JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Пупиллометрия, простой и неинвазивный метод, предложена в качестве метода определения порогов слышимости в шуме у животных с нормальным слухом и животных моделей различных слуховых патологий.

Аннотация

Воздействие шума является основной причиной нейросенсорной тугоухости. Животные модели потери слуха, вызванной шумом, позволили получить механистическое представление об основных анатомических и физиологических патологиях потери слуха. Тем не менее, связь поведенческого дефицита, наблюдаемого у людей с потерей слуха, с поведенческим дефицитом на животных моделях остается сложной задачей. Здесь пупиллометрия предлагается как метод, который позволит напрямую сравнивать поведенческие данные животных и человека. Метод основан на модифицированной парадигме чудаков - приучении субъекта к повторному представлению стимула и периодическом представлении девиантного стимула, который несколько параметрически отличается от повторяющегося стимула. Основная предпосылка заключается в том, что если испытуемый обнаруживает изменение между повторяющимся и девиантным стимулом, это вызовет реакцию расширения зрачка, которая больше, чем та, которую вызывает повторный стимул. Этот подход демонстрируется с использованием задачи категоризации вокализации у морских свинок, животной модели, широко используемой в слуховых исследованиях, в том числе в исследованиях потери слуха. Представляя вокализации из одной категории вокализации в качестве стандартных стимулов, а второй категории в виде странных стимулов, встроенных в шум при различных соотношениях сигнал/шум, показано, что величина расширения зрачка в ответ на странную категорию монотонно изменяется в зависимости от отношения сигнал/шум. Затем анализ кривой роста может быть использован для характеристики хода времени и статистической значимости этих реакций на расширение зрачка. В этом протоколе подробно описаны процедуры акклиматизации морских свинок к установке, проведения пупиллометрии и оценки/анализа данных. Хотя этот метод продемонстрирован на морских свинках с нормальным слухом в этом протоколе, метод может быть использован для оценки сенсорных эффектов различных форм потери слуха у каждого субъекта. Затем эти эффекты могут быть соотнесены с одновременными электрофизиологическими измерениями и последующими анатомическими наблюдениями.

Введение

На диаметр зрачка (ПД) может влиять большое количество факторов, и измерение БП, которое изменяется с течением времени, известно как пупиллометрия. БП контролируется мышцей сфинктера радужной оболочки (участвует в сужении) и мышцей-расширителем радужной оболочки (участвует в расширении). Мышца сужения иннервируется парасимпатической системой и включает холинергические проекции, тогда как расширитель радужной оболочки иннервируется симпатической системой, включающей норадренергические и холинергические проекции 1,2,3. Наиболее известным стимулом, вызывающим изменения БП, является реакция на сужение яркости и расширение зрачка, которая может быть вызвана изменениями интенсивности окружающего света2. PD также изменяется в зависимости от фокусного расстояния2. Однако на протяжении десятилетий было известно, что PD также показывает колебания, не связанные с яркостью 4,5,6,7. Например, изменения во внутренних психических состояниях могут вызвать преходящие изменения БП. Зрачок расширяется в ответ на эмоционально заряженные раздражители или увеличивается при возбуждении 4,5,8,9. Расширение зрачков также может быть связано с другими когнитивными механизмами, такими как повышенные умственные усилия или внимание10,11,12,13. Из-за этой взаимосвязи между изменениями размера зрачков и психическими состояниями изменения БП были изучены как маркер клинических расстройств, таких как шизофрения 14,15, тревога 16,17,18, болезнь Паркинсона 19,20 и болезнь Альцгеймера 21 , среди прочих. У животных изменения БП отслеживают внутренние поведенческие состояния и коррелируют с уровнями активности нейронов в областях коры22,23,24,25. Также было показано, что диаметр зрачка является надежным индикатором состояния сна у мышей26. Эти изменения БП, связанные с возбуждением и внутренним состоянием, обычно происходят на длительных временных масштабах порядка нескольких десятков секунд.

В области исследования слуха, как у людей с нормальным слухом, так и у слабослышащих субъектов, с помощью пупиллометрии оценивались слуховые усилия и слуховое восприятие. В этих исследованиях обычно участвуют обученные субъекты27,28,29,30, которые выполняют различные виды задач обнаружения или распознавания. Было показано, что из-за вышеупомянутой взаимосвязи между возбуждением и БП повышенная вовлеченность в задачи и усилия по слушанию коррелируют с увеличением реакции расширения зрачков 30,31,32,33,34,35. Таким образом, пупиллометрия была использована, чтобы продемонстрировать, что повышенные усилия по прослушиванию расходуются на распознавание спектрально деградированной речи у слушателей с нормальным слухом29,36. У слабослышащих слушателей, таких как люди с возрастной потерей слуха 27,30,37,38,39,40,41 и пользователи кохлеарных имплантов 42,43, реакция зрачков также увеличивалась с уменьшением разборчивости речи; Тем не менее, слушатели с нарушениями слуха показали большее расширение зрачков в более легких условиях прослушивания по сравнению с субъектами с нормальным слухом 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Но эксперименты, требующие от слушателя выполнения задания на распознавание, не всегда возможны — например, у младенцев или на некоторых животных моделях. Таким образом, не связанные с яркостью реакции зрачка, вызванные акустическими стимулами, могут быть жизнеспособным альтернативным методом оценки слухового обнаружения в этих случаях44,45. Более ранние исследования продемонстрировали преходящее и связанное со стимулом расширение зрачка как часть ориентирующего рефлекса46. Более поздние исследования продемонстрировали использование расширения зрачков, связанных со стимулом, для получения кривых частотной чувствительности у сов47,48. В последнее время эти методы были адаптированы для оценки чувствительности реакции расширения зрачка у младенцев48. Было показано, что пупиллометрия является надежным и неинвазивным подходом к оценке порогов слухового обнаружения и различения у пассивно слушающих морских свинок (ГП) с использованием широкого спектра простых (тоны) и сложных (вокализации ГП) стимулов49. Эти изменения PD, связанные со стимулом, обычно происходят в более быстрых временных масштабах порядка нескольких секунд и связаны со временем стимула. Здесь пупиллометрия изменений БП, связанных со стимулами, предложена в качестве метода изучения поведенческих эффектов различных видов нарушений слуха на животных моделях. В частности, описаны протоколы пупиллометрии для использования у врачей общей практики, хорошо зарекомендовавшая себя животная модель различных типов слуховых патологий 50,51,52,53,54,55,56 (также см. ссылку 57 для исчерпывающего обзора).

Хотя этот метод демонстрируется у врачей общей практики с нормальным слухом, эти методы могут быть легко адаптированы к другим моделям животных и животным моделям с различными слуховыми патологиями. Важно отметить, что пупиллометрия может сочетаться с другими неинвазивными измерениями, такими как ЭЭГ, а также с инвазивными электрофизиологическими записями, чтобы изучить механизмы, лежащие в основе возможного обнаружения звука и дефицита восприятия. Наконец, этот подход также может быть использован для установления широкого сходства между человеческими и животными моделями.

протокол

Для всех экспериментальных процедур получите одобрение Комитета по уходу за животными и их использованию (IACUC) и придерживайтесь рекомендаций NIH по уходу и использованию лабораторных животных. В Соединенных Штатах Америки врачи общей практики дополнительно подпадают под действие правил Министерства сельского хозяйства США (USDA). Все процедуры в этом протоколе были одобрены IACUC Университета Питтсбурга и соответствовали рекомендациям NIH по уходу и использованию лабораторных животных. Для этого эксперимента были использованы три самца дикого типа, пигментированные врачи общей практики в возрасте от 4 до 10 месяцев, весом ~ 600-1000 г.

1. Хирургическое вмешательство

  1. Выполняйте все эксперименты по пупиллометрии у врачей общей практики в бодрствующем состоянии, с фиксированной головой и пассивно слушающих. Проверьте нормальный слух у подопытных с помощью записей щелчков и чистых тонов слухового ствола мозга (ABR)58.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя сбор данных пупиллометрии сам по себе является неинвазивным, в этом протоколе используется инвазивная операция по имплантации головы для иммобилизации головы животного во время процедуры. Альтернативы представлены в разделе «Обсуждение».
  2. Во-первых, всем подопытным животным имплантируют головной штифт из нержавеющей стали для фиксации головы под изофлурановой анестезией. Используйте асептические хирургические методы для крепления головного столба к черепу, используя комбинацию костных винтов и стоматологического акрила58.
  3. Обеспечьте животным послеоперационный уход, включая введение системных и местных анальгетиков. После 2-недельного восстановительного периода постепенно акклиматизируйте животных к экспериментальной установке.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Хирургическая процедура основана на ранее опубликованных методах у врачейобщей практики 58, а также у других видов59,60 и не является предметом настоящего протокола.

2. Акклиматизация животных к экспериментальной установке

ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперименты обычно проводятся в звукопоглощающей камере или кабине (см. Таблицу материалов). Время, необходимое для ознакомления животного с установкой, варьируется от субъекта к предмету. Типичное время акклиматизации указано ниже. Хорошо акклиматизированное животное будет переносить фиксацию головы с минимальным движением тела, что приведет к лучшему измерению диаметра зрачка.

  1. После 2-недельного восстановительного периода сначала приучите животных к обработке и транспортировке (2-3 дня). Эта акклиматизация необходима для снижения стресса и беспокойства. Чтобы приучить животное к обращению, поместите животное в транспортный контейнер на большее количество времени (10-30 мин) и обрабатывайте животное в течение большего количества времени (10-30 мин).
  2. Затем акклиматизируйте животное к экспериментальной установке (2-3 дня), поместив животное в вольер на 10-45 минут (рис. 1А). Вольер должен допускать небольшие постуральные сдвиги для комфорта животного во время эксперимента. Допускайте небольшие постуральные сдвиги для комфорта животного во время эксперимента. Однако известно, что расширение зрачка предшествует движению49. Поэтому измерьте движение животного и учтите это движение при анализе данных (рис. 1С).
  3. В рамках этой акклиматизации вручную обрабатывайте имплантированный головной штифт, как будто животное собирается зафиксировать голову. Удерживайте головной пост в течение большей продолжительности (10-60 с).
  4. После ручной акклиматизации и в зависимости от поведения животного попробуйте закрепить голову животного на жестком каркасе с помощью держателя имплантата.
  5. Медленно увеличивайте продолжительность фиксации головы (10-45 мин) до тех пор, пока животное не станет спокойным и относительно неподвижным во время фиксации головы (2-3 дня).
  6. Приучайте животное к наличию фотоаппарата, ИК-источника света и источника белого света (1-2 дня). Включите белый свет, постепенно увеличивая продолжительность (с 10 мин до 30 мин).
  7. Приучите животное к акустической стимуляции, воспроизводя различные звуки (например, чистые тона, щелчки, вокализации) на разных уровнях звука (1-2 дня, одновременно с шагом 2.6). Чтобы свести к минимуму привыкание к экспериментальным стимулам, используйте звуки, отличные от тех, которые запланированы для экспериментов по пупиллометрии на этом этапе.

3. Калибровка зрачковой камеры

ПРИМЕЧАНИЕ: Камера, используемая для пупиллометрии, выводит видео через USB в пакет программного обеспечения для пупиллометрии. Из этого видео диаметр зрачка извлекается с помощью эллипса и настраиваемого пользователем порогового значения с помощью пакета программного обеспечения для пупиллометрии (см. Таблицу материалов). Затем программное обеспечение взаимодействует с цифро-аналоговой картой. Карта выдает аналоговое значение напряжения, пропорциональное диаметру зрачка. Калибровка необходима для преобразования этого значения напряжения обратно в диаметр зрачка в единицах длины.

  1. Поместите лист бумаги с изображениями черных дисков известного диаметра в том же месте, где будет находиться глаз врача общей практики во время пупиллометрии. Для врачей общей практики PD находится в диапазоне 4 мм. Поэтому выполняйте калибровку с помощью дисков 3 мм, 4 мм и 5 мм.
  2. Разместите камеру для пупиллометрии (см. Таблицу материалов) на том же расстоянии (25 см), на котором будут проводиться эксперименты. Отрегулируйте диафрагму камеры и фокусируйтесь до тех пор, пока не будет получено четко сфокусированное изображение диска известного диаметра.
  3. В программном обеспечении для сбора данных о пупиллометрии (см. Таблицу материалов) отрегулируйте порог так, чтобы контур эллипса точно соответствовал изображенному диску, и запишите значение аналогового выходного напряжения и масштабирование.
  4. Повторите эту процедуру для дисков 3 мм, 4 мм и 5 мм. Затем сведите в таблицу фактические значения диаметра (в мм), соответствующие значениям аналогового выходного напряжения.

4. Сбор данных пупиллометрии

  1. Проводите все эксперименты в звукопоглощающей кабине или камере, при этом внутренние стенки покрыты безэховой пеной.
  2. Для доставки стимула в свободном поле установите калиброванный громкоговоритель на стенку камеры с шумоподавлением на высоте, равной положению, в котором будет размещено животное.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Выбор громкоговорителя зависит от изучаемых видов и планируемых стимулов. Для вокализаций GP используйте полнодиапазонный динамик драйвера, который имеет относительно плоскую (±3 дБ) частотную характеристику в диапазоне частот вокализации 0,5-3 кГц (рис. 1A).
  3. Поместите животное в вольер, убедившись, что большие движения тела невозможны (рис. 1A). Закрепите голову животного на жесткой раме, как описано в шаге 2 (рис. 1A).
  4. Поместите пьезоэлектрический датчик под вольер, чтобы обнаруживать и регистрировать движения животных (рис. 1A).
  5. Чтобы настроить воздушную затяжку, используйте держатель, прикрепленный к столешнице, чтобы поместить наконечник пипетки на расстоянии ~ 15 см перед мордой животного. Подсоедините силиконовую трубку (диаметром ~3 мм) к наконечнику пипетки и подсоедините трубку к баллону с регулируемым воздухом.
  6. Поддерживайте давление воздуха в баллоне от 20 до 25 фунтов на квадратный дюйм. Пропустите трубку через пережимный клапан, чтобы контролировать время и продолжительность воздушной затяжки с помощью реле с компьютерным управлением.
  7. Осветите глаз инфракрасной светодиодной матрицей, расположенной на расстоянии ~ 10 см. Используйте белую светодиодную подсветку с интенсивностью ~ 2,000 кд / м2 , чтобы осветить изображенный глаз и довести базовую PD до ~ 3.5 мм. Поддерживайте постоянную освещенность в экспериментальной камере во время экспериментальных сеансов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При нормальном лабораторном освещении (~ 500 кд/м2) зрачок врача общей практики довольно расширен и не позволяет наблюдать дальнейшее расширение, связанное со стимулом. Используя дополнительное освещение, зрачок доводится до базового диаметра ~ 3,5 мм, что обеспечивает достаточный динамический диапазон для наблюдения расширения, связанного со стимулом. Это также обеспечивает согласованные базовые показатели между сеансами и предметами.
  8. Откройте программное обеспечение для сбора зрачков и получите видео (со скоростью 90 кадров в секунду) с помощью камеры с объективом 16 мм (пространственное разрешение 0,15° угол зрения) и инфракрасным (ИК) фильтром, расположенным на расстоянии 25 см от глаз изображения. Убедитесь, что глаз находится по центру в области изображения.
  9. Регулируйте диафрагму и фокусировку камеры, а также уровень ИК-излучения до тех пор, пока контур изображенного зрачка не окажется в резком фокусе.
  10. В программном обеспечении для сбора зрачков определите интересующую область, содержащую зрачок, выбрав прямоугольную область с помощью мыши.
  11. Используйте панель управления программным обеспечением для сбора зрачков, чтобы настроить яркость и контрастность полученного видео. Установите плотность сканирования равной 5 и отрегулируйте порог таким образом, чтобы прилегание эллипса точно соответствовало контуру зрачка на видео.
  12. Используя программное обеспечение процессора нейронного интерфейса, получите и сохраните аналоговый сигнал от трассировки частичных разрядов, трассу напряжения от пьезоэлектрического датчика, регистрирующего движение, время доставки стимула и время подачи воздушной затяжки.

5. Обнаружение шума вызова и категориальная дискриминация с использованием модифицированной парадигмы чудаков

ПРИМЕЧАНИЕ: Стимулы для экспериментов по пупиллометрии состояли из вокализаций ГП, которые были записаны в колонииживотных 58. Образцы вокализации можно найти в следующем репозитории: https://github.com/vatsunlab/CaviaVOX. В частности, хрипы и нытье использовались для того, чтобы вызвать ответы учеников, показанные в репрезентативных результатах. Из каждой категории выбирайте вокализации, длина которых примерно равна. Чтобы учесть различия в амплитуде записи и временных огибающих вокализаций, при необходимости нормализуйте вокализации по их среднеквадратичным амплитудам (r.m.s.).

  1. Представьте слуховые стимулы с помощью MATLAB с соответствующей частотой дискретизации. Для врачей общей практики, которые являются низкочастотными слышащими животными, достаточно частоты дискретизации 100 кГц.
  2. Выберите восемь различных образцов вокализаций GP одинаковой длины из двух разных категорий вокализаций (например, хрипы и нытье). Одна категория (восемь примеров) будет служить стандартными стимулами, а другая категория (восемь примеров) будет служить странными или девиантными стимулами (рис. 2А).
  3. Чтобы генерировать стандартные и девиантные стимулы продолжительностью 1 с, встроенные в шум при разных уровнях отношения сигнал/шум (SNR), добавьте к вызовам белый шум одинаковой длины (закрытый шум). Диапазон SNR, отобранных в этом эксперименте, составляет от -24 дБ SNR до +40 дБ SNR.
  4. Используя блочную конструкцию, в каждом экспериментальном сеансе (продолжительность ~ 12 минут) получают данные, соответствующие одному уровню SNR. В каждом сеансе используйте восемь образцов одной категории вокализации при определенном SNR в качестве стандартных стимулов и восемь образцов другой категории вокализации на том же уровне SNR в качестве девиантных стимулов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Типичный экспериментальный блок длится ~ 12 минут. В зависимости от поведения животного и привыкания к реакциям зрачков, можно получать данные по 3-4 блока каждый день (~ 45 - 60 минут). В течение всего этого времени внимательно следите за животным с помощью зрачкового видео, следа движения, а также непосредственно между блоками.
  5. Для каждого сеанса подготовьте псевдослучайную последовательность предъявления стимулов, которая содержит стандартные стимулы >90% времени. Убедитесь, что между девиантными стимулами было проведено не менее 20 испытаний со стандартными стимулами (рис. 2B).
    ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от эксперимента, порядок девиантных стимулов в последовательности представления стимулов может принимать латинский квадратный дизайн, чтобы гарантировать, что каждый уникальный девиантный стимул занимает уникальное последовательное положение в каждом сеансе. Таким образом, усреднение по всем сеансам может свести к минимуму влияние девиантной позиции стимула в общей последовательности стимулов.
  6. Используйте фиксированную интенсивность стимула (например, уровень звукового давления 85 дБ) для всех проявлений стимула.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте соответствующий цифро-аналоговый преобразователь для генерации аудиосигнала, ослабьте его до желаемого уровня звука с помощью программируемого аттенюатора, усилите сигнал и подайте сигнал с помощью калиброванного громкоговорителя (например, аппаратного обеспечения, см. Таблицу материалов).
  7. Представляйте стимулы с высокой временной регулярностью (стимул 1 с, за которым следуют 3 секунды молчания, как показано в репрезентативных результатах).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Реакция расширения зрачка медленная, обычно достигает пика примерно через 1 секунду после начала стимула и занимает около 5 секунд, чтобы вернуться к исходному уровню49. Скорость проявления стимула должна быть достаточно низкой, чтобы учесть эти медленные временные рамки. Временная регулярность важна, потому что возможно, что прерывание временного паттерна само по себе может действовать как девиантный стимул.
  8. Чтобы поддерживать взаимодействие животного со стимулами и свести к минимуму привыкание, при желании сделайте короткую воздушную затяжку (100 мс) после девиантного стимула. Убедитесь, что начало воздушной затяжки достаточно отделено от продолжительности стимула (2,5 с от начала стимула), чтобы вызванные стимулом реакции расширения зрачков достигли пика до того, как будут артефакты моргания, вызванные воздушным пыхтением.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В классической парадигме чудаков не используются ни положительные, ни отрицательные подкрепления. Поскольку воздушная затяжка используется здесь в качестве мягкого аверсивного подкрепления для поддержания взаимодействия животного со слуховыми стимулами, парадигма называется модифицированной парадигмой чудака.

6. Анализ и статистика

ПРИМЕЧАНИЕ: Все анализы были выполнены с использованием пользовательского кода, написанного в MATLAB (доступно по https://github.com/vatsunlab/GP_Pupil). Описаны два основных метода анализа, которые касаются надежности и времени ответов учеников соответственно. Выбор одного или обоих методов будет продиктован дизайном эксперимента.

  1. Обнаружение движения и исключение пробной версии
    1. Используя код pupil_avg_JOVE.m, выполняйте обнаружение движения и пробное исключение для каждого сеанса. Для этого запустите код и выберите файл данных из одного сеанса во всплывающем диалоговом окне.
    2. Линейно отклоняйте трассировку частичных разрядов и преобразуйте единицы измерения напряжения в микрометры с помощью калибровочной таблицы, полученной ранее (см. шаг 3). Кроме того, линейно детренд трассировки движения на протяжении всего сеанса записи (~ 12 минут).
    3. Проверьте данные сеанса, нанеся на пробные маркеры трассировку зрачка (рис. 1B - верхний ряд) и линейно детрендовую трассировку движения (рис. 1B - нижний ряд) за продолжительность сеанса (~ 12 мин).
    4. Измерьте стандартное отклонение (SD) трассы движения. Получите время пиков трассировки движения с помощью функции findpeaks в MATLAB. Рассмотрим пики, которые пересекли порог в 5 SD и которые отделены от других пиков по крайней мере на 1 с как событиедвижения 49 (рис. 1B - внизу).
    5. Откажитесь от любых попыток (как стандартных, так и девиантных) расширения зрачка, которое происходит в течение 7 с после события движения. Если более половины числа девиантных испытаний отбрасывается из-за расширения зрачка, связанного с движением, откажитесь от всего сеанса и повторите его.
  2. Предварительная обработка и визуализация данных
    1. Используйте код pupil_avg_JOVE.m, чтобы удалить артефакты моргания глаз, предварительно обработать данные и получить среднее расширение зрачка для каждого стимула за сеансы. Для этого запустите код и выберите все файлы данных для анализа во всплывающем диалоговом окне.
    2. Обнаружение моргания глаз (изменения ЧР, превышающие 400 мкм/мс) и их устранение путем линейной интерполяции трассировки ЧР во временном окне 200 мс с центром по обнаруженному времени моргания. Откажитесь от данных сеанса, если более половины числа девиантных испытаний содержат моргание глаз между началом стимула и началом воздушной затяжки.
    3. Понижайте дискретизацию данных ЧР с частотой дискретизации от 1 000 Гц до 10 Гц.
    4. Извлеките следы БП в окне, начинающемся за 1 с до начала стимула и продолжающемся через 5 секунд после смещения стимула. Вычислите среднюю базовую PD для каждого стимула в окне 500 мс непосредственно перед началом стимула. Вычтите из этих следов исходную БП, чтобы получить вызванное стимулом изменение БП.
    5. Усредните вызванные стимулом изменения PD для каждого условия стимула по сеансам у каждого животного, а затем по животным, чтобы получить среднюю реакцию расширения зрачка на каждое условие стимула (например, рис. 3A).
  3. Анализ кривой роста (GCA) для количественной оценки временного хода изменений PD
    ПРИМЕЧАНИЕ: Этот метод анализа определяет величину и время реакции расширения зрачков и использовался в пупиллометрических исследованиях у людей 27,36,40, а также у морских свинок 49.
    1. Вертикально объедините все выходы из pupil_avg_JOVE.m для всех сеансов, животных, SNR и затуханий, чтобы построить матрицу, содержащую следующие столбцы: animalID, SNR, уровень звука и значения диаметра зрачка (1-50). Используя код pupil_LME_JOVE.m, выполните анализ кривой роста (GCA)27,36,40,49.
    2. Подгонка линейных моделей со смешанными эффектами с пересечениями предметного уровня в качестве случайных эффектов и полиномами ортогонального времени порядка двух в качестве фиксированных эффектов, при этом каждый девиантный SNR рассматривается как отдельная группа, к фазе роста следа диаметра зрачка (от 0,1 до 2,1 с после начала стимула).
    3. Смоделируйте восходящую фазу следа зрачка по следующей формуле36,49:
      Расширение зрачка = (Перехват + Условие) + время1 * (β время1 + β время1: Условие) + время2* (β время2 + β время2: Условие) + r (субъектный уровеньперехват)
      Где, time1 и time2 соответствуют ортогональным линейным и квадратичным многочленам времени, а βs соответствуют весам.
    4. Оцените средние веса (βs) и их стандартные погрешности с помощью функции fitlme в MATLAB. Оцените статистическую значимость весов с помощью функции coeftest.
    5. Для каждого SNR построите веса, соответствующие пересечению, линейному и квадратичному членам, чтобы визуализировать результаты (рис. 3B, C).
  4. Анализ испытаний, показывающих статистически значимое расширение зрачков
    ПРИМЕЧАНИЕ: Этот метод анализа определяет долю девиантных испытаний, в которых наблюдается статистически значимая реакция расширения зрачка, и соответствует надежности реакций расширения зрачка.
    1. Выберите подходящее окно анализа (0,5-1 с), сосредоточенное вокруг пика реакции зрачка (обычно ~ 1,5 с после начала стимула). Вычислите среднее значение БП в этом окне анализа для всех стандартных и девиантных испытаний.
    2. Определите, превышает ли среднее значение БП для каждого из девиантных испытаний 2,33 стандартных ошибок объединенного распределения средних значений БП для стандартных испытаний. Подсчитайте девиантные испытания, которые превышают этот порог, как испытания, демонстрирующие значительное расширение зрачка.
    3. Разделите количество девиантных испытаний, показывающих значительное расширение зрачка, на общее количество девиантных испытаний (для каждого состояния), чтобы количественно оценить долю испытаний, которые показывают статистически значимое увеличение БП по сравнению со стандартными испытаниями стимулов.
    4. Поместите весь сессионный процент испытаний со значительными изменениями зрачков в каждую ячейку клеточного массива, где ячейки расположены от более низкого к более высокому SNR. С помощью кода pupil_threshold_estimate_JOVE.m оцените порог категоризации вызова в шуме.
    5. Постройте график доли испытаний, которые показывают статистически значимое увеличение БП в зависимости от SNR (рис. 3D). Для этих данных используйте функцию fitnlm MATLAB (в наборе инструментов статистики), чтобы подогнать психометрические функции вида61:
      Ψ(x; α, β, λ) = (1 -λ) * F(x; α, β)
      Где, F — функция Вейбулла, определяемая как
      F(x; α, β) = , figure-protocol-22433α — параметр сдвига, β — параметр наклона, λ — скорость градиента.

Результаты

Пупиллометрия была выполнена у трех мужчин-пигментированных врачей общей практики весом ~ 600-1000 г в ходе экспериментов. Как описано в этом протоколе, для оценки пороговых значений категоризации вызова в шуме для представления стимула использовалась странная парадигма. В странной парад...

Обсуждение

Этот протокол демонстрирует использование пупиллометрии в качестве неинвазивного и надежного метода оценки слуховых порогов у пассивно слушающих животных. В соответствии с протоколом, описанным здесь, были оценены пороги категоризации вызова по шуму у врачей общей практики с нормал?...

Раскрытие информации

У авторов нет конфликтов интересов, которые необходимо раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана NIH (R01DC017141), Фондом исследований слуха Pennsylvania Lions и средствами кафедр отоларингологии и нейробиологии Университета Питтсбурга.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Analog output boardMeasurement Computing Corporation, Norton, MAPCI-DDA02/12
Anechoic foamSonex One, Pinta Acoustic, Minneapolis, MN
Condenser microphoneBehringer, Willich, GermanyC-2
Free-field microphoneBruel & Kjaer, Denmark) Type 4940 
MatlabMathworks, Inc., Natick, MA2018a version
Monocular remote camera and illuminator systemArrington Research, Scottsdale, AZMCU902Infrared LED array + camera with infrared filter
Multifunction I/O Device National Instruments, Austin, TXPCI-6229
Neural interface processorRipple Neuro, Salt Lake City, UTSCOUT
Piezoelectric motion sensorSparkFun Electronics, Niwot, COSEN-10293
Pinch valve Cole-Palmer Instrument Co., Vernon Hills, ILEW98302-02
Programmable attenuatorTucker-Davis Technologies, Alachua, FLPA5
Silicon TubingCole-Parmer~3 mm
Sound attenuating chamberIAC Acoustics
Speaker full-range driverTang Band Speaker, Taipei, TaiwanW4-1879
Stereo AmplifierTucker-Davis Technologies, Alachua, FLSA1
Tabletop - CleanTop OpticalTMC vibration control / Ametek, Peabody, MA
Viewpoint softwareViewPoint, Arrington Research, Scottsdale, AZ

Ссылки

  1. Steinhauer, S. R., Siegle, G. J., Condray, R., Pless, M. Sympathetic and parasympathetic innervation of pupillary dilation during sustained processing. International Journal of Psychophysiology. 52 (1), 77-86 (2004).
  2. Strauch, C., Wang, C. A., Einhäuser, W., Vander Stigchel, S., Naber, M. Pupillometry as an integrated readout of distinct attentional networks. Trends in Neurosciences. 45 (8), 635-647 (2022).
  3. Turnbull, P. R., Irani, N., Lim, N., Phillips, J. R. Origins of Pupillary Hippus in the autonomic nervous system. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 58 (1), 197-203 (2017).
  4. Bradley, M. M., Miccoli, L., Escrig, M. A., Lang, P. J. The pupil as a measure of emotional arousal and autonomic activation. Psychophysiology. 45 (4), 602-607 (2008).
  5. Oliva, M., Anikin, A. Pupil dilation reflects the time course of emotion recognition in human vocalizations. Scientific Reports. 8 (1), 4871 (2018).
  6. Privitera, C. M., Renninger, L. W., Carney, T., Klein, S., Aguilar, M. Pupil dilation during visual target detection. Journal of Vision. 10 (10), 3 (2010).
  7. Zekveld, A. A., Koelewijn, T., Kramer, S. E. The pupil dilation response to auditory stimuli: Current state of knowledge. Trends in Hearing. 22, 2331216518777174 (2018).
  8. Alamia, A., VanRullen, R., Pasqualotto, E., Mouraux, A., Zenon, A. Pupil-linked arousal responds to unconscious surprisal. The Journal of Neuroscience. 39 (27), 5369-5376 (2019).
  9. Wang, C. A., et al. Arousal effects on pupil size, heart rate, and skin conductance in an emotional face task. Frontiers in Neurology. 9, 1029 (2018).
  10. Hess, E. H., Polt, J. M. Pupil size in relation to mental activity during simple problem-solving. Science. 143 (3611), 1190-1192 (1964).
  11. Kahneman, D., Beatty, J. Pupil diameter and load on memory. Science. 154 (3756), 1583-1585 (1966).
  12. Lisi, M., Bonato, M., Zorzi, M. Pupil dilation reveals top-down attentional load during spatial monitoring. Biological Psychology. 112, 39-45 (2015).
  13. Zhao, S., Bury, G., Milne, A., Chait, M. Pupillometry as an objective measure of sustained attention in young and older listeners. Trends in Hearing. 23, 2331216519887815 (2019).
  14. Steinhauer, S. R., Hakerem, G. The pupillary response in cognitive psychophysiology and schizophrenia. Annals of the New York Academy of Sciences. 658, 182-204 (1992).
  15. Thakkar, K. N., et al. Reduced pupil dilation during action preparation in schizophrenia. International Journal of Psychophysiology. 128, 111-118 (2018).
  16. Bitsios, P., Szabadi, E., Bradshaw, C. M. Relationship of the 'fear-inhibited light reflex' to the level of state/trait anxiety in healthy subjects. International Journal of Psychophysiology. 43 (2), 177-184 (2002).
  17. Burkhouse, K. L., Siegle, G. J., Gibb, B. E. Pupillary reactivity to emotional stimuli in children of depressed and anxious mothers. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 55 (9), 1009-1016 (2014).
  18. Nagai, M., Wada, M., Sunaga, N. Trait anxiety affects the pupillary light reflex in college students. Neuroscience Letters. 328 (1), 68-70 (2002).
  19. Giza, E., Fotiou, D., Bostantjopoulou, S., Katsarou, Z., Karlovasitou, A. Pupil light reflex in Parkinson's disease: evaluation with pupillometry. International Journal of Neuroscience. 121 (1), 37-43 (2011).
  20. You, S., Hong, J. H., Yoo, J. Analysis of pupillometer results according to disease stage in patients with Parkinson's disease. Scientific Reports. 11 (1), 17880 (2021).
  21. Fountoulakis, K. N., St Kaprinis, G., Fotiou, F. Is there a role for pupillometry in the diagnostic approach of Alzheimer's disease? a review of the data. Journal of the American Geriatrics Society. 52 (1), 166-168 (2004).
  22. McGinley, M. J., David, S. V., McCormick, D. A. Cortical membrane potential signature of optimal states for sensory signal detection. Neuron. 87 (1), 179-192 (2015).
  23. McGinley, M. J., et al. Waking state: Rapid variations modulate neural and behavioral responses. Neuron. 87 (6), 1143-1161 (2015).
  24. Schwartz, Z. P., Buran, B. N., David, S. V. Pupil-associated states modulate excitability but not stimulus selectivity in primary auditory cortex. Journal of Neurophysiology. 123 (1), 191-208 (2020).
  25. Vinck, M., Batista-Brito, R., Knoblich, U., Cardin, J. A. Arousal and locomotion make distinct contributions to cortical activity patterns and visual encoding. Neuron. 86 (3), 740-754 (2015).
  26. Yüzgeç, &. #. 2. 1. 4. ;., Prsa, M., Zimmermann, R., Huber, D. Pupil size coupling to cortical states protects the stability of deep sleep via parasympathetic modulation. Current Biology. 28 (3), 392-400 (2018).
  27. Kuchinsky, S. E., et al. Pupil size varies with word listening and response selection difficulty in older adults with hearing loss. Psychophysiology. 50 (1), 23-34 (2013).
  28. Winn, M. B., Wendt, D., Koelewijn, T., Kuchinsky, S. E. Best practices and advice for using pupillometry to measure listening effort: An introduction for those who want to get started. Trends in Hearing. 22, 2331216518800869 (2018).
  29. Zekveld, A. A., Kramer, S. E. Cognitive processing load across a wide range of listening conditions: insights from pupillometry. Psychophysiology. 51 (3), 277-284 (2014).
  30. Zekveld, A. A., Kramer, S. E., Festen, J. M. Cognitive load during speech perception in noise: the influence of age, hearing loss, and cognition on the pupil response. Ear and Hearing. 32 (4), 498-510 (2011).
  31. Koelewijn, T., Zekveld, A. A., Festen, J. M., Kramer, S. E. Pupil dilation uncovers extra listening effort in the presence of a single-talker masker. Ear and Hearing. 33 (2), 291-300 (2012).
  32. McCloy, D. R., Lau, B. K., Larson, E., Pratt, K. A. I., Lee, A. K. C. Pupillometry shows the effort of auditory attention switching. The Journal of the Acoustical Society of America. 141 (4), 2440 (2017).
  33. Piquado, T., Isaacowitz, D., Wingfield, A. Pupillometry as a measure of cognitive effort in younger and older adults. Psychophysiology. 47 (3), 560-569 (2010).
  34. Reilly, J., Kelly, A., Kim, S. H., Jett, S., Zuckerman, B. The human task-evoked pupillary response function is linear: Implications for baseline response scaling in pupillometry. Behavior Research Methods. 51 (2), 865-878 (2019).
  35. Zekveld, A. A., Kramer, S. E., Festen, J. M. Pupil response as an indication of effortful listening: the influence of sentence intelligibility. Ear and Hearing. 31 (4), 480-490 (2010).
  36. Winn, M. B., Edwards, J. R., Litovsky, R. Y. The impact of auditory Spectral Resolution on Listening Effort Revealed by Pupil Dilation. Ear and Hearing. 36 (4), 153-165 (2015).
  37. Ayasse, N. D., Wingfield, A. A Tipping point in listening effort: Effects of linguistic complexity and age-related hearing loss on sentence comprehension. Trends in Hearing. 22, 2331216518790907 (2018).
  38. Koelewijn, T., Versfeld, N. J., Kramer, S. E. Effects of attention on the speech reception threshold and pupil response of people with impaired and normal hearing. Hearing Research. 354, 56-63 (2017).
  39. Kramer, S. E., Kapteyn, T. S., Festen, J. M., Kuik, D. J. Assessing aspects of auditory handicap by means of pupil dilatation. Audiology. 36 (3), 155-164 (1997).
  40. Kuchinsky, S. E., et al. Speech-perception training for older adults with hearing loss impacts word recognition and effort. Psychophysiology. 51 (10), 1046-1057 (2014).
  41. Wendt, D., Hietkamp, R. K., Lunner, T. Impact of noise and noise reduction on processing effort: A pupillometry study. Ear and Hearing. 38 (6), 690-700 (2017).
  42. Winn, M. B. Rapid release from listening effort resulting from semantic context, and effects of spectral degradation and cochlear implants. Trends in Hearing. 20, 2331216516669723 (2016).
  43. Winn, M. B., Moore, A. N. Pupillometry reveals that context benefit in speech perception can be disrupted by later-occurring sounds, especially in listeners with Cochlear implants. Trends in Hearing. 22, 2331216518808962 (2018).
  44. Selezneva, E., Brosch, M., Rathi, S., Vighneshvel, T., Wetzel, N. Comparison of pupil dilation responses to unexpected sounds in monkeys and humans. Frontiers in Psychology. 12, 754604 (2021).
  45. Wetzel, N., Buttelmann, D., Schieler, A., Widmann, A. Infant and adult pupil dilation in response to unexpected sounds. Developmental Psychobiology. 58 (3), 382-392 (2016).
  46. Sokolov, E. N. Higher nervous functions; the orienting reflex. Annual Review of Physiology. 25, 545-580 (1963).
  47. Bala, A. D., Takahashi, T. T. Pupillary dilation response as an indicator of auditory discrimination in the barn owl. Journal of Comparative Physiology A. 186 (5), 425-434 (2000).
  48. Bala, A. D. S., Whitchurch, E. A., Takahashi, T. T. Human auditory detection and discrimination measured with the pupil dilation Response. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 21 (1), 43-59 (2020).
  49. Montes-Lourido, P., Kar, M., Kumbam, I., Sadagopan, S. Pupillometry as a reliable metric of auditory detection and discrimination across diverse stimulus paradigms in animal models. Scientific Reports. 11 (1), 3108 (2021).
  50. Coomber, B., et al. Neural changes accompanying tinnitus following unilateral acoustic trauma in the guinea pig. European Journal of Neuroscience. 40 (2), 2427-2441 (2014).
  51. Fan, L., et al. Pre-exposure to lower-level noise mitigates cochlear synaptic loss induced by high-level noise. Frontiers in Systems Neuroscience. 14, 25 (2020).
  52. Furman, A. C., Kujawa, S. G., Liberman, M. C. Noise-induced cochlear neuropathy is selective for fibers with low spontaneous rates. Journal of Neurophysiology. 110 (3), 577-586 (2013).
  53. Hickman, T. T., Hashimoto, K., Liberman, L. D., Liberman, M. C. Synaptic migration and reorganization after noise exposure suggests regeneration in a mature mammalian cochlea. Scientific Reports. 10 (1), 19945 (2020).
  54. Huetz, C., Guedin, M., Edeline, J. M. Neural correlates of moderate hearing loss: time course of response changes in the primary auditory cortex of awake guinea-pigs. Frontiers in Systems Neuroscience. 8, 65 (2014).
  55. Lin, H. W., Furman, A. C., Kujawa, S. G., Liberman, M. C. Primary neural degeneration in the Guinea pig cochlea after reversible noise-induced threshold shift. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 12 (5), 605-616 (2011).
  56. Shi, L., et al. Ribbon synapse plasticity in the cochleae of Guinea pigs after noise-induced silent damage. PLoS One. 8 (12), 81566 (2013).
  57. Naert, G., Pasdelou, M. P., Le Prell, C. G. Use of the guinea pig in studies on the development and prevention of acquired sensorineural hearing loss, with an emphasis on noise. The Journal of the Acoustical Society of America. 146 (5), 3743 (2019).
  58. Montes-Lourido, P., Kar, M., Pernia, M., Parida, S., Sadagopan, S. Updates to the guinea pig animal model for in-vivo auditory neuroscience in the low frequency regime. Hearing Research. 424, 108603 (2022).
  59. Gao, L., Wang, X. Intracellular neuronal recording in awake nonhuman primates. Nature Protocols. 15 (11), 3615-3631 (2020).
  60. Lu, T., Liang, L., Wang, X. Neural representations of temporally asymmetric stimuli in the auditory cortex of awake primates. Journal of Neurophysiology. 85 (6), 2364-2380 (2001).
  61. Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: I. Fitting, sampling, and goodness of fit. Perception & psychophysics. 63 (8), 1293-1313 (2001).
  62. Kar, M., et al. Vocalization categorization behavior explained by a feature-based auditory categorization model. bioRxiv. , 483596 (2022).
  63. Schaeffer, D. J., Liu, C., Silva, A. C., Everling, S. Magnetic resonance imaging of marmoset monkeys. ILAR Journal. 61 (2-3), 274-285 (2020).
  64. Drucker, C. B., Carlson, M. L., Toda, K., DeWind, N. K., Platt, M. L. Non-invasive primate head restraint using thermoplastic masks. Journal of Neuroscience Methods. 253, 90-100 (2015).
  65. Meyer, A. F., O'Keefe, J., Poort, J. Two distinct types of eye-head coupling in freely moving mice. Current Biology. 30 (11), 2116-2130 (2020).
  66. Nath, T., et al. Using DeepLabCut for 3D markerless pose estimation across species and behaviors. Nature Protocols. 14 (7), 2152-2176 (2019).
  67. DiNino, M., Holt, L. L., Shinn-Cunningham, B. G. Cutting through the noise: Noise-Induced cochlear synaptopathy and individual differences in speech understanding among listeners with normal audiograms. Ear and Hearing. 43 (1), 9-22 (2022).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

191

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены