Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Basit ve invaziv olmayan bir teknik olan pupillometri, normal işiten hayvanlarda ve çeşitli işitsel patolojilerin hayvan modellerinde gürültü içinde işitme eşiklerini belirlemek için bir yöntem olarak önerilmektedir.
Gürültüye maruz kalma, sensörinöral işitme kaybının önde gelen nedenlerinden biridir. Gürültüye bağlı işitme kaybının hayvan modelleri, işitme kaybının altında yatan anatomik ve fizyolojik patolojiler hakkında mekanik bir bakış açısı sağlamıştır. Bununla birlikte, işitme kaybı olan insanlarda gözlenen davranışsal eksiklikleri hayvan modellerindeki davranışsal eksikliklerle ilişkilendirmek zor olmaya devam etmektedir. Burada pupillometri, hayvan ve insan davranış verilerinin doğrudan karşılaştırılmasını sağlayacak bir yöntem olarak önerilmektedir. Yöntem, modifiye edilmiş bir tuhaf top paradigmasına dayanmaktadır - konuyu bir uyaranın tekrarlanan sunumuna alıştırmak ve aralıklı olarak tekrarlanan uyarandan bazı parametrik şekillerde değişen sapkın bir uyaran sunmak. Temel öncül, tekrarlanan ve sapkın uyaran arasındaki değişim denek tarafından tespit edilirse, tekrarlanan uyaranın ortaya çıkardığından daha büyük bir öğrenci genişleme tepkisini tetikleyeceğidir. Bu yaklaşım, işitme kaybı çalışmaları da dahil olmak üzere işitsel araştırmalarda yaygın olarak kullanılan bir hayvan modeli olan kobaylarda bir seslendirme kategorizasyon görevi kullanılarak gösterilmiştir. Bir seslendirme kategorisindeki seslendirmeleri standart uyaranlar olarak ve ikinci bir kategorideki seslendirmeleri çeşitli sinyal-gürültü oranlarında gürültüye gömülü tuhaf uyaranlar olarak sunarak, tuhaf top kategorisine yanıt olarak öğrenci genişlemesinin büyüklüğünün sinyal-gürültü oranı ile monoton olarak değiştiği gösterilmiştir. Büyüme eğrisi analizleri daha sonra bu öğrenci dilatasyon yanıtlarının zaman seyrini ve istatistiksel önemini karakterize etmek için kullanılabilir. Bu protokolde, kobayların kuruluma alışması, pupillometrinin yapılması ve verilerin değerlendirilmesi/analiz edilmesi için ayrıntılı prosedürler açıklanmaktadır. Bu teknik, bu protokolde normal işiten kobaylarda gösterilmesine rağmen, yöntem her bir denek içindeki çeşitli işitme kaybı biçimlerinin duyusal etkilerini değerlendirmek için kullanılabilir. Bu etkiler daha sonra eşzamanlı elektrofizyolojik ölçümler ve post-hoc anatomik gözlemlerle ilişkilendirilebilir.
Göz bebeği çapı (PD) çok sayıda faktörden etkilenebilir ve zamanla değişen PD ölçümü pupillometri olarak bilinir. PD, iris sfinkter kası (daralmada rol oynar) ve iris dilatatör kası (dilatasyonda rol oynar) tarafından kontrol edilir. Daralma kası parasempatik sistem tarafından innerve edilir ve kolinerjik projeksiyonları içerirken, iris dilatatör, noradrenerjik ve kolinerjik projeksiyonları içeren sempatik sistem tarafından innerve edilir 1,2,3. PD değişikliklerini indüklemek için en iyi bilinen uyaran parlaklık-daralmadır ve göz bebeğinin genişleme tepkileri ortam ışığı yoğunluğundaki değişikliklerle üretilebilir2. PD ayrıca odak mesafesi2'nin bir fonksiyonu olarak da değişir. Bununla birlikte, PD'nin ayrıca parlaklıkla ilgili olmayan dalgalanmalargösterdiği on yıllardır bilinmektedir 4,5,6,7. Örneğin, iç zihinsel durumlardaki değişiklikler geçici PD değişikliklerine neden olabilir. Öğrenci, duygusal olarak yüklü uyaranlara yanıt olarak genişler veya uyarılmaile artar 4,5,8,9. Öğrenci genişlemesi, artan zihinsel çaba veya dikkat10,11,12,13 gibi diğer bilişsel mekanizmalarla da ilişkili olabilir. Öğrenci büyüklüğü varyasyonları ve zihinsel durumlar arasındaki bu ilişki nedeniyle, PD değişiklikleri şizofreni 14,15, anksiyete16,17,18, Parkinson hastalığı 19,20 ve Alzheimer hastalığı 21 gibi klinik bozuklukların bir belirteci olarak araştırılmıştır. , diğerleri arasında. Hayvanlarda, PD değişiklikleri iç davranış durumlarını izler ve kortikal alanlardaki nöronal aktivite seviyeleri ile ilişkilidir22,23,24,25. Göz bebeği çapının ayrıca farelerde uyku durumunun güvenilir bir göstergesi olduğu gösterilmiştir26. Uyarılma ve iç durumla ilgili bu PD değişiklikleri tipik olarak birkaç on saniyelik uzun zaman ölçeklerinde meydana gelir.
İşitme araştırmaları alanında, normal işitmede olduğu kadar işitme engelli bireylerde, dinleme çabası ve işitsel algı pupillometri kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu çalışmalar tipik olarak, çeşitli tespit veya tanıma görevlerini yerine getiren 27,28,29,30 eğitimli araştırma konularını içerir. Uyarılma ve PD arasındaki yukarıda belirtilen ilişki nedeniyle, artan görev katılımı ve dinleme çabasının, artan öğrenci dilatasyon yanıtları 30,31,32,33,34,35 ile ilişkili olduğu gösterilmiştir. Bu nedenle, pupillometri, normal işiten dinleyicilerde spektral olarak bozulmuş konuşmayı tanımak için artan dinleme çabasının harcandığını göstermek için kullanılmıştır29,36. Yaşa bağlı işitme kaybı olan insanlar 27,30,37,38,39,40,41 ve koklear implant kullanıcıları 42,43 gibi işitme engelli dinleyicilerde, konuşma anlaşılabilirliğinin azalmasıyla öğrenci yanıtları da artmıştır; Bununla birlikte, işitme engelli dinleyiciler, normal işitme deneklerine kıyasla daha kolay dinleme koşullarında daha fazla öğrenci genişlemesi göstermiştir 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Ancak, dinleyicinin bir tanıma görevini yerine getirmesini gerektiren deneyler her zaman mümkün değildir - örneğin, bebeklerde veya bazı hayvan modellerinde. Bu nedenle, akustik uyaranların uyandırdığı parlaklık ile ilişkili olmayan pupilla yanıtları, bu vakalarda işitsel tespiti değerlendirmek için uygun bir alternatif yöntem olabilir44,45. Daha önceki çalışmalar, yönlendirme refleksi46'nın bir parçası olarak geçici ve uyarana bağlı bir öğrenci genişlemesi göstermiştir. Daha sonraki çalışmalar, baykuşlarda frekans duyarlılığı eğrileri elde etmek için uyarana bağlı öğrenci dilatasyonlarının kullanıldığını göstermiştir47,48. Son zamanlarda, bu yöntemler insan bebeklerinde pupilla dilatasyon yanıtının duyarlılığını değerlendirmek için uyarlanmıştır48. Pupillometrinin, pasif olarak dinleyen kobaylarda (GP'ler) işitsel tespit ve ayrımcılık eşiklerini tahmin etmek için çok çeşitli basit (tonlar) ve karmaşık (GP seslendirmeleri) uyaranlar kullanarak güvenilir ve invaziv olmayan bir yaklaşım olduğu gösterilmiştir49. Bu uyaranla ilişkili PD değişiklikleri tipik olarak birkaç saniyelik sıradaki daha hızlı zaman ölçeklerinde meydana gelir ve uyaran zamanlamasıyla bağlantılıdır. Burada, uyaranla ilişkili PD değişikliklerinin pupillometrisi, hayvan modellerinde çeşitli işitme bozukluğu türlerinin davranışsal etkilerini incelemek için bir yöntem olarak önerilmiştir. Özellikle, GP'lerde kullanılmak üzere pupillometri protokolleri, çeşitli işitsel patoloji türlerinin iyi kurulmuş bir hayvan modeli olan 50,51,52,53,54,55,56 (ayrıca kapsamlı bir inceleme için referans 57'ye bakınız) açıklanmaktadır.
Bu teknik normal işitme pratisyen hekimlerde gösterilmesine rağmen, bu yöntemler diğer hayvan modellerine ve çeşitli işitsel patolojilerin hayvan modellerine kolayca uyarlanabilir. Önemli olarak, pupillometri, olası ses algılama ve algılama eksikliklerinin altında yatan mekanizmaları incelemek için EEG gibi diğer invaziv olmayan ölçümlerle ve ayrıca invaziv elektrofizyolojik kayıtlarla birleştirilebilir. Son olarak, bu yaklaşım insan ve hayvan modelleri arasında geniş benzerlikler oluşturmak için de kullanılabilir.
Tüm deneysel prosedürler için, Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi'nden (IACUC) onay alın ve laboratuvar hayvanlarının bakımı ve kullanımı için NIH Kılavuzlarına uyun. Amerika Birleşik Devletleri'nde, pratisyen hekimler ayrıca Amerika Birleşik Devletleri Tarım Bakanlığı (USDA) düzenlemelerine tabidir. Bu protokoldeki tüm prosedürler Pittsburgh Üniversitesi IACUC tarafından onaylanmış ve laboratuvar hayvanlarının bakımı ve kullanımı için NIH Kılavuzlarına bağlı kalmıştır. Bu deney için, ~ 600-1000 g ağırlığında, 4 ila 10 aylıkken üç erkek vahşi tip, pigmentli GP kullanıldı.
1. Cerrahi prosedür
2. Hayvanların deney düzeneğine alışması
NOT: Deneyler tipik olarak sesi azaltılmış bir odada veya kabinde gerçekleşir (bkz. Bir hayvanı kuruluma alıştırmak için gereken süre, konudan konuya değişir. Tipik alışma süreleri aşağıda belirtilmiştir. İyi alışmış bir hayvan, minimum vücut hareketi ile kafa fiksasyonunu tolere edecek ve daha iyi göz bebeği çapı ölçümleri ile sonuçlanacaktır.
3. Öğrenci kamerasının kalibrasyonu
NOT: Pupillometri için kullanılan kamera, USB üzerinden pupillometri yazılım paketine bir video gönderir. Bu videodan, pupilla çapı, pupillometri yazılım paketi tarafından bir elips uyumu ve kullanıcı tarafından ayarlanabilir eşik değeri kullanılarak ayıklanmıştır (bkz. Yazılım daha sonra dijital-analog bir kartla arayüz oluşturur. Kart, öğrenci çapıyla orantılı bir analog voltaj değeri verir. Bu voltaj değerini uzunluk birimleri cinsinden öğrenci çapına geri dönüştürmek için kalibrasyon gereklidir.
4. Pupillometri veri toplama
5. Değiştirilmiş bir tuhaf top paradigması kullanarak gürültü çağrısı algılama ve kategorik ayrımcılık
NOT: Pupillometri deneyleri için uyaranlar, bir hayvan kolonisinde kaydedilen GP seslendirmelerinden oluşuyordu58. Seslendirme örnekleri aşağıdaki depoda bulunabilir: https://github.com/vatsunlab/CaviaVOX. Özellikle, temsili sonuçlarda gösterilen öğrenci yanıtlarını ortaya çıkarmak için wheek ve whine çağrıları kullanılmıştır. Her kategoriden, uzunlukları yaklaşık olarak eşit olan seslendirmeleri seçin. Seslendirmelerin kayıt genliği ve zamansal zarflarındaki farklılıkları hesaba katmak için, gerekirse seslendirmeleri kök ortalama kare (r.m.s.) genliklerine göre normalleştirin.
6. Analiz ve istatistik
NOT: Tüm analizler MATLAB'da yazılmış özel kod kullanılarak gerçekleştirilmiştir (https://github.com/vatsunlab/GP_Pupil bulunabilir). Sırasıyla öğrenci yanıtlarının güvenilirliğini ve zaman seyrini ele alan iki ana analiz yöntemi tanımlanmıştır. Yöntemlerden birinin veya her ikisinin seçimi deneysel tasarım tarafından belirlenecektir.
Pupillometri, deneyler boyunca ~ 600-1.000 g ağırlığında üç erkek pigmentli pratisyen hekimde gerçekleştirildi. Bu protokolde açıklandığı gibi, gürültü çağrısı kategorizasyon eşiklerini tahmin etmek için, uyaran sunumu için tuhaf bir paradigma kullanılmıştır. Tuhaf top paradigmasında, belirli bir SNR'de beyaz gürültüye gömülü bir kategoriye (sızlanmalar) ait çağrılar standart uyaranlar (Şekil 2A) olarak ve aynı SNR'de (Şekil 2A
Bu protokol, pasif olarak dinleyen hayvanlarda işitsel eşikleri tahmin etmek için invaziv olmayan ve güvenilir bir yöntem olarak pupillometrinin kullanımını göstermektedir. Burada açıklanan protokolü takiben, normal işitme pratisyen hekimlerinde gürültü çağrısı kategorizasyon eşikleri tahmin edilmiştir. Pupillometri kullanılarak tahmin edilen eşiklerin, operant eğitim kullanılarak elde edilenlerle tutarlı olduğu bulunmuştur62. Bununla birlikte, operant eğitimle karş?...
Yazarların açıklayacağı bir çıkar çatışması yoktur.
Bu çalışma NIH (R01DC017141), Pennsylvania Lions İşitme Araştırma Vakfı ve Pittsburgh Üniversitesi Kulak Burun Boğaz ve Nörobiyoloji Bölümlerinden gelen fonlar tarafından desteklenmiştir.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Analog output board | Measurement Computing Corporation, Norton, MA | PCI-DDA02/12 | |
Anechoic foam | Sonex One, Pinta Acoustic, Minneapolis, MN | ||
Condenser microphone | Behringer, Willich, Germany | C-2 | |
Free-field microphone | Bruel & Kjaer, Denmark) | Type 4940 | |
Matlab | Mathworks, Inc., Natick, MA | 2018a version | |
Monocular remote camera and illuminator system | Arrington Research, Scottsdale, AZ | MCU902 | Infrared LED array + camera with infrared filter |
Multifunction I/O Device | National Instruments, Austin, TX | PCI-6229 | |
Neural interface processor | Ripple Neuro, Salt Lake City, UT | SCOUT | |
Piezoelectric motion sensor | SparkFun Electronics, Niwot, CO | SEN-10293 | |
Pinch valve | Cole-Palmer Instrument Co., Vernon Hills, IL | EW98302-02 | |
Programmable attenuator | Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL | PA5 | |
Silicon Tubing | Cole-Parmer | ~3 mm | |
Sound attenuating chamber | IAC Acoustics | ||
Speaker full-range driver | Tang Band Speaker, Taipei, Taiwan | W4-1879 | |
Stereo Amplifier | Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL | SA1 | |
Tabletop - CleanTop Optical | TMC vibration control / Ametek, Peabody, MA | ||
Viewpoint software | ViewPoint, Arrington Research, Scottsdale, AZ |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır