• Ei tuloksia

Electrophysiology of visual pathways as a screening tool for neurodegenerative diseases : evidence from mouse disease models

N/A
N/A
Info
Lataa
Protected

Academic year: 2022

Jaa "Electrophysiology of visual pathways as a screening tool for neurodegenerative diseases : evidence from mouse disease models"

Copied!
113
0
0

Kokoteksti

(1)

 

   

         

Electrophysiology of Visual Pathways as a  Screening Tool for Neurodegenerative 

Diseases   

 

(2)
(3)

 

   

 

 

(4)
(5)

 

   

HENRI OLAVI LEINONEN

Electrophysiology of Visual Pathways as a  Screening Tool for Neurodegenerative 

Diseases 

 

Evidence from Mouse Disease Models 

   

         

To be presented by permission of the Faculty of Health Sciences, University of Eastern  Finland for public examination in Tietoteknia Auditorium, Kuopio Campus, on Friday, 

September 9th, 2016, at 12 noon   

Publications of the University of Eastern Finland   Dissertations in Health Sciences  

Number 364   

Department of Neurobiology, A.I. Virtanen Institute, Faculty of Health Sciences, University of  Eastern Finland 

Kuopio  2016

 

(6)

                       

     

Juvenes Print – Suomen Yliopistopaino Oy  Tampere, 2016 

 

Series Editors:  

Professor Tomi Laitinen, M.D. 

Institute of Clinical Medicine, Pathology  Faculty of Health Sciences 

 

Professor Hannele Turunen, Ph.D. 

Department of Nursing Science  Faculty of Health Sciences 

 

Professor Kai Kaarniranta, M.D., Ph.D. 

Institute of Clinical Medicine, Ophthalmology  Faculty of Health Sciences  

 

Associate Professor (Tenure Track) Tarja Malm, Ph.D. 

A.I. Virtanen Institute for Molecular Sciences  Faculty of Health Sciences 

 

Lecturer Veli‐Pekka Ranta, Ph.D. (pharmacy)  School of Pharmacy 

Faculty of Health Sciences   

Distributor:  

University of Eastern Finland  Kuopio Campus Library 

P.O.Box 1627  FI‐70211 Kuopio, Finland  http://www.uef.fi/kirjasto 

 

ISBN (print): 978‐952‐61‐2199‐4  ISBN (pdf): 978‐952‐61‐2200‐7 

ISSN (print): 1798‐5706  ISSN (pdf): 1798‐5714 

ISSN‐L: 1798‐5706

(7)

 

Author’s address:  Department of Neurobiology, A.I. Virtanen Institute for Molecular Sciences,  Doctoral Program of Molecular Medicine 

University of Eastern Finland  KUOPIO 

FINLAND   

Supervisors:  Professor Heikki Tanila, M.D., Ph.D. 

Department of Neurobiology, A.I. Virtanen Institute for Molecular Sciences  Doctoral Program of Molecular Medicine  

University of Eastern Finland  KUOPIO 

FINLAND   

Dr. Kestutis Gurevicius, Ph.D. 

Department of Neurobiology, A.I. Virtanen Institute for Molecular Sciences  Doctoral Program of Molecular Medicine  

University of Eastern Finland  KUOPIO 

FINLAND   

Reviewers:  Professor Hannu Uusitalo, M.D. 

Department of Ophthalmology  University of Tampere 

TAMPERE  FINLAND   

Dr. Frans Vinberg, Ph.D. (Tech.) 

Department of Ophthalmology & Visual Sciences  Washington University 

ST. LOUIS, MISSOURI 

UNITED STATES OF AMERICA   

 

Opponent:  Adjunct Professor Simo Vanni, M.D., Ph.D. 

Departments of Clinical Neurosciences & Neurology  University of Helsinki & Helsinki University Hospital  HELSINKI 

FINLAND 

(8)

                                                                                                             

(9)

 

Leinonen, Henri 

Electrophysiology of Visual Pathways as a Screening Tool for Neurodegnerative Diseases – Evidence from  Mouse Disease Models 

University of Eastern Finland, Faculty of Health Sciences 

Publications of the University of Eastern Finland. Dissertations in Health Sciences 364. 2016. 92 p. 

ISBN (print): 978‐952‐61‐2199‐4  ISBN (pdf): 978‐952‐61‐2200‐7  ISSN (print): 1798‐5706  ISSN (pdf): 1798‐5714  ISSN‐L: 1798‐5706   

ABSTRACT

This thesis work provides evidence of the utility of electrophysiological visual tests as  screening tools for neurodegenerative diseases using animal models of human diseases. 

The idea is based on the fact that the retina of the eye is an integral part of the central  nervous system (CNS) sharing a similar neurotransmitter system as the brain. Furthermore,  the eye can be studied comprehensively in a noninvasive fashion.  

  The project was started by setting up electroretinography and visually evoked  potential techniques that were spesifically tailored for studies in genetically modified mice. 

We then tested four different mouse mutant strains, modeling human diseases, for their  visual capabilities and compared functional findings to anatomical hallmarks.  

  In an R6/2 mouse model of Hungtington´s Disease (HD) we found early onset  (1 month) defect in cone‐mediated retinal function affecting later (2 months) also rod‐

pathway, which would ultimately lead to blindness. Although mutated toxic huntingtin  protein was prevalent in the retinas of R6/2 mice, no prominent anatomical abnormalities  were found even in the late stage of the disease. Our findings in R6/2 mice are consistent  with  reports on HD patients showing abnormality in color  vision,  but no anatomical  pathology  in  retinal  samples  post  mortem.  In  the  APPswe/PS1dE9  mouse  model  of  Alzheimer´s Disease we observed hastened rod‐mediated inner retinal responses in specific  conditions. The finding may be related to impaired cholinergic function, although we do  not  have  data  of  cholinergic  innervation  in  the  APPswe/PS1dE  mouse  retinas  yet.  

Importantly, APPswe/PS1dE9 mouse cortical vision seemed preserved supporting the use  of this mouse strain in behavioral testing. In the third study, we characterized a novel gene  defect affecting vision in mice already at a young age (5 months) and manifesting age‐

related macular degeneration (AMD) type of pathology with advancing age. Young mice  deficient  in  the  transmembrane  form  of  prolyl‐4‐hydroxylase  (P4H‐TM)  exhibited  impairment in cone‐mediated retinal function that did not seem to be progressive in nature. 

However, with age rod‐function showed impairment typical of AMD pathology. We also  found several other hallmarks of AMD‐like pathology by light and electron‐microscopy in  P4H‐TM null mouse retinal samples.   In the final study, we characterized the retinal  phenotype of CLN5 mice modeling the Finnish variant of Neuronal Ceroid Lipofuscinosis. 

The first functional defect (1 month) in CLN5 mice was found to arise from the retinal  pigment epithelium. Later, a full‐blown retinal pathology was observed that would finally  lead to blindness. The findings from CLN5 mice are in line with those of human patients.  

  In all of  the  neurodegenerative  disease  models studied,  we  found retinal  pathology that shares commonalities with corresponding human condition. Our findings  support the idea that for neurodegenerative diseases, which span from the retina to the rest  of the CNS, the eye examination serve as a potential screening tool.  

   

National Library of Medicine Classification: QT 34, WB 141, WL 307, WL 358.5, WW 103, WW 270   

Medical Subject Headings: Electrodiagnosis; Electroretinography; Evoked Potentials, Visual; Vision, Ocular; 

Visual  Pathways;  Visual  Cortex;  Eye;  Retina;  Disease  Models,  Animal;  Mice;  Central  Nervous  System/pathology; Neurodegenerative Diseases/diagnosis; Huntington Disease; Alzheimer Disease; Neuronal  Ceroid‐Lipofuscinoses 

(10)

       

(11)

 

Leinonen Henri 

Näköjärjestelmän sähköfysiologia seulontamenetelmänä hermostorappeumasairauksissa – todistusaineistoa  hiiritautimalleista 

Itä‐Suomen yliopisto, terveystieteiden tiedekunta 

Publications of the University of Eastern Finland. Dissertations in Health Sciences 364. 2016. 92 s. 

ISBN (print): 978‐952‐61‐2199‐4  ISBN (pdf): 978‐952‐61‐2200‐7  ISSN (print): 1798‐5706  ISSN (pdf): 1798‐5714  ISSN‐L: 1798‐5706   

TIIVISTELMÄ

Tämä  väitöskirjatyö  selvittää  sähköfysiologisten  näkötestien  soveltuvuutta  hermoston  rappeumasairauksien  diagnostiikassa  käyttäen  apuna  sairauksien  muuntogeenisiä  hiirimalleja. Johtoajatuksenamme oli se, että silmän verkkokalvo on kehityksellisesti osa  keskushermostoa. Merkittävää on myös, että verkkokalvoa voidaan tutkia kajoamattomin  keinoin. 

  Tutkimusprojektimme  alussa  pystytimme  elektroretinografia‐  ja  näköherätevastemenetelmät, jotka räätälöimme erityisesti hermoston rappeumasairauksien  hiirimalleilla  tehtävään  tutkimukseen.  Testasimme  näköjärjestelmän  toimintaa  neljällä  ihmisen  keskushermoston  sairautta  mallintavalla  muuntogeenisellä  hiirilinjalla  ja  vertasimme tuloksia anatomisiin löydöksiin.  

  Totesimme  Huntingtonin  taudin  (HT)  R6/2  hiirimallissa  varhaisen  tappisoluvälitteisen  verkkokalvon  toimintahäiriön,  joka  eteni  myöhemmin  myös  sauvasolujärjestelmään.  Vaikka  haitallista,  mutatoitunutta  huntingtiini‐proteiinia  löytyi  R6/2 hiirten verkkokalvoilta runsaasti, emme havainneet selviä anatomisia muutoksia edes  taudin  myöhäisvaiheessa.  Tuloksemme  ovat  linjassa  HT‐potilailla  saatujen  tutkimustulosten  kanssa,  joissa  on  raportoitu  värinäön  poikkeavuuksia,  mutta  ei  patologisia verkkokalvon rakenteellisia muutoksia kuoleman jälkeen. Alzheimerin taudin  APP/PS1  hiirimallissa  havaitsimme  nopeutuneet  sauvasoluvälitteiset  sisemmän  verkkokalvon  toiminnalliset  vasteet.  Löydös  voi  liittyä  heikentyneeseen  kolinergiseen  hermovälitykseen,  vaikka  meillä  ei  vielä  ole  näyttöä  mahdollisista  kolinergisen  hermotuksen  muutoksista  APP/PS1  hiirten  verkkokalvossa.  APP/PS1  hiirten  näköaivokuoren  toiminta  ei  kuitenkaan  ollut  heikentynyt.  Kolmannessa  osatyössä  karakterisoimme uuden geenipoikkeaman, joka vaikutti hiirten näköön jo nuorena ja johti  verkkokalvon ikärappeumaa (AMD) muistuttavaan tilaan hiirten ikääntyessä. P4H‐TM:n  suhteen  poistogeenisillä hiirillä  havaitsimme 5 kk  iässä  heikentyneet tappisoluvasteet,  mutta tämä poikkeavuus ei kuitenkaan näyttänyt etenevän hiirten ikääntyessä. Sen sijaan  sauvasolujen  toiminta  heikkeni  hiirillä  iän  myötä.    Lisäksi  löysimmme  useita  AMD‐

patologialle  tyypillisiä  muutoksia  valo‐  ja  elektronimikroskopialla  P4H‐TM  hiirten  verkkokalvonäytteistä.  Viimeisessä  osatyössä  selvitimme  neuronaalisen  seroidilipofuskinoosin  suomalaisvarianttia  mallintavan  CLN5  hiirilinjan  verkkokalvon  ilmiasua. Alkuvaiheessa verkkokalvon toimintahäiriö CLN5 hiirillä rajoittui verkkokalvon  pigmenttiepiteeliin.  Myöhemmin  ilmeni  täysimittainen  verkkokalvotauti,  joka  johti  sokeuteen. CLN5 hiirillä saadut tulokset ovat siten linjassa potilashavaintojen kanssa. 

  Löysimme verkkokalvomuutoksia kaikista tutkimistamme ihmisen hermoston  rappeumasairauksien  hiirimalleista.  Tutkimustuloksemme  tukevat  ajatusta  siitä,  että  silmäntutkimukset  ovat  lupaavia  diagnostisia  seulontatyökaluja  hermostorappeumasairauksissa,  jotka  ilmenevät  muun  keskushermoston  lisäksi  myös  verkkokalvolla.   

Luokitus: QT 34, WB 141, WL 307, WL 358.5, WW 103, WW 270   

Yleinen  Suomalainen  asiasanasto:  elektrofysiologia;  diagnostiikka;  näkö;  aivot;  aivokuori;  silmät; 

verkkokalvo; koe‐eläinmallit; hiiret; keskushermosto; neurodegeneratiiviset sairaudet; Huntingtonin tauti; 

Alzheimerin tauti; NCL‐taudit 

(12)

                     

“An animal´s eyes have the power to speak a great language”

 

 

(Martin Buber, 1878‐1965)   

(13)

   

Acknowledgements 

This research project was conducted in the Department of Neurobiology in A.I. 

Virtanen  Institute  in  University  of  Eastern  Finland  (UEF).  The  Doctoral  Program  of  Molecular Medicine (DPMM at UEF) provided main a majority of funding during the years  2012‐2015. The project was partially  funded by  the Eye and Tissue  Bank Foundation  (Finland),  Kuopio  University  Foundation  and  Finnish  Cultural  Foundation  through  personal research grants. The Finnish Pharmacists Association, Finnish Pharmacological  Society, Brain Research Society of Finland, DPMM and Faculty of Health Sciences at UEF 

provided traveling grant support.         

  I express my sincere gratitude and respect to my principal supervisor Professor  Heikki Tanila, for offering me the opportunity to join his research team. You provided the  knowledge about  how the scientific world works to me, inside and out. You always  supported me when I needed help. You never suppressed my ideas. Instead, you gave me  the opportunity to explore and be creative. I sincerely thank my second supervisor Dr. 

Kestutis Gurevicius for support, especially in the initial phase of this project. Without you  setting up the primary methodology of this thesis would have been a long and rocky road  and I would not be able to graduate in time.       

  I would like to thank the official pre‐examiners of this thesis, Professor Hannu  Uusitalo and Dr. Frans Vinberg, for their excellent comments and legitimate critique to the 

manuscript.        

  I owe many thanks to Dr. Arto Lipponen who was never my official thesis  supervisor but still used a lot of his time to teach me how to work in an electrophysiology  lab. You also taught me many ´secrets´ of grant proposal writing. Many thanks to the whole  team contributing to our ´grant writing clinic´ meetings. I actually was awarded by a couple 

of personal grants, finally.         

  I wish to thank the former and current members of Neurobiology of Memory  group for all your friendship and support. Especially, Dr. Irina Gureviciene, Pasi Miettinen  and Henna Koivisto, who provided excellent technical assistance and guidance during my 

PhD studies.       

  Completing this project would not have been possible without outstanding  collaborations  with  other  research  groups.  First,  I  would  like  to  thank  Dr.  Giedrius  Kalesnykas, CEO of Experimentica Ltd, for providing me the opportunity to join forces in  the Publication I of this thesis project as well as enabling the commercial use of the ERG  and VEP methodology, which were set up during this project. Symantas Ragauskas, with  whom I shared main authorship in Publication I, and the other members of Dr. Kalesnykas´ 

gang,  have  also  had  a  crucial  role  in  my  PhD  project  especially  in  guiding  in  immunohistochemical assays. Many thanks belong to all of them.   

  I am extremely grateful for being accepted to contribute to research led by  Professors Peppi Karppinen and Johanna Myllyharju (University of Oulu). Publication III of  this thesis project was our joint‐project, and there will be other great publication(s) to come. 

I would also like to thank Professor Ari Koskelainen (Aalto University) for accepting me for  a  laboratory visit  in  his lab, and Marja Pitkänen  for  ex vivo ERG recordings, which 

complemented Publication III.         

(14)

  I am thankful to Professor Jari Koistinaho for letting me to conduct research in  his laboratory and I am especially grateful for Dr. Katja Kanninen for leading the work on  Publication  IV  of  this  project,  Velta  Keksa‐Goldsteine  for  the  crucial  Western  Blot  experiments and Mirka Tikkanen for excellent technical guidance. I also thank Mikko  Huuskonen for personal friendship and scientific help, and Dr. Tarja Malm for journalist´s 

work and scientific advice.         

  I owe thanks to all the co‐authors in my publications and manuscripts. Three  out of four of the publications contributing to my PhD thesis were joint‐projects with other  research groups and would not have been completed without everyone´s valuable work.

  During my PhD studies I was privileged to supervise several excellent Bachelor  and Master of Science students. Henna‐Riikka Lipponen, Okko Alitalo, Petteri Stenroos,  Philip Kohlmann, Mari Puurula, Elina Moilanen and Anna Matilainen, I am convinced that  you will have successful careers whether it is within academic world or beyond. 

  I wish to express my warm gratitude to all my friends and colleagues. You  helped me to remain sane even in the darkest times of my PhD studies providing support  and solace. I would like to thank Sakke and Mikko (the three of us comprising “The Keyot” 

group) for all the sauna and beer nights, which were excellent in decoupling from work  stress. I express my warmest gratitude to Emilia for her love, support and understanding  when I was struggling with the rugged, last steps of my PhD studies.   

  Finally, I thank my mom Anneli and dad Erkki for providing the support that I  needed. When I was growing‐up you never questioned my life‐choices and you never  judged my decisions. You let me to choose my own path and here I am. Similar thanks goes 

to my big sisters Henna and Heidi.          

   

 

  Kuopio, August 2016 

    Henri Leinonen 

(15)

   

List of the original publications  

 

This dissertation is based on the following original publications:  

   

I Ragauskas  S,  Leinonen  H,  Puranen  J,  Rönkkö  S,  Nymark  S,  Gurevicius  K,  Lipponen A, Kontkanen O, Puoliväli J, Tanila H, Kalesnykas G. Early retinal  function deficit without prominent morphological changes in the R6/2 mouse  model of Huntington´s Disease. PLoS One 9(12):e113317, 2014. 

II Leinonen  H,  Lipponen  A,  Gurevicius  K,  Tanila  H.  Normal  amplitude  of  electroretinography and visual evoked potential responses in AΒPP/PS1 mice. 

Journal of Alzheimer´s Disease 51(1):21‐16, 2016.

III Leinonen H, Rossi M, Salo AM, Tiainen P, Hyvärinen J, Pitkänen M, Sormunen R,  Miinalainen I, Zhang C, Soininen R, Kivirikko KI, Koskelainen A, Tanila H,  Myllyharju  J, Koivunen P. P4H‐TM deficiency in mice results in age‐related  retinal and renal alterations in mice. Human Molecular Genetics, July 27, 2016. Doi: 

1093/hmg/ddw228 [epub ahead of print].

IV Leinonen H, Keksa‐Goldsteine V, Ragauskas S, Kohlmann P, Singh Y, Savchenko  E, Puranen J, Malm T, Kalesnykas G, Koistinaho J, Tanila H, Kanninen K. Retinal  degeneration in a mouse model of late infantile neuronal ceroid lipofuscinosis is  associated with compromised autophagy. Submitted. 

   

The publications were adapted with the permission of the copyright owners. 

         

 

(16)

                                                   

(17)

 

Contents

 

1 INTRODUCTION ... 1 

2 VISUAL PATHWAYS AND VISUAL PROCESSING ... 3 

2.1 Mouse eye in comparison to humans ... 3 

2.2 Functional architecture of the mammalian retina ... 5 

2.2.2 Retinal glial cells ... 10 

2.3 Functional organization of the primary visual pathways in rodents and primates ... 11 

2.3.1 Parallel visual pathways of mammalian visual system ... 13 

2.3.2 Response patterns of primary visual cortical neurons ... 14 

3 ELECTROPHYSIOLOGY OF VISUAL PATHWAYS IN MOUSE ... 16 

3.1 Electroretinography (ERG) ... 16 

3.1.1 Physical basis of ERG ... 17 

3.1.2 Origins of major ERG components ... 18 

3.1.3 Retinal ganglion cell sensitive ERG components ... 21 

3.2 Pattern electroretinography (PERG) ... 23 

3.2.1 Cellular origins and utility of PERG ... 23 

3.2.2 Major sources of error in PERG ... 26 

3.3 Visually evoked potentials (VEPs) ... 27 

3.3.1 VEP applications in man and mouse ... 29 

4 VISUAL PATHOLOGY IN NEURODEGENERATIVE DISEASES ... 31 

4.1 Huntington´s Disease – is the eye affected? ... 31 

4.2 Manifold visual abnormalities in Alzheimer´s Disease ... 33 

4.3 Children´s Neuronal Ceroid Lipofuscinosis is characterized by vision loss ... 37 

5 AIMS OF THE STUDY ... 41 

6 MATERIAL & METHODS ... 42 

6.1 Animals ... 42 

6.2 Electroretinography (ERG) ... 43 

6.2.1 Electrodes ... 43 

6.2.2 Protocol & stimulation ... 45 

6.2.3 Isolation of rod and cone‐spesific responses ... 46 

6.2.4 Data analysis ... 47 

6.3 Visually evoked potentials (VEPs) ... 48 

6.3.1 Data analysis ... 48 

6.3.1 Surgical procedures & electrode implantation ... 48 

6.4 Electrophysiological data acquisition ... 50 

6.5 Induced disease models ... 50 

6.6 Tissue processing ... 51 

6.7 Histology & immunohistochemistry ... 51 

6.8 Microscopy & stereology ... 53 

6.9 Statistical analysis ... 53 

7 RESULTS ... 54 

7.1 Comparison of ketamine‐medetomidine and isoflurane anesthesia in ERG ... 54 

7.2 ERG responses indicate anatomical location of retinal damage ... 56 

2.2.1 Retinal neurotransmitters...10

(18)

7.3 Validation of visually evoked potentials ... 57 

7.4 Early onset retinal dysfunction in HD mice ... 60 

7.5 Subtle change in ERG kinetics in AD mice ... 60 

7.6 P4H‐TM deficiency affects vision in mice ... 61 

7.7 Robust retinal degeneration in CLN5 deficient mice ... 62 

8 DISCUSSION ... 64 

8.1 Versatile ERG‐VEP system for rodents ... 65 

8.2 An optimal system for rodent visual electrophysiology? ... 66 

8.3 Translational perspectives from mouse models ... 67 

8.3.1 Retinal pathology in HD mice is pronounced compared to human condition ... 68 

8.3.2 Subtle ERG change in AD mice may reflect cholinergic dysfunction ... 68 

8.3.3 P4H‐TM deficiency is a novel syndrome affecting vision ... 69 

8.3.4 CLN5 deficient mice represent retinopathy typical for human NCLs ... 70 

8.4 Indirect visualization of brain damage through the eyes – the rationale ... 71 

9 CONCLUSIONS ... 73 

10 REFERENCES ... 74   

APPENDIXES: PUBLICATIONS I‐IV

         

 

       

   

 

 

   

 

 

 

(19)

 

Abbreviations 

 

Aβ  Amyloid‐beta protein  AD  Alzheimer´s Disease  AMD  Age‐related macular 

degeneration 

APP  Amyloid precursor protein  APP/PS1  APPswe/PS1dE9 mouse 

model of AD 

CLN5   Protein associated to Finnish  variant type of NCL 

cGMP  Cyclic guanosine  monophosphate 

CNS  Central nervous system  CPD  Cycles per degree   EEG  Electroencephalogram  ERG  Electoretinogram  FERG  Flash ERG 

FVEP  Flash VEP 

GM  Genetically modified  HD  Huntington´s Disease  Htt  Huntingtin protein  INL  Inner nuclear layer  IPL  Inner plexiform layer   IS  Inner segment 

ISI  Inter‐stimulus interval  KO  Knock‐out 

LGN  Lateral geniculate nucleus  LFP  Local field potential  

mHtt  Mutated huntingtin protein 

NCL  Neuronal ceroid  lipofuscinosis  OCT   Optical coherence 

tomography  ONC  Optic nerve crush  ONH  Optic nerve head  ONL  Outer nuclear layer  OPL    Outer plexiform layer  OP  Oscillatory potential  OS  Outer segment  PDE  Phosphodiesterase  PERG  Pattern ERG 

POS  Photoreceptor outer segment  PhNR  Photopic negative response  PVEP  Pattern VEP 

P4H‐TM  Transmembrane  form  of  prolyl‐4‐hydroxylase 

RGC  Retinal ganglion cell  RNFL  Retinal nerve fiber layer  RPE  Retinal pigment epithelium  R6/2  Mouse model of HD 

SC  Superior colliculus 

STR  Scotopic threshold response  VA   Visual acuity 

VEP  Visually evoked potential  V1  Primary visual cortex   WT  Wild‐type 

(20)

     

(21)

1 Introduction  

Two millenniums ago a philosopher took up a matter that has attracted life scientists now  only for decades. A famous quote by Cicero, a roman philosopher (106– 34 B.C.), went “Ut  imago est animi voltus sic indices oculi” —the face is a picture of the mind as the eyes are  its interpreter. A better‐known quote likely drawn from Cicero´s says, “The eyes are the  window to the soul“. Currently some researchers are on expedition to find out if the  popular quote could be extended: the eyes are the window to the soul – and to the brain.

  In the fetal development, the eyes develop from diencephalon and can be thus  considered as a part of central nervous system. This leads the retina of the eye and the brain  to share similar cell types and neurotransmitter system. Like the cerebral and cerebellar  cortices, the neural retina develops into a layered array of different neuronal types. Retinal  ganglion cells (RGCs) are neuronal cells that are the output station of the retina. They form  the optic nerve that sends visual information from the eye to the brain. Canonical lesson  from textbooks is that there are two important information flows within the retina: 1. a  vertically oriented photoreceptor  bipolar cell  RGC pathway where visual signals are  hierarchically relayed inwards to the retina, and 2. a horizontally oriented pathway where  horizontal cells and RGCs interplay to form visual contours. Today, however, the retina is  not  considered  that  simple.  The  RGCs  are  cabable  for  complex  computation  e.g.  for  direction  and  orientation  selectivity  (1).  Even  the  primary  visual  cortex  (V1)  was  traditionally believed to be merely a simple feature detector, a dogma that was overturned  lately. The mouse V1 is cabable of higher cortical functions, even forms of learning and 

memory (2).        

  Since Hubel and Wiesel published their Nobel winning discoveries from the  structure  of  primary  visual  cortex  in  cats  and  its  plastic  changes  upon  monocular  deprivation first in 1959 and in the 1960s, much of vision research had been conducted in  cats. For a long time, it was thought that nocturnal rodents barely use their vision in  navigation and their vision was believed to be very distinct from humans. This belief  rendered  rodent vision  as  useless  for  translational  research.  Since  the year  2000,  the  paradigm has completely shifted (Fig. 1). 

Fig 1. A graph of Pubmed hits with search combinations: “Cat AND vision” or “Mouse AND vision” illustrates the complete paradigm shift in vision research at around millennium change.

Since the year 2000 the amount of vision research reported in cats has slowly decreased whereas vision research conducted in mice has reached ~10-fold increase.

(22)

Although the mouse visual system lacks many of the fundamentals of the  human visual system, like the macula, and mouse visual acuity is admittedly poor, the  similarities between mouse and human systems outweigh the differences (3). Secondly,  genetic engineering of mouse genome is routine in molecular biology laboratories today,  and mouse mutant banks are being held and even mouse phenotyping clinics. This makes it  possible to investigate the effect of individual genes and gene mutants on mammalian 

vision in health and disease.         

  The  use of  genetically  modified  (GM)  mice in  vision and  ophthalmology  research is not a new concept anymore. However, only a handful of academic research  laboratories worldwide are using GM mice to seek if the eye could be used as a window  into  diseased  brain,  to  the  best  of  my  knowledge.  Most  brain  diseases;  including  Alzheimer´s and Parkinson´s diseases, have now been shown to manifest in the eye (4). In  fact, it seems a rule of thumb that if the brain homeostasis is altered, the retina will manifest  it. A concept of using vision research to facilitate brain disease screening and diagnosis is  not a new one either. For example, after Hinton and coworkers published a research article  representing  dramatically  degenerated  optic  nerves  from  Alzheimer´s  Disease  (AD)  patients´ post mortem samples (5), a considerable amount of research was directed to vision  research among AD. However, after three decades, we are still awaiting a break‐through. It  is notable that when vision research among AD was a hot topic a couple decades ago,  parallel translational research using GM mice was not yet plausible.  

  Nowadays, parallel vision research in mice and humans is highly feasible. 

Visual function of both man and mouse can be tested with similar methods and with  virtually the same protocols using electroretinogram (ERG) and visual evoked potential  (VEP) recordings. The former measures electrical signals from the corneal surface that are  generated in the retina whereas the latter measures the signals from the skull showing the  activation of the brain upon photic stimulation. Both methods are minimally invasive and  fairly  economical.  Moreover,  inspection  of  fine‐anatomy  of  the  human  retina  is  not  restricted to post mortem investigation as it is for the brain. The transparency of the eye  makes  the imaging  of the living retina superlative.  All major hospitals  in developed  countries  are  starting  to  obtain  an  optical  coherence  tomography  device  capable  of  computing anatomical parameters from the layered retina noninvasively. The safety of two‐

photon imaging of the living retina is being investigated (6), a technique that could enable  single‐cell image resolution. Most strikingly, whoever owns a smartphone, and an easily  available add‐on objective, can make a fundoscopy image of his/her own retina. Needless to  say, imaging of the retina will increase whether it is for diagnostic, research or leisure 

purposes.       

  At the center of this doctoral thesis is the concept of using electrophysiology of  visual pathways as a tool to study neurodegerative diseases. To provide background, the  anatomy and function of the visual system will be shortly reviewed and ERG and VEP  methodology will be briefly described. A brief review of key diseases to this thesis will be  provided as well. In the research section, the methodology that was set up in this thesis  project will be presented with some key findings as well as a summary of results from  original Publications I‐IV. Finally, the scientific evidence of the concept that the eye could  work as a window to diseased brain will be discussed with some future directions.  

 

(23)

 

2 Visual pathways and visual processing  

The mouse as nocturnal mammal does not utilize vision to the same extent as humans and  thus the evolution has shaped the visual system of these species different in many aspects. 

Vision research in mice, and nocturnal rodents in general, was considered pointless until  around late 1990s (3). However, to be able to monitor and manipulate neurons precisely the  use  of  mice  eventually  became  inescacable.  Today,  research  in  mice  unveils  basic  mechanisms  of  vision  and  even  more  mechanisms  of  disease  states  affecting  it  (7). 

However, the gaps between mouse and human visual systems need to be understood and  taken into account when applied to translational research. The next sub‐chapters will give a  comparative overview of mouse and human visual systems and a brief introduction to  functional architecture of the mammalian visual system, first at the level of the eye and  then the brain. 

 

2.1. MOUSE EYE IN COMPARISON TO HUMANS

The sensory visual experience starts in the eye where photons of visible light wavelengths  are transformed into electrical signals in the retina at the back of the eye. Light enters the  eye through cornea and lens that refract it. Ciliary muscle that can adjust the curvature of  the lens surround the lens. This process, accommodation, allows to adjust our visual focus  at different distances and to obtain clear images on the retina. In mice, the cornea is  relatively thick and the lens large, and accommodation does not play as important of a role  (8) (Fig. 2). The optical depth of field in mice is very large and aberrations of few diopters, a  nuisance in large population of humans, are unmeaningful. Contact lenses up to +/‐10  diopters  in  power  in  front  of  the  eye  have  not  been  shown  to  alter  visual  pattern  discrimination in C57BL mouse (9,10). 

Fig. 2. The structure of the mouse eye as compared to human. A: A schematic cross-section of human and mouse eyes. From outside the eye the light is focused through optical elements (cornea and lens) to the retina at the back of the eye. Humans focus their gaze so that the image falls on the macular region of eye. Fovea is responsible of the highest resolution vision containing only cone-photoreceptors. The mouse retina lacks macula/fovea, like most mammals, but it comprises increasing photoreceptor cell gradient from the peripheral to central retina (11).

As is common in noctural animals, the size of the cornea and even more the lens is pronounced in the mouse compared to the human eye (8). B:

Mouse retinal cross-section showing the layered anatomy of the retina. Light coming from the vitreous humor enters the retina at the ganglion

(24)

cell layer (GCL) side. Intuitively paradoxical, the electrical signals are generated at the back of the retina in the outer segments (OS) of photoreceptors. RPE, retinal pigment epithelium; IS, photoreceptor inner segments; ONL, outer nuclear layer (photoreceptor nuclei); OPL, outer plexiform layer; INL, inner nuclear layer; IPL, inner plexiform layer (Figure adapted from (12)).

Since the mouse is a nocturnal animal, its retina contains fewer cone (3 %) than  rod (97 %) photoreceptors. Indeed, the cones are responsible for color and day‐vision  whereas rods function in the dark. The spectral sensitivity of mouse rods peaks at around  500 nm (13). Mice have two types of cone photoreceptors that differ in their photopigments  and absorption spectra. One cone type is maximally sensitive to UV‐light at 360 nm, while  another detects better visible light at medium (M‐)wavelengths and has a peak sensitivity at  508 nm (14). On the other hand, in mice most cones are not genuinely UV‐ or M‐cones but  express both UV and M photopigments (15). The dual cones likely broaden the spectral  range to which mouse cones are sensitive and allow better vision in different spectral  compositions  of  ambient  light  (16).  Interestingly,  in  the  dorsal  retina  the  cones  are  maximally sensitive at 508 nm, while UV sensitive cones dominate in the ventral retina  (15,17). An evolutionary explanation for this organization is that the UV sensitive cones in  the ventral retina encode well contrasts in darkness and thus may be sky sensors for birds  of prey (15,18). According to this explanation, the M‐cones (sometimes referred to as M/L‐

cones in mice) in the dorsal retina are used to see the ground. In mice the UV‐sensitive  cones are often referred to as S‐cones. Since mice lack cones sensitive at long wavelengths  they are considered to be blind under dim red light conditions. Humans have three cone  photoreceptor types and different cone spectral sensitivities than mice (19). The human  cone spectral sensitivities are at 420 nm (blue), 531 nm (green), and 588 nm (red).  

  Despite the relatively small amount of cones in the mouse retina, the cones  appear to play an important role in mouse vision (20). In this respect, it should be noted  that also the human eye is on average rod‐dominant having only around 5 % of cones and  95 % rods (21). However, in the center of the human macula, in the fovea, cone density  increases almost by 200‐fold simultaneously as the rod density decreases. The centermost  part of the fovea, called foveola, is completely rod‐free. By contrast, in the mouse retina this  peripheral‐central  cone  gradient  is  mild  (11).  Nevertheless,  compared  to  humans  the  average density of rods and cones is large throughout the mouse retina. In the mouse  central retina the photoreceptor cell density is ~3‐4 times higher than in the human macula  (11).  This  is  worth  noting  when  modeling  human  retinopathies.  Given  the  high  photoreceptor cell density in the mouse retina the phagocytic load per retinal pigment  epithelium cell is higher in mice than in humans. Despite the obvious difference in the  central vision of mice and humans, mouse models of age‐related macular degeneration  (AMD), affecting  primarily  human  central vision,  are  invaluable  research tools  today 

(22,23).       

  In mice, a high convergence of photoreceptors to retinal ganglion cells (RGC)  and the small eye size result in a rather small number of RGCs, around 45 000 cells per  retina (24). However, the peak density of RGCs at 8000 cells/mm2 in the mouse appears  rather similar to the cat (25,26), a species that is traditionally used in vision research. In the  human central retina the peak RGC density is at around 35 000 cells/mmbut the density  declines quickly towards the peripheral retina (27). Around 50 % of the human RGCs are  located within 4.5 mm of the foveal center (16 deg), a region that comprises only 7.3 % of  the total retinal area. As a result, human visual acuity is high (~30 cycles of degree per 

(25)

 

visual angle, CPD) at the central retina but not so much better than that of rodents in the  peripheral retina (at eccentricities greater than around 12 deg) (28). The highest limit of  visual acuity set by the C57BL mouse retina is 50‐fold worse than in humans at 0.6 CPD  (9,29). However, visual pattern discrimination is not only determined by visual acuity but  also by contrast sensitivity. The peak contrast sensitivity of mice is surprisingly good at  around ~2 % compared to that of humans at ~0.5 % (30,31). Despite the differences between  the mouse and the human eye, the structure and function of the retina in mice and humans  is similar, especially at periphery (7,31). 

 

2.2 FUNCTIONAL ARCHITECTURE OF THE MAMMALIAN RETINA

The mammalian retina displays 10 distinct laminar layers under a light‐microscope (Figs. 2 

& 3, note the internal limiting membrane is missing in both images, it limits the nerve fiber  layer from the vitreous). Although the light enters from the RGC side of the retina, that side  is referred to as inner retina (proximal retina) and photoreceptor side as outer retina (distal  retina). The neural retina is circumscribed by retinal pigment epithelium (RPE) on the  photoreceptor side (Fig. 3.), and nerve fiber layer (NFL) on the RGC side of the retina. 

Energy and nutrient supplies of the retina reside immediately below the RPE and at the  NFL (32). Choriocapillaries below the RPE, i.e. choroid, receive massive blood flow and  they are vital for the high metabolic demand of the outer retina (33). The actual retinal  blood  flow enters from the central  retinal  artery from the optic nerve head forming  capillaries that nourish the inner retina (32). The blood flow in the choroid is manifold  compared to the blood flow inside the retina. The primary energy source to the retina is  provided by glucose. The retina has a high rate of anaerobic glycolysis even under basal  physiological  conditions,  but  it  can  switch  to  oxidative  metabolism  on  demand  (19). 

Photoreceptors  are  metabolically very  active due to  maintenance  of dark current, i.e. 

continuous repolarization after depolarization of cell membranes in the dark. In addition,  continuous phagocytosis of photoreceptor outer segment (POS) discs by the RPE, and their  renewal, uses a lot of energy. Because energy requirements are high, oxygen consumption  is also high. The capillary blood flow in the retina has been measured at 60 ml/min/100 g of  tissue in primates, being similar to the blood flow in the brain (34). In the choroid, the blood  flow is very high at 2000 ml/min/100 g of tissue (35), because the oxygen must diffuse from  here to the inner segments of photoreceptors where their mitochondria are located. Oxygen  usage by photoreceptors is 3‐4 times higher than in other CNS neurons (19). Thus hypoxic  state may impact the retina very quickly (36). 

(26)

  Fig. 3. Schematic image of the retina and rod and cone structures. A: The retinal pigment epithelium (RPE) has numerous supportive functions for the retina, one of the most important ones being continuous phagocytosis of photoreceptor outer segments. From the apical side of RPE start photoreceptors (rods and cones) that convert light to electrical signals. The photoreceptors synapse with bipolar and horizontal cells (modulatory cells providing lateral inhibition) at the outer plexiform layer, and the bipolar cells synaptically transmit the signal further to ganglion cells (or amacrine cells in primary rod-pathway and then to ganglion cells) at the inner plexiform layer. Ganglion cell axons run along the nerve fiber layer and finally form the optic nerve. Müller cells are radial glial cells that are present throughout the entire retina and have a crucial supportive function. B: The rod and cone photoreceptors consist of outer segment (OS), where the visual transduction (see Fig. 4) takes place, connected to inner segment via connecting cilium (CC). The inner segment contains the cell machinery of photoreceptors including mitochondria. The nuclei (N) of photoreceptors are situated at the outer nuclear layer of the retina. Ribbon synaptic terminals functionally connect the photoreceptors to the interneurons. Calyceal processes are found in primate photoreceptors but are absent in mice (37). BB: basal body of the connecting cilium (Figure adapted from (38)).

The RPE is the outermost retinal layer, consisting of a monolayer of pigmented  hexagonal cells (19). The basal side of the RPE cell is adjacent to the choroid while the apical  side faces the neural retina. The basal aspect of RPE contains numerous infoldings and is  adherent to its basement membrane forming a part of Bruch´s membrane of the choroid. 

Therefore, the attachment of RPE and the choroid is vivid. The apical side of the RPE  comprises microvilli that extend into the photoreceptor outer segments (Fig. 3). However,  this subretinal space is loose compared to RPE‐Bruch´s membrane interface and does not  contain intercellular junctions. The RPE has many functions such as fostering the retina and  choriocapillaries (reviewed in  (39)). It forms part of the blood‐retinal barrier (notably  similar  to  choroid  plexus  in  the  ventricles  of  the  brain),  which  selectively  controls  movement of nutritients and metabolites into the retina, and on the other hand, allows  waste products out of the retina (40). The most important functions of RPE (in regard to  normal vision)  are maintenance of visual cycle (visual cycle explained in Fig. 4) and  phagocytosis  of  shed  POS.  In  mice,  10  %  of  POS  is  shed  daily  and  RPE  needs  to  phagocytose and degrade it out of the way for renewal. This mission renders RPE cells one  of the most active phagocytosing cell types in the body (41). POS phagocytosis by RPE  follows the circadian rhythm, being most active at the beginning of circadian cycle at light‐

onset (42,43). POS phagocytosis can be divided into five different phases: 1. recognition and  attachment; 2. ingestion; 3. phagosome formation; 4. phagosome fusion with lysosome; and 

(27)

 

finally 5. digestion of POS (44). It is well appreciated that failure at any phase of the POS  phagocytosis may lead to retinal degeneration (45). In addition, it has been recently shown  that phagocytosis of POS is crucial for the visual cycle at RPE via a novel noncanonical  form of autophagy (46). 

Fig 4. A graph of visual cycle i.e.

phototransduction. The visual cycle is responsible for the first-in-order visual reaction and regeneration of visual pigment for continuum. Reaction a: 11- cis-retinal (11cRAL) diffuses from the RPE to photoreceptor outer segments (OS) and couples with opsin to generate rhodopsin (Rh). Reaction b: absorption of light photons by rhodopsin leads to isomerization of the chromophore from the 11-cis to the all-trans form (atRAL).

Reaction c: atRAL is reduced to all-trans- retinol (atROL) by all-trans-retinal- spesific dehydrogenases (all-trans-RDH).

Reaction d: atROL diffures to RPE where it is esterified by retinol acyltransferase (LRAT, lecithin) to all-trans-retinyl-ester (atRE). Reaction e: RPE-spesific 65 kDA protein (RPE65) catalyzes the isomerization of atRE to 11cROL. Reaction f: when 11cROL is oxidized back to 11cRAL by 11- cis-RDH, the 11cRAL is ready for diffusion back to the OS and the visual cycle is complete.

Notably, a failure in any step of the visual cycle has been shown to induce retinal degeneration (47). IPM, interphotoreceptor matrix; IRBP, inter-photoreceptor retinol binding protein (Figure adapted from (48)).

The POS consists of membranous discs where visual pigment molecules are  located within the disc membrane (19). The outer and inner segments of photoreceptors are  connected  via  the  cilium  (Fig.  3b).  The  inner  segment  is  the  power  plant  of  the  photoreceptor containing lots of mitochondria. The inner segment contains the cell nucleus,  and  on  the  other  side  of  the  nucleus,  synaptic  terminals  connect  photoreceptors  to  interneurons (21). Adjustable sensivity of the photoreceptors enable vision to function  within an impressive dynamic range of over 10‐log units (49). Mammalian and amphibian  rods can detect even single photons but they saturate at bright light (50). Still, vision works  even  at  very  bright  sunlight  thanks  to  rapid  regeneration  of  visual  pigments  and  adaptational mechanisms at the cone pathway (51). Cones are 100 times less sensitive than  rods (52), but on the other hand, they do not saturate easily due to their extremely fast  pigment regeneration and dark‐adaptation (51).       

  Unlike most sensory systems where appropriate stimulation causes sensory  receptors  to  depolarize,  the  photoreceptors  act  by  hyperpolarization  and  subsequent  change in neurotransmitter release onto postsynaptic terminals. Visual sensation commence  once absorption of light changes the conformation of retinal and activates (rhod)opsin (see  Fig. 4) (21). Activation of opsin stimulates the G‐protein transducin, which then activates  phosphodiesterase enzyme (PDE). Once activated,  PDE  hydrozylases  cyclic  guanosine  monophosphate  (cGMP).  The  decrease  in  cytosolic  cGMP  leads  to  closure  of  cyclic  nucleotide  gated  ion‐channels  preventing  influx  of  Na+  and  Ca2+  ions,  and  thereby  hyperpolarizes  photoreceptors.  The  G‐protein  cascade  substantially  potentiates  the  photoresponse:  many  transducin  molecules  are  activated  with  a  single  11‐cis‐retinal 

(28)

photoisomerization and each PDE enzyme hydrozylases more than one cGMP molecule. As  a result, absorption of a single photon by a rod leads to closure of approximately 200 ion  channels corresponding to about 2 % of all the channels open in each rod in darkness. 

  The retina modifies the photoresponse amplification magnitude at prevailing  levels of illumination (21). This phenomenon is known as light adaptation. As levels of  illumination increase, the photoreceptor sensitivity decreases preventing the receptors from  saturating, and thereby they increase the range of light intensities at which they may  operate. The concentration of Ca2+ in POS is a key player in the light‐induced modulation of  photoreceptor sensitivity. Light‐induced closure of ion channels leads to a net decrease of  POS Ca2+ concentration that causes many changes in the phototransduction cascade. These  changes tend to reduce the receptor sensitivity to light. For instance, the lowered Ca2+ 

concentration increases activity of guanylate cyclase that synthetizes cGMP, leading to an  elevated levels of cGMP. Likewise, the decreased levels of Ca2+ increase the affinity of  cGMP‐channels for cGMP diminishing the impact of light‐induced reduction in cGMP  levels. The light adaptation mechanism driven by the Ca2+ concentration is not the only light  adaptational mechanism in the retina. Retinal sensitivity at background light levels is also  neurally modulated. A key neurotransmitter here is dopamine (53). Many dopamine driven  physiological mechanisms  lead  to  an increased  signal flow  through  cone  circuits and  reduced signal flow through rods. In Parkinson´s disease, a reduction in retinal dopamine  levels  may  result in  reduced  visual  contrast  sensitivity.  In  a  healhy  retina,  the light  adaptation is a rather fast process: the retina habituates from complete darkness to bright  light levels in 5‐10 minutes in humans (19). Vice versa, adaptation from bright sunlight to  complete darkness (dark adaptation) is slower and may take 30 minutes.   

  The  inverted  mechanism  by  which  photoreceptors  act  continues  at  photoreceptor–interneuron synapse. When a photoreceptor is hyperpolarized, activated,  the release of its neurotransmitter glutamate into the synaptic cleft at the outer plexiform  layer decreases  (54).  This  modulates activity  at the interneuron  level,  in  bipolar and  horizontal  cells (52).  Bipolar cells  are  second‐order  visual  transmitting  cells, whereas  horizontal cells regulate the signal transmission between photoreceptors and bipolar cells  by lateral inhibition (Fig. 5). Bipolar cells can be divided into two major classes: rod bipolar  and cone bipolar cells. Cone bipolar cells form subclasses: ON bipolar cells that depolarize  and OFF bipolar cells that hyperpolarize to increments in light levels. Rod bipolar cells are  always ON cells. On the other hand, rods have been shown to signal through OFF cone  bipolar cells (55). The canonical mechanism by which bipolar, horizontal and ganglion cells  make retina possible to detect differences in light increments, contours, is illustrated in Fig. 

5.   

(29)

 

  Fig. 5. A schematic drawing of bipolar-ganglion cell center-surround organization. Figure A.

represents ON-center cell activation and figure B. OFF-center cell activation (Figure adapted from (56)).

Bipolar cells contact RGCs and amacrine cells at the inner plexiform layer (IPL) (52). RGCs  are the only output neurons of the retina and they mimic typical CNS neurons composed of  a cell body, dendrites and an axon, that is unmyelinated (4). Immediately posterior to the  eye globe (in fact already posterior to lamina cribrosa in humans), the RGC axons form the  optic nerve that is myelinated by oligodendrocytes, similarly to other nerve fiber tracts in  the CNS. Excitation of RGCs at the IPL is modulated in two ways by amacrine cells: 1. 

feedforward inhibition from amacrine cell synapses directly onto RGCs dendrites, or 2. 

feedback  inbihition  where  amacrine cells  contact  axon  terminals  of bipolar  cells  (52). 

Amacrine  cells  exert  their  action  largely  by  two  fast  neurotransmitters:  gamma‐

aminobutyric acid (GABA) and glycine. A fundamental difference between cone and rod  bipolar cells signaling is that cone bipolars cells make direct synaptic connections to RGCs  whereas rod bipolar cells synapse first with AII amacrine cells that then synapse with RGC  (55). The visual transmission cascade discussed above is a mere simplification of reality. 

Although there are only five classes of neuronal cells in the retina (photoreceptors, bipolar,  horizontal, amacrine and RGCs), there are numerous subclasses of bipolar, amacrine and  RGCs. Recent estimates suggest that there are at least 11 different subtypes of cone bipolar  cells (57), 40 amacrine cell subtypes (58), and 32 RGC subtypes in the mouse retina (1). 

Indeed, even the mouse retina is capable of high computation of visual stimuli ranging  from direction selectivity to polarity sensitivity. 

   

(30)

2.2.1 Retinal neurotransmitters 

Neurotransmitter composition seems to be similar in the retina and in the brain. Glutamate  is the primary excitatory neurotransmitter throughout the vertical pathways of the retina,  whereas GABA is the main inhibitory neurotransmitter (32). ON‐center bipolar cells signal  via metabotropic glutamate channel (mGluR6) whereas OFF‐center bipolar cells signal via  ionotropic AMPA and kainate receptors (59). Amacrine cells and horizontal cells in most  vertebrate retinas exert their inhibitory action mostly via GABA (60). Another typical  inhibitory neurotransmitter, glycine, is found in most small‐field types of amacrine cells  (32). Modulatory monoamine neurotransmitters, dopamine and serotonin, are also found in  amacrine cells (32,61,62), as well as acetylcholine (63). In fact, the two classes of dopamine  receptors, D1‐ and D2‐class, are both found in mammalian retina fairly abundantly. D1‐

receptors are expressed in bipolar, ganglion and horizontal cells (64), whereas D2‐receptors  are found in the synapse between horizontal cells, bipolar cells, and photoreceptors (65). 

Thus,  maybe  not  so  surprisingly,  drugs  acting  on  monoamine  and  cholinergic  neurotransmitter systems alter retinal function (66,67), and several psychiatric disorders are  associated  with  abnormal  ERG  responses  (66).  In  addition  to  above  mentioned  neurotransmitters, adenosine (68), nitric oxide (69) and several neuropeptides (32,70‐72)  contribute more or less to neurotransmission within the retina.  

2.2.2 Retinal glial cells 

There are three main classes of glial cells in the mammalian retina: Müller cells, astrocytes  and microglial cells (73). Müller cells are the most abundant glial cells in the retina,  comprising 90 % of total retinal glia (73). Müller cells are radially oriented such that they  pass through the retina from its inner vitreal border all the way to distal end of outer  nuclear layer. Astrocytes are mainly located horizontally in the nerve fiber layer and they  colocalize with the blood vessels in the inner nuclear layer. Indeed, the distribution of  retinal  astrocytes is always correlated with distribution  of blood  vessels  and  thereby  astrocytes have a role in forming retina‐blood barrier. All retinal glial cell classes are  integrated  with  the  retinal  neurons,  allowing  correct  functioning  of  the  retina  and  providing  structural  support.  They  are  all  phagocytic  cells  and  thereby  respond  to  immunological insult, and they interact with neurons and modulate the synapses. They  contribute to neurotransmission by releasing certain neurotransmitters and trophic factors,  and they are important buffers for K+ ions. In addition, the surrounding glial cells have an  imperative role in supplying different nutritients to retinal neurons as the neurons in the  retina are highly specialized and their metabolic demands are highly specific. A specific  role of Müller cells is maintenance of cone‐spesific visual cycle, which enables much more  rapid chromophore supply and pigment regeneration than the canonical RPE based visual  cycle and enables cones to function rapidly even under extremely bright light conditions 

(51).       

  A few decades ago, it was still believed that the inverted orientation of the  retina, where light would traverse through many cell layers before hitting the target, was  an example of poor evolutional design (74). More recently the claim was proven wrong. It  has been shown that Müller cells are wavelength‐dependent guides, guiding green‐red  spectrum of the visible light onto cones and blue‐purple part of the spectrum onto nearby  rods (75). Thus, Müller cells, which span vertically through the retina, enhance wavelength 

(31)

 

targeting in the retina and are crucial for visual optics. That is why the inverted structure of  the retina is necessary.   

 

2.3 FUNCTIONAL ORGANIZATION OF THE PRIMARY VISUAL PATHWAYS IN RODENTS AND PRIMATES

Optic nerve axons radiate to the optic chiasm where the majority cross to the opposite side,  meaning that projections from the right eye mainly activate the left visual cortex and vice  versa. The extent of crossing optic nerve axons varies between species and is greater in  animals with laterally oriented eyes. In the mouse, around 97 % of optic nerve axons radiate  to the contralateral side of the brain (76) whereas in humans the corresponding percentage  is only 60 % (21). Once the optic nerve axons pass the optic chiasm, they form bilateral optic  tracts that contain fibers from both eyes. The main targets of the optic tracts are superior  colliculus (SC) and lateral geniculate nucleus (LGN) (Fig. 6).  

Fig. 6. A schematic picture of central visual pathways in mouse.

Majority of the RGC axons (70 %, see text below) terminate in the superior colliculus (SC) or lateral geniculate nucleus (LGN), which is a thalamic relay station to the primary visual cortex (V1) (Figure adapted from (77)).

The dorsal LGN (dLGN) is a relay station from where the optic tracts innervate  the striate (visual) cortex. In primates, virtually all optic nerve axons target the dLGN (78)  but in mice 70 % of optic nerve axons target the superior colliculus (SC) (79,80). The SC is  responsible for coordinating the head and eye movements with sensory targets (21). In  mice, the superficial layers of SC are innervated by optic nerve axons whereas neurons in  the deeper layers are not generally visually responsive but respond to somatosensory or  auditory stimuli (81). It is thought that the superficial part of SC contains a map that  represents the visual field whereas the underlying part of SC contains a vector map of the  saccades (a quick reflexive movement of both eyes to fixate in one direction) that shift the  direction of gaze (82). Interestingly, despite the large innervation from RGCs, lesioning SC  in rats does not permanently affect visual acuity (83). Similarly, a lesion in primary visual  cortex (V1) decreases visual acuity as determined by learned visual task but does not affect  visual acuity in optokinetic tracking test, which is subcortically driven, likely from SC 

(32)

(84,85). It seems intuitively rational that rodents’ vision is heavily wired for reflexive 

behavior.       

  In  addition,  optic  nerve  axons  directly  innervate  the  pretectum  between  thalamus and midbrain and the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus (21). 

Pretectum is mainly responsible for the pupillary light reflex that occurs upon a change in  luminance level, but also intergeniculate leaflet (IGL) and ventral lateral geniculate (vLGN)  nucleus contribute to this (20,86,87). Instead, the SCN is associated with circadian response  to light, together with the IGL and vLGN (20,88). The pretectum, SCN, vLGN and IGL all  receive  direct  but  proportionally  weak  retinal  input  (89,90).  These  nuclei  receive the  majority of their retinal input from melanopsin‐expressing RGCs (known as intrinsically  photosensitive RGCs, ipRGCs), which function as luminosity detectors (91‐93). The ipRGCs  can activate  independently  from  rods  and  cones (91), which  may explain  why  light‐

dependent circadian rhythms may be preserved in diseases that kill rods and cones (89). 

  The spatial relationship between RGCs is presented as orderly representations  or “maps” of visual space at their primary brain targets (SC and dLGN) (21). Often the  targets receive input from both eyes, which requires these inputs be integrated to create a  coherent map of individual points in visual space. For descriptive purposes retinas and  their corresponding visual field are divided into quadrants: nasal and temporal, superior  and inferior.  In  mammals,  almost  all ipsilaterally  projecting  RGCs  are located  at the  temporal retina (20). Virtually all ipsilaterally projecting RGCs in the mouse are located at  peripheral ventrotemporal region of the retina (known as ventrotemporal crescent, VTC). 

However, only a minority of the RGCs (~10‐15 %) located at the VTC projects ipsilaterally  and the rest contralaterally (94). An image seen in the mouse binocular field is generated in  the RGCs at VTC areas of both eyes (95,96). The mouse binocular visual field is rather small  covering around the central 30 % of the visual field whereas in humans it is around 60 %  (97) (Fig. 7). In primates, virtually all RGCs in the temporal retina project ipsilaterally (98).  

Fig. 7. Rodent and primate ocular orientations and horizontal visual fields compared. Left: schematic drawing of the rodent visual system. Rodent’s eyes are positioned laterally and their monocular visual fields are rather large whereas the binocular visual field is narrow. Retinal ganglion cells with receptive fields in the binocular zone from the ipsilateral eye send a minor projection to a restricted part of the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN). Instead, the contralateral eye sends predominant projections to the dLGN. Thalamocortical projections forward the visual information to the binocular zone of the primary visual cortex (V1). Right: corresponding schematics of the primate (e.g.

human) visual system. Forward-oriented eyes provide broader binocular visual field. RGCs from both eyes send rather similar projections to the eye-specific laminar structures in the dLGN.

Thalamocortical projections relay the visual information to the V1 that has the corresponding

Viittaukset

LIITTYVÄT TIEDOSTOT

We developed an in vitro model suitable for cochlear gene transfer studies from a detached mouse round window membrane (RWM) and also tested the suitability of adeno-associated

(A) Representative images from 4 month subiculum or 8 month layer V cortex of non-transgenic or 5XFAD mice with bexarotene or vehicle after 15 days of treatment stained with

We found clear signs of microglia infiltration and activation, Müller cell gliosis, astrogliosis and apoptotic photoreceptor nuclei in CLN5 deficient mice retinas already at the

Osittaisen hinnan mallissa toteuttajatiimin valinta tapahtuu kuiten- kin ilman, että suunnitelma viedään lopulliseen muotoonsa ja yhteiskehittäminen jatkuu vielä ennen

Finally, our in vivo studies in mice deficient or heterozygous for mouse Nat1 (the mouse ortholog of human NAT2) (21, 31) affirm that decreased Nat1 levels increased fasting

(A) Representative images from 4 month subiculum or 8 month layer V cortex of non-transgenic or 5XFAD mice with bexarotene or vehicle after 15 days of treatment stained with

We found clear signs of microglia infiltration and activation, Müller cell gliosis, astrogliosis and apoptotic photoreceptor nuclei in CLN5 deficient mice retinas already at the

Kandidaattivaiheessa Lapin yliopiston kyselyyn vastanneissa koulutusohjelmissa yli- voimaisesti yleisintä on, että tutkintoon voi sisällyttää vapaasti valittavaa harjoittelua