiszą szacunkowe rozmiary efektu w odpowiedzi na odkrycie.

Oczekiwane wyniki dla celu 2: Badacze spodziewają się odpowiedzi IR w ERG i VEP u ludzi przystosowanych do ciemności.

Potencjalne problemy i alternatywne strategie dla celu 2: Cel 2 ma te same potencjalne problemy co cel 1, a badacze rozwiążą je w identyczny sposób. Ponadto w przypadku ERG i VEP może wystąpić błąd kalibracji. Badacze będą postępować zgodnie z protokołami ISCEV dla obu tych testów. Próby IR mogą wymagać uśrednienia dodatkowych powtórzeń bodźców w celu poprawy stosunku sygnału do szumu sygnałów ERG i VEP. Aby uniknąć stronniczości w interpretacji wyników, badacze wykorzystają porównania wewnątrz i między wiarygodnościami.

CEL 3: Zbadanie odpowiedzi elektrofizjologicznej na IR u ludzi z chorobami siatkówki lub urazami po adaptacji do ciemności.

Wprowadzenie do Celu 3: Celem tego celu jest określenie, która warstwa komórek siatkówki odpowiada na IR i charakter zaangażowania kanału TRP. Aby osiągnąć ten cel, badacze przetestują hipotezę roboczą, że podczerwień nie wywoła zmiany amplitudy w niektórych chorobach siatkówki. Badacze przetestują hipotezę roboczą w badaniu klinicznym, badając wzrokową reakcję na IR w niektórych chorobach siatkówki przy użyciu ERG i VEP. Uzasadnieniem badaczy dla tego celu jest to, że proponowane badania zbadają, czy niektóre choroby siatkówki są wzrokowo wrażliwe na IR. Jest to ważne do zbadania, ponieważ może pozwolić na inne podejście do badań wizualnych w niektórych chorobach siatkówki. Takie odkrycie byłoby ważne, ponieważ mogłoby stanowić podstawę dla nowej formy protezy wzroku.

Projekt badawczy dla celu 3: Łącznie dwudziestu pięciu uczestników, czyli pięciu na każdą chorobę siatkówki, zostanie zrekrutowanych przy użyciu Rejestru Wolontariuszy Badań Klinicznych CTSC HRRC-06412. Choroby siatkówki obejmują barwnikowe zwyrodnienie siatkówki, związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej, wrodzoną nieruchomą ślepotę nocną, zaćmę. Uwzględnionych zostanie również pięciu uczestników ze daltonizmem. Ten sam protokół zostanie zastosowany, jak w celu 2, w przypadku gromadzenia danych demograficznych oraz testów ERG i VEP w warunkach wyjściowych i dostosowanych do ciemności.

Analiza danych dla Celu 3: Oprócz wykorzystania tego samego typu analizy danych, co w Celu 2, wyniki zostaną również porównane między chorobami siatkówki i zdrowymi uczestnikami.

Oczekiwane wyniki dla celu 3: Badacze spodziewają się, że IR nie wywoła odpowiedzi na ERG i VEP w niektórych chorobach siatkówki po przystosowaniu się do ciemności.

Potencjalne problemy i alternatywne strategie dla Celu 3: Tak samo jak w Celu 2.