Effects of Strobe Light Stimulation on Postnatal Developing Retina

Abstract

Background : The nature and intensity of visual stimuli has changed in recent years due to addition of television and other dynamic light sources. Although light stimuli accompanied by contrast and strength changes are thought to have an influence on visual system development, little information is available on the effects of dynamic light stimuli such as a strobe light on visual system development. The purpose of this study was to examine the effect of dynamic light stimuli on retinal development in the guinea pig and rat model. Methods : This study used 42 litters of albino Hartley guinea pigs and 80 litters of Sprague-Dawley rats. From eye opening (postnatal (P) day 0 in guinea pig and postnatal day 14 in rat), animals were randomly divided into control and experimental group. Half of the litters were maintained on a daily 12-h light/dark cycle (control group) and the remaining animals were raised under a 12-h strobe light (2 Hz)/dark cycle (strobe light-reared group). Immunohistochemistry and ERG were performed at P1, 2, and 4 weeks in guinea pig model, and immunohistochemistry, western blot analysis, real-time PCR and ERG were performed at P3, 4, 6, 8, and 10 weeks in rat models. Results : In guinea pig model, the thickness of the ONL decreased by 14.8% in the strobe-reared animals compared to the control group at P4 weeks. The thickness of the ONL did not change at P1 and 2 weeks. The Müller cells and rod bipolar cells showed abnormal morphology. In strobe-reared animals, the branches of Müller cells were stouter and axon-like processes emerged from the rod bipolar cell bodies . In rat model, there was no differences in retinal thickness and the ONL morphology. However, TH-IR cells (dopaminergic amacrine cells) showed marked plastic changes in the INL. The number of type I TH-IR cells decreased and the soma size increased in strobe reared animals at P6, 8, and 10 weeks. In contrast, the number of type II TH-IR cells increased in strobe reared animals at P6 weeks. Functional assesment by scotopic ERG revealed that the a-wave and b-wave amplitudes increased at P6 and 8 weeks in strobe reared animals. Conclusion : These findings demonstrate that strobe-light stimuli cause morphological and functional changes in retinal neurons, which may lead to the disturbance of normal visual processing during development.;연구배경 : 최근 다양한 전자기기의 발달로 인해 우리 눈은 여러 종류의 빛자극에 노출되고 있다. 이렇듯 강도와 대비의 다양한 변화를 동반하는 빛 자극에 노출되고 있음에도 불구하고 이러한 자극이 시각 계통의 발달에 미치는 영향에 대한 연구는 많지 않다. 이에 본 연구에서는 시각 계통이 발생이 진행되는 동안 섬광자극에 노출된 경우 망막에 어떠한 변화를 초래하는지 알아보고자 하였다. 실험방법 : 실험동물로는 42마리의 신생 기니피그와 80마리의 신생 흰쥐를 사용하였다. 기니피그는 출생 직후부터, 흰쥐는 출생 2주 후부터 무작위로 대조군과 실험군으로 분류하여 대조군은 하루 12시간 지속적인 빛/ 12시간 어둠의 환경에서 사육하였으며 실험군은 하루 12시간 정상 빛을 대신하여 초당 2회의 섬광자극을 가하였다. 이 후 기니피그 모델에서는 각각 생후 1, 2, 4주에, 흰쥐 모델에서는 생후 3, 4, 6, 8, 10주에 형태학적, 기능적 변화를 관찰하였다. 실험결과 : 섬광자극에 의한 망막의 변화는 두 모델에서 각각 다르게 관찰되었다. 기니피그 모델에서는 생후 2주령부터 형태학적 변화가 관찰되었다. 바깥핵층의 두께가 생후 1, 2 주령에는 차이가 없었으나 4 주령 실험군에서 대조군에 비하여 14.8% 감소하였으며 실험군의 뮐러세포에서 2, 4 주령에 비대해진 가지가 관찰되었다. 또한 일부 막대두극세포 (rod bipolar cell)에서 나온 축삭돌기와 유사한 돌기가 바깥얼기층으로 향하는 모양 이상이 생후 2, 4주령에서 관찰되었다. 쥐 모델에서 tyrosine hydroxylase에 면역염색되는 도파민무축삭세포 (dopaminergic amacrine cell)가 생후 6주령부터 수적 변화 및 세포체 크기의 차이를 보였다. 생후 6, 8, 10 주령의 실험군 망막에서 I 형 도파민무축삭세포의 수가 줄고 세포체의 크기는 증가하였으며 II 형 도파민무축삭세포의 수는 증가하였다. 또한 6, 8 주령 실험군의 암망막전도(scotopic electroretinogram)에서 a 파형과 b 파형의 진폭이 유의하게 증가하였다. 결론 : 본 연구에서 출생초기 섬광자극 노출이 망막 세포의 발달 과정에서 형태학적 변화를 일으키는 것을 확인하였으며, 이러한 형태학적 변화는 시각계통의 기능에도 영향을 미친다는 것을 암시하고 있다.