We present the first scanning laser ophthalmoscope that uses adaptive optics to measure and correct the high order aberrations of the human eye. Adaptive optics increases both lateral and axial resolution, permitting axial sectioning of retinal tissue in vivo. The instrument is used to visualize photoreceptors, nerve fibers and flow of white blood cells in retinal capillaries.

Spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT) uses infrared light to visualize the reflectivity of structures of differing optical properties within the retina. Despite their presence on histologic studies, traditionally acquired SD-OCT images are unable to delineate the axons of photoreceptor nuclei, Henle's fiber layer (HFL). The authors present a new method to reliably identify HFL by varying the entry position of the SD-OCT beam through the pupil.Fifteen eyes from 11 subjects with normal vision were prospectively imaged using 1 of 2 commercial SD-OCT systems. For each eye, the entry position of the SD-OCT beam through the pupil was varied horizontally and vertically. The reflectivity of outer retinal layers was measured as a function of beam position, and thicknesses were recorded.The reflectivity of HFL was directionally dependent and increased with eccentricity on the side of the fovea opposite the entry position. When HFL was included in the measurement, the thickness of the outer nuclear layer (ONL) of central horizontal B-scans increased by an average of 52% in three subjects quantified. Four cases of pathology, in which alterations to the normal macular geometry affected HFL intensity, were identified.The authors demonstrated a novel method to distinguish HFL from true ONL. An accurate measurement of the ONL is critical to clinical studies measuring photoreceptor layer thickness using any SD-OCT system. Recognition of the optical properties of HFL can explain reflectivity changes imaged in this layer in association with macular pathology.

Purpose.: To study cone photoreceptor structure and function in patients with inherited retinal degenerations treated with sustained-release ciliary neurotrophic factor (CNTF). Methods.: Two patients with retinitis pigmentosa and one with Usher syndrome type 2 who participated in a phase 2 clinical trial received CNTF delivered by an encapsulated cell technology implant in one eye and sham surgery in the contralateral eye. Patients were followed longitudinally over 30 to 35 months. Adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy (AOSLO) provided high-resolution images at baseline and at 3, 6, 12, 18, and 24 months. AOSLO measures of cone spacing and density and optical coherence tomography measures of retinal thickness were correlated with visual function, including visual acuity (VA), visual field sensitivity, and full-field electroretinography (ERG). Results.: No significant changes in VA, visual field sensitivity, or ERG responses were observed in either eye of the three patients over 24 months. Outer retinal layers were significantly thicker in CNTF-treated eyes than in sham-treated eyes (P < 0.005). Cone spacing increased by 2.9% more per year in sham-treated eyes than in CNTF-treated eyes (P < 0.001, linear mixed model), and cone density decreased by 9.1%, or 223 cones/degree2 more per year in sham-treated than in CNTF-treated eyes (P = 0.002, linear mixed model). Conclusions.: AOSLO images provided a sensitive measure of disease progression and treatment response in patients with inherited retinal degenerations. Larger studies of cone structure using high-resolution imaging techniques are urgently needed to evaluate the effect of CNTF treatment in patients with inherited retinal degenerations. (ClinicalTrials.gov number, NCT00447980.)

Human fixational eye movements are so small and precise that they require high-speed, accurate tools to fully reveal their properties and functional roles. Where the fixated image lands on the retina and how it moves for different levels of visually demanding tasks is the subject of the current study. An Adaptive Optics Scanning Laser Ophthalmoscope (AOSLO) was used to image, track and present Maltese cross, disk, concentric circles, Vernier and tumbling-E letter fixation targets to healthy subjects. During these different passive (static) or active (discriminating) fixation tasks under natural eye motion, the landing position of the target on the retina was tracked in space and time over the retinal image directly. We computed both the eye motion and the exact trajectory of the fixated target’s motion over the retina. We confirmed that compared to passive fixation, active tasks elicited a partial inhibition of microsaccades, leading to longer drifts periods compensated by larger corrective saccades. Consequently the fixation stability during active tasks was larger overall than during passive tasks. The preferred retinal locus of fixation was the same for each task and did not coincide with the location of the peak cone density.

Abstract We provide the first measures of foveal cone density as a function of axial length in living eyes and discuss the physical and visual implications of our findings. We used a new generation Adaptive Optics Scanning Laser Ophthalmoscope to image cones at and near the fovea in 28 eyes of 16 subjects. Cone density and other metrics were computed in units of visual angle and linear retinal units. The foveal cone mosaic in longer eyes is expanded at the fovea, but not in proportion to eye length. Despite retinal stretching (decrease in cones/mm 2 ), myopes generally have a higher angular sampling density (increase in cones/deg 2 ) in and around the fovea compared to emmetropes, offering the potential for better visual acuity. Reports of deficits in best-corrected foveal vision in myopes compared to emmetropes cannot be explained by increased spacing between photoreceptors caused by retinal stretching during myopic progression.

Abstract The human retina contains three classes of cone photoreceptors each sensitive to different portions of the visual spectrum: long (L), medium (M) and short (S) wavelengths. Color information is computed by downstream neurons that compare relative activity across the three cone types. How cone signals are combined at a cellular scale has been more difficult to resolve. This is especially true near the fovea, where spectrally-opponent neurons in the parvocellular pathway draw excitatory input from a single cone and thus even the smallest stimulus will engage multiple color-signaling neurons. We used an adaptive optics microstimulator to target individual and pairs of cones with light. Consistent with prior work, we found that color percepts elicited from individual cones were predicted by their spectral sensitivity, although there was considerable variability even between cones within the same spectral class. The appearance of spots targeted at two cones were predicted by an average of their individual activations. However, two cones of the same subclass elicited percepts that were systematically more saturated than predicted by an average. Together, these observations suggest both spectral opponency and prior experience influence the appearance of small spots.

Abstract Organisms are faced with the challenge of making inferences about the physical world from incomplete incoming sensory information. One strategy to combat ambiguity in this process is to combine new information with prior experiences. We investigated the strategy of combining these information sources in color vision. Single cones in human subjects were stimulated and the associated percepts were recorded. Subjects rated each flash for brightness, hue and saturation. Brightness ratings were proportional to stimulus intensity. Saturation was independent of intensity, but varied between cones. Hue, in contrast, was assigned in a stereotyped manner that was predicted by cone type. These experiments revealed that, near the fovea, long (L) and middle (M) wavelength sensitive cones produce sensations that can be reliably distinguished on the basis of hue, but not saturation or brightness. Taken together, these observations implicate the high-resolution, color-opponent parvocellular pathway in this low-level visual task.

Abstract Light propagation in photoreceptor outer segments is affected by photopigment absorption and the phototransduction amplification cascade. Photopigment absorption has been studied using retinal densitometry, while recently, optoretinography (ORG) has provided an avenue to probe changes in outer segment optical path length due to phototransduction. With adaptive optics (AO), both densitometry and ORG have been used for cone spectral classification, based on the differential bleaching signatures of the three cone types. Here, we characterize cone classification by ORG, implemented in an AO line-scan OCT and compare it against densitometry. The cone mosaics of five color normal subjects were classified using ORG showing high probability (∼0.99), low error (<0.22%), high test-retest reliability (∼97%) and short imaging durations (< 1 hour). Of these, the cone spectral assignments in two subjects were compared against AOSLO densitometry. High agreement (mean: 91%) was observed between the two modalities in these 2 subjects, with measurements conducted 6-7 years apart. Overall, ORG benefits from higher sensitivity and dynamic range to probe cone photopigments compared to densitometry, and thus provides greater fidelity for cone spectral classification.

Abstract Advances in adaptive optics scanning laser ophthalmoscope (AOSLO) technology have enabled cones in the human fovea to be reliably resolved, providing new insight into human foveal anatomy, visual perception, and retinal degenerative diseases. These high-resolution ophthalmoscopes require careful alignment of each optical subsystem to ensure diffraction-limited imaging performance, which is necessary for resolving the smallest foveal cones. This paper presents a systematic and rigorous methodology for building, aligning, calibrating, and testing an AOSLO designed for imaging the cone mosaic of the central fovea in humans with cellular resolution. This methodology uses a two-stage alignment procedure and thorough system testing to achieve diffraction-limited performance. Results from retinal imaging of healthy human subjects show that the system can resolve cones at the very center of the fovea, the region where the cones are smallest and most densely packed.