Single cell visual psychophysics

Abstract

On the one hand, the eye is the human being’s window to the world. On the other hand the eye is a window to the human brain enabling noninvasive and in vivo assessment of nervous tissue. With adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy (AOSLO) based microstimulation and psychophysical methods, it is possible to not only image but also stimulate the individual photoreceptor cells, and thereby test their impact on perception. Due to technical limitations, most of these psychophysical experiments addressing the fundamentals of human vision are currently conducted outside the foveola, the very center of the retina. This thesis focuses on determining and solving these limitations to enable human visual psychophysics in the foveola on an individual cellular level. <br /> To convert the AOSLO into a display system for psychophysics, a fast modulation of the scanning laser beam is needed. The best solution in terms of switching time and contrast range is an acoustooptic modulator (AOM). However, these AOM leak a significant amount of residual light, producing a visible background and thereby limiting the experimental options. By cascading two AOMs, we not only eliminated the background, but also boosted the radiant power contrasts up to 1:10^10, which is the highest visual contrast reported for any display system so far. A psychophysical validation experiment showed that this contrast ratio is sufficient to probe single foveal photoreceptor cells with small and easily perceivable stimuli that do not contain a detectable background. This background-free stimulation allows the photoreceptors to be probed (i) with lower light intensities and (ii) closer to the absolute threshold. Furthermore, a larger dynamic range in displayable light levels can drive photoreceptor responses in cones as well as in rods. <br /> Commonly occurring small shifts in eye position during in vivo testing displace a stimulus by a significant amount when the transverse chromatic offset (TCO) is only statically compensated, thus ruling out reliable testing of an individual cell. Therefore a method was developed that requires only a single measurement of the TCO during controlled horizontal and vertical displacements of the eye to map retinal chromatic image shifts to the image space of a pupil camera. After such a calibration, the TCO was compensated for by continuously monitoring the eye position during experimentation and by interpolating correction vectors from a linear fit to the calibration data. This solution enabled real-time compensation of the TCO with high spatial precision an essential element for accurate foveolar cone-targeted psychophysical experimentation. <br /> These refinements were successfully applied in order to conduct the first study assessing sensitivity in the foveola by single cell stimulation. Therein, it was tested how far the special cellular organization at the very center of human retina is reflected in the sensitivity to light. Eccentricity, cone size as well as outer segment length showed a significant influence on the sensitivity thresholds. Furthermore, variability between individual test sites was much higher than compared to intra test site variability (0.6 log10 versus 0.1 log10 photons) which was assumed to be the result of individual cone weighting. <br /> These findings regarding foveolar sensitvity as well as the developed optimizations itself, will positively impact future fundamental research assessing the foveolar cone-cone interactions, ultimately leading to a better understanding of retinal pathologies and their treatment.

<strong>Visuelle Einzelzellpsychophysik</strong><br /> Zum einen ist das Auge das Fenster des Menschen zur Welt, zum anderen ist das Auge ein Fenster zum menschlichen Gehirn, wodurch eine nicht-invasive und in vivo Untersuchung des Nervengewebes möglich wird. Mit Hilfe der auf der Adaptiven Optik Scanning Laser Ophthalmoskopie (AOSLO) basierenden Mikrostimulation und psychophysikalischen Methoden können nicht nur die einzelnen Photorezeptorzellen abgebildet, sondern auch stimuliert werden, um so deren Einfluss auf dieWahrnehmung zu testen. Aufgrund technischer Einschränkungen werden die meisten dieser psychophysikalischen Experimente zu den Grundlagen des menschlichen Sehens derzeit außerhalb der Foveola, dem Zentrum der Netzhaut, durchgeführt. In dieser Arbeit lag der Fokus darauf diese Einschränkungen zu ermitteln und zu lösen, um visuelle Psychophysik in der Foveola auf der Ebene einzelner Zellen zu ermöglichen. <br /> Um das AOSLO in ein Displaysystem für die Psychophysik zu verwandeln, wird eine schnelle Modulation des abtastenden Laserstrahls benötigt. Die beste Lösung in Bezug auf Schaltzeit und Kontrastumfang ist ein akusto-optischer Modulator (AOM). Diese AOMs lassen jedoch eine beträchtliche Menge an Restlicht durch, was einen sichtbaren Hintergrund erzeugt und damit die experimentellen Möglichkeiten einschränkt. Durch die Kaskadierung zweier AOMs konnte nicht nur der Hintergrund eliminiert, sondern auch die Strahlungskontraste auf bis zu 1:10^10 erhöht werden, was der höchste visuelle Kontrast ist, der bisher für ein Displaysystem berichtet wurde. Ein psychophysikalisches Validierungsexperiment zeigte, dass dieses Kontrastverhältnis ausreichend ist, um einzelne foveale Photorezeptorzellen mit kleinen und gut sichtbaren Stimuli zu reizen, frei von dem sonst deutlich sichtbaren Hintergrund. Eine solche hintergrundfreie Stimulation ermöglicht es (i) die Photorezeptoren mit geringeren Lichtintensitäten und (ii) näher an der absoluten Schwelle zu reizen. Darüber hinaus kann ein größerer dynamischer Bereich an verfügbaren Lichtintensitäten Photorezeptorantworten sowohl in Zapfen als auch in Stäbchen anregen. <br /> Kleine Verschiebungen der Augenposition, die während der in vivo Experimente auftreten, verschieben einen Stimulus um einen signifikanten Betrag, wenn der transversale chromatische Versatz (TCO, englisch: "transverse chromatic offset") nur statisch kompensiert wird, was eine zuverlässige Testung der einzelnen Zelle ausschließt. Ich habe eine Methode entwickelt, die nur eine einzige Messung des TCO während kontrollierter Augenbewegungen erfordert, um die chromatischen Bildverschiebungen der Retina auf den Bildraum einer Pupillenkamera abzubilden. Nach einer solchen Kalibrierung wurde TCO durch kontinuierliche Überwachung der Augenposition während des Experiments und durch Interpolation von Korrekturvektoren aus einem linearen Fit an die Kalibrierungsdaten kompensiert. Unsere Lösung ermöglichte eine kontinuierliche Kompensation des TCO mit hoher räumlicher Präzision, die für foveale, zapfengezielte psychophysikalische Experimente notwendig ist. <br /> Die Optimierung wurden erfolgreich angewandt, um die erste Studie zur Evaluierung der Empfindlichkeit in der Foveola durch Stimulation einzelner Zellen durchzuführen. Im Fokus lag hierbei, inwieweit sich die besondere zelluläre Organisation im Zentrum des menschlichen Sehens in der Lichtempfindlichkeit widerspiegelt. Sowohl die Exzentrizität, als auch die Zapfengröße und die äußere Segmentlänge zeigten alle einen signifikanten Einfluss auf die Empfindlichkeitsschwellen. Darüber hinaus war die Variabilität zwischen den einzelnen Teststellen viel höher als im Vergleich zur Variabilität innerhalb der Teststelle (0.6 log10 versus 0.1 log10 Photonen), die vermutlich auf die individuelle Zapfengewichtung zurückzuführen war. <br /> Diese Erkenntnisse über die foveale Sensitivität sowie die entwickelten Optimierungen werden für die zukünftige Grundlagenforschung zur Beurteilung der fovealen Zapfen-Zapfen-Interaktionen von grossem Nutzen sein und somit zu einem besseren Verständnis von Netzhautpathologien und deren Behandlung beitragen.