Зрительная активность, вызванная инфракрасным излучением у людей после адаптации к темноте

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Нарушениями зрения страдают 285 миллионов человек во всем мире. Ожидается, что распространенность нарушений зрения в США вырастет с 3,3 миллиона в 2000 году до 5,5 миллиона в 2020 году. Это усугубит текущее экономическое бремя потери зрения, которое уже составляет 38,2 миллиарда долларов в год в виде прямых и косвенных затрат. Основной причиной слепоты в странах с высоким уровнем дохода является возрастная дегенерация желтого пятна (AMD), заболевание, которое приводит к постепенной утрате слоя фоторецепторных клеток. По оценкам, в США насчитывается 1,75 миллиона человек с AMD, и еще 7,3 миллиона находятся в группе риска. Важно отметить, что, несмотря на потерю фоторецепторных клеток при ВМД, другие клеточные слои сетчатки остаются практически интактными.

Сетчатка выстилает заднюю часть глаза и состоит из структурных слоев. Внешний ядерный слой содержит фоторецепторы, называемые палочками и колбочками. Внутренний ядерный слой включает биполярные, горизонтальные и амакриновые клетки. Самый передний слой ганглиозных клеток имеет аксоны, которые выходят из глаза в виде зрительного нерва. Формирование зрительного изображения начинается, когда фотон света попадает в глаз, проходит через все слои сетчатки и поглощается фоторецепторными клетками. Эти клетки преобразуют фотон света в электрохимический сигнал, который передается биполярным клеткам, за которыми следуют ганглиозные клетки. Здесь генерируется потенциал действия и распространяется через зрительный нерв в область мозга, где происходит зрительное восприятие. Когда глаз адаптирован к темноте, клетки этого пути потенциально более чувствительны к другим типам стимулов, таким как IR. Исследователи полагают, что катионные каналы, называемые каналами TRP в ганглиозных клетках, активируются ИК в этом адаптированном к темноте состоянии, создавая визуальный ответ на ИК. Тепло является известным активатором определенных подтипов этих каналов в других частях тела. Каналы TRP также отвечают за ИК-зрение у гадюк и летучих мышей-вампиров.

Пальчевская и др. сообщили, что зрительное восприятие ИК происходило посредством процесса прямой двухфотонной изомеризации зрительных пигментов. Однако другие данные свидетельствуют о том, что восприятие ИК-излучения может происходить за счет поглощения одного фотона ИК-излучения. Исследования, в которых используется ИК для проверки функциональности имплантированных зрительных протезов, отметили большую реакцию на ИК в неимплантированном глазу по сравнению с имплантированным глазом как в тестах ЗВП, так и в ЭРГ. На ЭРГ была обнаружена специализированная реакция, специфичная для ИР, называемая скотопической пороговой реакцией (STR). Этот ответ возникает в условиях адаптации к темноте и коррелирует с ответом на уровне ганглиозных клеток. Прямая ИК-активация каналов TRP на ганглиозных клетках может инициировать зрительный ответ. Основываясь на этих выводах, исследователи предполагают, что реакция человека на ИК при адаптации к темноте происходит на уровне ганглиозных клеток через активируемые теплом каналы TRP.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ 1: Определить оптимальную длину волны ИК-излучения для визуального восприятия человека при адаптации к темноте.

Введение для цели 1: Целью этой цели является определение оптимальной длины волны ИК-излучения, к которой чувствителен человеческий глаз. Для достижения этой цели исследователи проверят рабочую гипотезу о том, что здоровый человеческий глаз и люди с дальтонизмом обнаруживают диапазон длин волн ИК-излучения, отдавая предпочтение определенной длине волны. Исследователи проверят рабочую гипотезу, используя источник света широкого спектра с полосовыми фильтрами для конкретных длин волн в ИК-диапазоне. Обоснование этой цели исследователями заключается в том, что понимание оптимальной длины волны ИК-излучения человеческого глаза поможет в будущих исследованиях при тестировании зрительной реакции на ИК-излучение с использованием диагностического оборудования. Это важно, потому что это может повлиять на то, как другие офтальмологические методы используют ИК для диагностики и лечения зрительных патологий.

План исследования для цели 1: в общей сложности 25 здоровых участников (15 с нормальным зрением и 10 с дальтонизмом) в возрасте 18 лет и старше будут набраны с использованием Реестра клинических исследований Центра клинических и трансляционных исследований (CTSC) Университета Нью-Мексико (UNM). HRRC-06412. Информированное согласие, демографические данные участников, предыдущая медицинская и зрительная история, а также общий осмотр глаз будут получены с помощью координатора исследований CTSC. Каждый участник будет помещен в темную комнату на час, чтобы обеспечить оптимальную темновую адаптацию глаза. Исследователи будут использовать источник света широкого спектра с полосовыми фильтрами для разных длин волн ИК-излучения, зависящими от длины волны. Всего будет использовано 12 фильтров в диапазоне от 850 нм до 1400 нм. Кривые интенсивности будут построены для каждой длины волны путем замедления увеличения мощности до тех пор, пока участник не покажет визуальную реакцию на стимул.

Анализ данных для цели 1: данные будут проанализированы исследователями. Описательная статистика будет использоваться для оценки демографических данных, общей и визуальной информации о состоянии здоровья, а также сообщаемых оптимальных длин волн. Анализ следователей сравнит различия между ответами для каждой длины волны. Насколько известно исследователям, не проводилось исследований, оценивающих, какая длина волны ИК-излучения оптимальна для зрительного восприятия человека, поэтому исследователи предполагают низкий размер эффекта 10%, что дает 82%-ную вероятность того, что по крайней мере двое из 30 здоровых участников дадут предпочтительный отклик на определенную длину волны. Исследователи описывают предполагаемые размеры эффекта в ответ на полученные данные.

Ожидаемые результаты для цели 1. Исследователи ожидают, что человеческий глаз воспринимает диапазон длин волн инфракрасного излучения, но имеет определенную длину волны, оптимальную с точки зрения яркости.

Потенциальные проблемы и альтернативные стратегии для цели 1: Чтобы предотвратить систематическую ошибку выборки, исследователи планируют получить репрезентативную выборку из Нью-Мексико; однако участники могут быть моложе и более образованны, чем население в целом. Может возникать смещение смещения из-за светового загрязнения, которое препятствует адаптации к темноте и снижает чувствительность к ИК-излучению. Фотометр оценит помещение на наличие фоновых фотонов.

ЦЕЛЬ 2: Проверить электрофизиологический ответ на ИК у здоровых людей после адаптации к темноте.

Введение для цели 2: Цель этой цели состоит в том, чтобы определить место передачи IR в зрительном пути. Для достижения этой цели исследователи проверят рабочую гипотезу о том, что ИК вызывает изменение амплитуды у людей в тестах ЭРГ и ЗВП после адаптации к темноте. Исследователи проверят рабочую гипотезу клиническим испытанием, в котором электрофизиологическая визуальная реакция на исходный уровень видимого света сравнивается с ИК. Исследователи обосновывают эту цель тем, что предлагаемое исследование будет способствовать важному пониманию альтернативного механизма зрения. Важно исследовать этот путь, чтобы лучше понять общее состояние зрения и продемонстрировать, как ИК непосредственно вызывает зрительную реакцию. Такое открытие было бы важно, потому что оно расширило бы зрительно чувствительный световой спектр, включив в него ИК-излучение.

Дизайн исследования для цели 2: в общей сложности 6 здоровых участников в возрасте 18 лет и старше будут набраны с использованием тех же критериев, что и в цели 1. Исследователи будут собирать ту же документацию и информацию о здоровье, что и в цели 1. Участники будут протестированы в глазной клинике UNM с использованием VEP и ERG как на исходном уровне, так и в адаптированных к темноте условиях IR. Оба теста неинвазивны и считаются безопасными. Будут соблюдаться рекомендации Международного общества клинической электрофизиологии зрения (ISCEV) для клинических ЗВП и полнопольных ЭРГ. Эти протоколы будут расширены для проверки ИК-стимула после адаптации к темноте. Общее время для участников составит 5 часов, и каждый будет участвовать только один раз.

Анализ данных для цели 2: данные будут проанализированы следователями. Описательная статистика будет описывать демографические данные, а также общую и визуальную информацию о здоровье. В соответствии с протоколом ISCEV, при проведении экспериментов за пределами нормальных лабораторных диапазонов исследователи не будут исходить из нормального распределения. В отчетах будут указаны параметры стимула и записи. Первичный анализ исследователей проверит основную вероятность реакции на стимул с использованием биномиальных распределений (HO = 0, HI > 0). Используя точные тесты, вторичный анализ исследователей будет сравнивать различия между временными интервалами адаптации к темноте 0, 15, 30, 45, 60 минут для каждого типа стимула, а третичный анализ будет сравнивать различия между исходным уровнем и ИК-стимулом в каждом временном интервале. Экспериментальные данные исследователей и модели животных продемонстрировали последовательную визуальную реакцию на ИК. Однако, насколько известно исследователям, электрофизиологических исследований ИК-стимула у людей не проводилось. Таким образом, исследователи предполагают низкий размер эффекта. Однако из-за стоимости диагностического теста мы ограничены 5 участниками. Исследователи описывают предполагаемые размеры эффекта в ответ на открытие.

Ожидаемые результаты для цели 2. Исследователи ожидают ИР-ответа в ЭРГ и ЗВП у людей, адаптированных к темноте.

Потенциальные проблемы и альтернативные стратегии для цели 2: Цель 2 имеет те же потенциальные проблемы, что и цель 1, и исследователи будут решать их одинаковым образом. Кроме того, при использовании ERG и VEP может возникать погрешность калибровки. Исследователи будут следовать протоколам ISCEV для обоих этих тестов. В исследованиях ИР может потребоваться усреднение дополнительных повторений стимула для улучшения отношения сигнал/шум сигналов ЭРГ и ЗВП. Чтобы избежать предвзятости в интерпретации результатов, исследователи будут использовать внутренние и межнадежные сравнения.

ЦЕЛЬ 3: Проверить электрофизиологический ответ на ИК у людей с заболеваниями или травмами сетчатки после адаптации к темноте.

Введение для цели 3: Цель этой цели состоит в том, чтобы определить, какой слой клеток сетчатки отвечает на IR и характер участия канала TRP. Для достижения этой цели исследователи проверят рабочую гипотезу о том, что ИК не вызывает изменения амплитуды при определенных заболеваниях сетчатки. Исследователи проверят рабочую гипотезу в клинических испытаниях, проверяя зрительную реакцию на ИК при определенных заболеваниях сетчатки с помощью ЭРГ и ЗВП. Исследователи обосновывают эту цель тем, что предлагаемое исследование будет изучать, чувствительны ли определенные заболевания сетчатки к ИК-излучению. Это важно исследовать, потому что это может позволить другой подход к визуальным исследованиям при определенных заболеваниях сетчатки. Такое открытие было бы важно, потому что оно могло бы стать основой для новой формы зрительного протеза.

План исследования для цели 3: В общей сложности будет набрано двадцать пять участников, или пять участников на каждое заболевание сетчатки, с использованием Реестра добровольцев клинических исследований CTSC HRRC-06412. Заболевания сетчатки включают пигментный ретинит, возрастную дегенерацию желтого пятна, врожденную стационарную куриную слепоту, катаракту. Также будут включены пять участников с дальтонизмом. Будет применяться тот же протокол, что и в цели 2, для демографического сбора и тестов ERG и VEP в исходных и адаптированных к темноте условиях.

Анализ данных для цели 3: Помимо использования того же типа анализа данных, что и в цели 2, результаты также будут сравниваться между заболеваниями сетчатки и здоровыми участниками.

Ожидаемые результаты для цели 3. Исследователи ожидают, что ИР не вызовет ответа на ЭРГ и ЗВП при некоторых заболеваниях сетчатки после адаптации к темноте.

Возможные проблемы и альтернативные стратегии для цели 3: такие же, как и для цели 2.