Visuell aktivitet framkallad av infraröd hos människor efter mörkeranpassning

BAKGRUND: Synnedsättning drabbar 285 miljoner människor världen över. Prevalensen av synnedsättning i USA förväntas öka från 3,3 miljoner år 2000 till 5,5 miljoner år 2020. Detta kommer att förvärra den nuvarande ekonomiska bördan av synförlust, som redan är 38,2 miljarder dollar per år i direkta och indirekta kostnader. Den främsta orsaken till blindhet i höginkomstländer beror på åldersrelaterad makuladegeneration (AMD), en sjukdom som leder till gradvis förlust av fotoreceptorcellskiktet. Uppskattningsvis 1,75 miljoner människor har AMD i USA och ytterligare 7,3 miljoner är i riskzonen. Viktigt, trots förlusten av fotoreceptorceller i AMD, förblir de andra cellulära lagren i näthinnan i stort sett intakta.

Näthinnan kantar baksidan av ögat och är sammansatt av strukturella lager. Det yttre kärnskiktet innehåller fotoreceptorer som kallas stavar och kottar. Det inre kärnskiktet inkluderar bipolära, horisontella och amakrina celler. Längst fram har gangliecellskiktet axoner som lämnar ögat som synnerven. Visuell bildbildning börjar när en foton av ljus kommer in i ögat, passerar genom alla näthinnans lager och absorberas av fotoreceptorcellerna. Dessa celler omvandlar ljusets foton till en elektrokemisk signal, som kommuniceras till bipolära celler, följt av ganglioncellerna. Här genereras en aktionspotential och fortplantas via synnerven till det område av hjärnan där synuppfattning sker. När ögat är mörkt anpassat, är cellerna i denna väg potentiellt mer känsliga för andra typer av stimuli, såsom IR. Utredarna tror att katjonkanaler som kallas TRP-kanaler i ganglionceller aktiveras av IR i detta mörka anpassade tillstånd, vilket skapar det visuella svaret på IR. Värme är en känd aktivator av vissa undertyper av dessa kanaler på andra ställen i kroppen. TRP-kanaler är också ansvariga för IR-seende hos pit huggormar och vampyrfladdermöss.

Palczewska et al. rapporterade att visuell perception till IR skedde genom en process av direkt tvåfotonisomerisering av visuella pigment. Andra bevis tyder dock på att IR-perception kan uppstå genom en IR-fotonabsorption. Studier som använder IR för att testa funktionaliteten hos implanterad synprotes har noterat ett större svar på IR i det icke-implanterade ögat jämfört med det implanterade ögat på både VEP-tester och ERG. På ERG hittades en specialiserad respons specifik för IR som kallas scotopic threshold response (STR). Detta svar inträffar under mörkeranpassade förhållanden och korrelerar med ett svar vid gangliecellskiktet. Direkt IR-aktivering av TRP-kanaler på ganglionceller kan initiera ett visuellt svar. Baserat på dessa fynd antar utredarna att det mänskliga svaret på IR under mörkeranpassning sker på nivån av gangliecellerna genom värmeaktiverade TRP-kanaler.

FORSKNINGSDESIGN SYFTE1: Att bestämma den optimala IR-våglängden för mänsklig visuell perception när den är mörkanpassad.

Inledning för mål 1: Syftet med detta mål är att bestämma den optimala våglängden för IR som det mänskliga ögat är känsligt för. För att uppnå detta mål kommer utredarna att testa arbetshypotesen att det friska mänskliga ögat, och de med färgblindhet, kommer att upptäcka en rad IR-våglängder, med en preferens för en specifik våglängd. Utredarna kommer att testa arbetshypotesen med hjälp av en bredspektrumljuskälla med våglängdsspecifika bandpassfilter i IR-området. Utredarnas motivering för detta mål är att förståelsen av den optimala IR-våglängden för det mänskliga ögat kommer att underlätta framtida undersökningar när man testar det visuella svaret på IR med diagnostisk utrustning. Detta är viktigt eftersom det kan påverka hur andra oftalmologiska metoder använder IR för att diagnostisera och behandla synpatologier.

Forskningsdesign för mål 1: Totalt friska 25 deltagare (15 med normal syn och 10 med färgblindhet) i åldern 18 och äldre kommer att rekryteras med hjälp av University of New Mexico (UNM) Clinical and Translational Science Center (CTSC) Clinical Research Volunteer Registry HRRC-06412. Informerat samtycke, deltagardemografi, tidigare medial och visuell historia och en allmän synundersökning kommer att erhållas med hjälp av CTSC-forskningskoordinatorn. Varje deltagare kommer att placeras i ett mörkt rum i en timme för att möjliggöra optimal mörkeranpassning av ögat. Utredarna kommer att använda en bredspektrat ljuskälla med våglängdsspecifika bandpassfilter med olika IR-våglängder. Totalt kommer 12 filter att användas från 850 nm till 1400 nm. Intensitetskurvor kommer att byggas för varje våglängd, genom att sakta upp kraften tills deltagaren indikerar ett visuellt svar på stimulansen.

Dataanalys för mål 1: Data kommer att analyseras av utredarna. Beskrivande statistik kommer att användas för att utvärdera demografi, allmän och visuell hälsoinformation och rapporterade optimala våglängder. Utredarnas analys kommer att jämföra skillnaderna mellan svaren för varje våglängd. Såvitt utredarna vet har det inte gjorts några studier som utvärderat vilken IR-våglängd som är optimal för mänsklig visuell perception, därför antar utredarna en låg effektstorlek på 10 %, vilket skulle ge en 82 % chans att minst två av 30 friska deltagare ger en föredraget svar på en specifik våglängd. Utredarna kommer att beskriva de uppskattade effektstorlekarna som svar på resultaten.

Förväntade resultat för mål 1: Utredarna förväntar sig att det mänskliga ögat ska uppfatta ett intervall av IR-våglängder, men har en specifik våglängd som är optimal när det gäller ljusstyrka.

Potentiella problem och alternativa strategier för mål 1: För att förhindra provtagningsbias planerar utredarna att skaffa ett representativt urval från New Mexico; dock kan deltagarna vara yngre och mer utbildade än befolkningen i allmänhet. Förvirrande fördomar av ljusföroreningar kan förekomma, vilket skulle förhindra mörkeranpassning och minska IR-känsligheten. En fotometer kommer att bedöma rummet för bakgrundsfotoner.

SYFTE 2: Att testa det elektrofysiologiska svaret på IR hos friska människor efter mörkeranpassning.

Inledning för mål 2: Syftet med detta mål är att bestämma platsen för IR-transduktion i synvägen. För att uppnå detta mål kommer utredarna att testa arbetshypotesen att IR framkallar en amplitudförändring hos mänskliga försökspersoner på ERG- och VEP-tester efter mörkeranpassning. Utredarna kommer att testa arbetshypotesen med en klinisk prövning där det elektrofysiologiska visuella svaret på baslinjen av synligt ljus jämförs med IR. Utredarnas motivering för detta mål är att den föreslagna forskningen kommer att bidra till en viktig förståelse av en alternativ synmekanism. Det är viktigt att undersöka denna väg för att ytterligare förstå allmän visuell hälsa och för att visa hur IR direkt framkallar ett visuellt svar. Ett sådant fynd skulle vara viktigt eftersom det skulle utöka det visuellt känsliga ljusspektrumet till att inkludera IR.

Forskningsdesign för mål 2: Totalt 6 friska deltagare i åldern 18 år och äldre kommer att rekryteras enligt samma kriterier som i mål 1. Utredarna kommer att samla in samma dokumentation och hälsoinformation som i mål 1. Deltagarna kommer att testas i UNM Eye Clinic med VEP och ERG både vid baslinjen och under mörkeranpassade IR-förhållanden. Båda testerna är icke-invasiva och anses säkra. International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV) riktlinjer för kliniska VEP och full-field ERGs kommer att följas. Dessa protokoll kommer att utökas för att testa IR-stimulansen efter mörkeranpassning. Total tid för deltagare kommer att vara 5 timmar och var och en deltar endast en gång.

Dataanalys för mål 2: Data kommer att analyseras av utredarna. Beskrivande statistik kommer att beskriva demografi och allmän och visuell hälsoinformation. Enligt ISCEV-protokollet kommer utredarna inte att anta en normal fördelning när de experimenterar utanför de normala laboratorieintervallen. Rapporter kommer att specificera stimulans och inspelningsparametrar. Utredarnas primära analys kommer att testa den underliggande sannolikheten för ett svar på stimulansen med hjälp av binomialfördelningar (HO = 0, HI > 0). Med hjälp av exakta tester kommer utredarnas sekundära analys att jämföra skillnader mellan mörka anpassningstidsintervall på 0, 15, 30, 45, 60 minuter för varje stimulustyp, och den tertiära analysen kommer att jämföra skillnader mellan baslinje- och IR-stimulans vid varje tidsintervall. Utredarnas pilotdata och djurmodeller har visat ett konsekvent visuellt svar på IR. Såvitt utredarna vet har det dock inte gjorts några elektrofysiologiska studier på en IR-stimulans hos människor. Utredarna kommer alltså att anta en låg effektstorlek. Men på grund av kostnaden för det diagnostiska testet är vi begränsade till 5 deltagare. Utredarna kommer att beskriva de uppskattade effektstorlekarna som svar på fyndet.

Förväntade resultat för mål 2: Utredarna förväntar sig ett IR-svar i ERG och VEP hos mörkeranpassade människor.

Potentiella problem och alternativa strategier för mål 2: Mål 2 delar samma potentiella problem som mål 1, och utredarna kommer att ta itu med dessa på ett identiskt sätt. Dessutom kan kalibreringsbias förekomma med ERG och VEP. Utredarna kommer att följa ISCEV-protokollen för båda dessa tester. IR-försök kan kräva i genomsnitt ytterligare stimulusrepetitioner för att förbättra signal-brusförhållandet för ERG- och VEP-signaler. För att undvika partiskhet i tolkningen av resultaten kommer utredarna att använda jämförelser mellan tillförlitlighet och internt.

SYFTE 3: Att testa det elektrofysiologiska svaret på IR hos människor med retinala sjukdomar eller skador efter mörkeranpassning.

Inledning för mål 3: Syftet med detta mål är att bestämma vilket näthinnecellskikt som svarar på IR och arten av TRP-kanalinblandning. För att uppnå detta mål kommer utredarna att testa arbetshypotesen att IR inte kommer att framkalla en amplitudförändring i vissa retinala sjukdomar. Utredarna kommer att testa arbetshypotesen med en klinisk prövning genom att testa det visuella svaret på IR i vissa retinala sjukdomar med hjälp av ERG och VEP. Utredarnas motivering för detta mål är att den föreslagna forskningen kommer att undersöka om vissa retinala sjukdomar är visuellt känsliga för IR. Detta är viktigt att undersöka eftersom det skulle kunna möjliggöra ett annat tillvägagångssätt för visuell forskning i vissa näthinnesjukdomar. Ett sådant fynd skulle vara viktigt eftersom det skulle kunna utgöra grunden för en ny form av synprotes.

Forskningsdesign för mål 3: Totalt tjugofem deltagare, eller fem per näthinnesjukdom, kommer att rekryteras med hjälp av CTSC Clinical Research Volunteer Registry HRRC-06412. Näthinnesjukdomar inkluderar retinitis pigmentosa, åldersrelaterad makuladegeneration, medfödd stationär nattblindhet, grå starr. Fem deltagare med färgblindhet kommer också att ingå. Samma protokoll kommer att följas som i mål 2 för demografisk insamling och ERG- och VEP-tester under baslinje- och mörkeranpassade förhållanden.

Dataanalys för mål 3: Förutom att använda samma typ av dataanalys som i mål 2 kommer resultat även att jämföras mellan näthinnesjukdomar och med friska deltagare.

Förväntade resultat för mål 3: Utredarna förväntar sig att en IR inte kommer att framkalla ett svar på ERG och VEP i vissa retinala sjukdomar efter mörkeranpassning.

Potentiella problem och alternativa strategier för mål 3: Samma som i mål 2.