Name: pupillometry to assess auditory sensation in guinea pigs
Uploaded: 2023-01-06T13:25:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af NIH (R01DC017141), Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation og midler fra afdelingerne for otolaryngologi og neurobiologi, University of Pittsburgh.

For alle eksperimentelle procedurer skal du opnå godkendelse fra Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) og overholde NIH-retningslinjerne for pleje og brug af forsøgsdyr. I USA er praktiserende læger desuden underlagt reglerne fra USA's landbrugsministerium (USDA). Alle procedurer i denne protokol blev godkendt af University of Pittsburgh IACUC og overholdt NIH-retningslinjerne for pleje og brug af forsøgsdyr. Til dette eksperiment blev der anvendt tre mandlige vildtype, pigmenterede læger mellem 4 og 1...

Denne protokol demonstrerer brugen af pupillometri som en ikke-invasiv og pålidelig metode til at estimere auditive tærskler hos passivt lyttende dyr. I overensstemmelse med den her beskrevne protokol blev der estimeret tærskler for kalkulering af støj hos normalthørende læger. Tærskler beregnet ved hjælp af pupillometri viste sig at være i overensstemmelse med dem, der blev opnået ved hjælp af operant træning62. Sammenlignet med operant træning var pupillometriprotokollen imidlertid ...

Pupildiameter (PD) kan påvirkes af en lang række faktorer, og måling af PD, der ændrer sig over tid, kaldes pupillometri. PD styres af irislukkemusklen (involveret i indsnævring) og irisdilatatormusklen (involveret i udvidelse). Indsnævringsmusklen er innerveret af det parasympatiske system og involverer kolinerge fremspring, mens irisdilatatoren er innerveret af det sympatiske system, der involverer noradrenerge og kolinerge fremspring 1,2,3. Den mest kendte stimulus til at inducere PD-ændringer er luminans-indsnævring og dilatationsrespons af pupillen kan produceres ved variationer i omgivende lysintensitet2. PD ændres også som funktion af brændvidde2. Det har imidlertid været kendt i årtier, at PD også viser ikke-luminansrelaterede udsving 4,5,6,7. For eksempel kan ændringer i interne mentale tilstande fremkalde forbigående PD-ændringer. Eleven udvider sig som reaktion på følelsesladede stimuli eller øges med ophidselse 4,5,8,9. Pupiludvidelse kan også være relateret til andre kognitive mekanismer, såsom øget mental indsats eller opmærksomhed10,11,12,13. På grund af dette forhold mellem pupilstørrelsesvariationer og mentale tilstande er PD-ændringer blevet undersøgt som en markør for kliniske lidelser som skizofreni 14,15, angst 16,17,18, Parkinsons sygdom 19,20 og Alzheimers sygdom 21 , blandt andre. Hos dyr sporer PD-ændringer interne adfærdstilstande og er korreleret med neuronale aktivitetsniveauer i kortikale områder22,23,24,25. Pupildiameter har også vist sig at være en pålidelig indikator for søvntilstanden hos mus26. Disse PD-ændringer relateret til ophidselse og den interne tilstand forekommer typisk på lange tidsskalaer i størrelsesordenen flere titalls sekunder.
Inden for høreforskning, ved normal hørelse såvel som hos hørehæmmede forsøgspersoner er lytteanstrengelse og auditiv opfattelse blevet vurderet ved hjælp af pupillometri. Disse undersøgelser involverer typisk uddannede forskningsemner27,28,29,30, der udfører forskellige former for detektions- eller genkendelsesopgaver. På grund af det førnævnte forhold mellem ophidselse og PD har øget opgaveengagement og lytteindsats vist sig at være korreleret med øgede pupiludvidelsesresponser 30,31,32,33,34,35. Således er pupillometri blevet brugt til at demonstrere, at der bruges øget lytteindsats til at genkende spektralt forringet tale hos normalthørende lyttere 29,36. Hos hørehæmmede lyttere, såsom mennesker med aldersrelateret høretab 27,30,37,38,39,40,41 og cochlear implantatbrugere 42,43, steg pupillens respons også med faldende taleforståelighed; Imidlertid viste hørehæmmede lyttere større pupiludvidelse under lettere lytteforhold sammenlignet med normale hørepersoner 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Men eksperimenter, der kræver, at lytteren udfører en genkendelsesopgave, er ikke altid mulige - for eksempel hos spædbørn eller i nogle dyremodeller. Således kan ikke-luminansrelaterede pupilresponser fremkaldt af akustiske stimuli være en levedygtig alternativ metode til vurdering af auditiv detektion i disse tilfælde44,45. Tidligere undersøgelser viste en forbigående og stimulus-bundet pupiludvidelse som en del af orienteringsrefleksen46. Senere undersøgelser har vist brugen af stimulus-bundne pupildilatationer til at udlede frekvensfølsomhedskurver hos ugler47,48. For nylig er disse metoder blevet tilpasset til at vurdere følsomheden af pupildilatationsresponsen hos spædbørn48. Pupillometri har vist sig at være en pålidelig og ikke-invasiv tilgang til estimering af auditiv detektion og diskriminationstærskler hos passivt lyttende marsvin (GP'er) ved hjælp af en bred vifte af enkle (toner) og komplekse (GP-vokaliseringer) stimuli49. Disse stimulusrelaterede PD-ændringer forekommer typisk på hurtigere tidsskalaer i størrelsesordenen flere sekunder og er knyttet til stimulustiming. Her foreslås pupillometri af stimulusrelaterede PD-ændringer som en metode til at studere adfærdsmæssige virkninger af forskellige former for hørenedsættelse i dyremodeller. Især pupillometriprotokoller til brug i praktiserende læger, en veletableret dyremodel af forskellige typer auditive patologier 50,51,52,53,54,55,56 (se også reference 57 for en udtømmende gennemgang) beskrives.
Selvom denne teknik er demonstreret hos normalthørende læger, kan disse metoder let tilpasses andre dyremodeller og dyremodeller af forskellige auditive patologier. Det er vigtigt, at pupillometri kan kombineres med andre ikke-invasive målinger såsom EEG samt med invasive elektrofysiologiske optagelser for at studere mekanismerne bag mulige lyddetekterings- og opfattelsesunderskud. Endelig kan denne tilgang også bruges til at etablere brede ligheder mellem menneske- og dyremodeller.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Analog output board</td>
			<td>Measurement Computing Corporation, Norton, MA</td>
			<td>PCI-DDA02/12</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anechoic foam</td>
			<td>Sonex One, Pinta Acoustic, Minneapolis, MN</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Condenser microphone</td>
			<td>Behringer, Willich, Germany</td>
			<td>C-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Free-field microphone</td>
			<td>Bruel &#38; Kjaer, Denmark)</td>
			<td>Type 4940&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab</td>
			<td>Mathworks, Inc., Natick, MA</td>
			<td></td>
			<td>2018a version</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monocular remote camera and illuminator system</td>
			<td>Arrington Research, Scottsdale, AZ</td>
			<td>MCU902</td>
			<td>Infrared LED array + camera with infrared filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multifunction I/O Device</td>
			<td>National Instruments, Austin, TX</td>
			<td>PCI-6229</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neural interface processor</td>
			<td>Ripple Neuro, Salt Lake City, UT</td>
			<td>SCOUT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Piezoelectric motion sensor</td>
			<td>SparkFun Electronics, Niwot, CO</td>
			<td>SEN-10293</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pinch valve</td>
			<td>Cole-Palmer Instrument Co., Vernon Hills, IL</td>
			<td>EW98302-02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Programmable attenuator</td>
			<td>Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL</td>
			<td>PA5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon Tubing</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td></td>
			<td>~3 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sound attenuating chamber</td>
			<td>IAC Acoustics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Speaker full-range driver</td>
			<td>Tang Band Speaker, Taipei, Taiwan</td>
			<td>W4-1879</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo Amplifier</td>
			<td>Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL</td>
			<td>SA1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tabletop - CleanTop Optical</td>
			<td>TMC vibration control / Ametek, Peabody, MA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Viewpoint software</td>
			<td>ViewPoint, Arrington Research, Scottsdale, AZ</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

pupillometry to assess auditory sensation in guinea pigs

Støjeksponering er en førende årsag til sensorineuralt høretab. Dyremodeller for støjinduceret høretab har skabt mekanistisk indsigt i høretabets underliggende anatomiske og fysiologiske patologier. Imidlertid er det stadig udfordrende at relatere adfærdsmæssige underskud observeret hos mennesker med høretab til adfærdsmæssige underskud i dyremodeller. Her foreslås pupillometri som en metode, der muliggør direkte sammenligning af dyre- og menneskelige adfærdsdata. Metoden er baseret på et modificeret oddball-paradigme - vænner emnet til den gentagne præsentation af en stimulus og intermitterende præsenterer en afvigende stimulus, der varierer på en vis parametrisk måde fra den gentagne stimulus. Den grundlæggende forudsætning er, at hvis ændringen mellem den gentagne og afvigende stimulus detekteres af emnet, vil det udløse et pupiludvidelsesrespons, der er større end det, der fremkaldes af den gentagne stimulus. Denne tilgang demonstreres ved hjælp af en vokaliseringskategoriseringsopgave hos marsvin, en dyremodel, der i vid udstrækning anvendes i auditiv forskning, herunder i høretabsundersøgelser. Ved at præsentere vokaliseringer fra en vokaliseringskategori som standardstimuli og en anden kategori som oddball-stimuli indlejret i støj ved forskellige signal-støj-forhold, demonstreres det, at størrelsen af pupiludvidelse som reaktion på oddball-kategorien varierer monotont med signal-støj-forholdet. Vækstkurveanalyser kan derefter bruges til at karakterisere tidsforløbet og den statistiske signifikans af disse pupildilatationsresponser. I denne protokol beskrives detaljerede procedurer for akklimatisering af marsvin til opsætningen, udførelse af pupillometri og evaluering / analyse af data. Selvom denne teknik er demonstreret hos normalthørende marsvin i denne protokol, kan metoden bruges til at vurdere de sensoriske virkninger af forskellige former for høretab inden for hvert emne. Disse virkninger kan derefter korreleres med samtidige elektrofysiologiske målinger og post-hoc anatomiske observationer.

Pupillometri blev udført hos tre mandlige pigmenterede læger, der vejer ~ 600-1.000 g i løbet af forsøgene. Som beskrevet i denne protokol blev der brugt et oddball-paradigme til stimuluspræsentation for at estimere opkalds-støj-kategoriseringstærskler. I oddball-paradigmet blev kald, der tilhørte en kategori (hvin) indlejret i hvid støj ved en given SNR, anvendt som standardstimuli (figur 2A), og kald fra en anden kategori (hvæser) indlejret i hvid støj ved samme SNR (figur 2A) s...

Watch this Scientific Journal Video about Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs at JoVE.com

Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs

Pupillometri, en simpel og ikke-invasiv teknik, foreslås som en metode til bestemmelse af høretærskler i støj hos normale høredyr og dyremodeller af forskellige auditive patologier.

Pupillometri til vurdering af auditiv fornemmelse hos marsvin

Noise exposure is a leading cause of sensorineural hearing loss. Animal models of noise-induced hearing loss have generated mechanistic insight into the ...

Pupillometri kan bruges til at estimere komplekse lydgenkendelsestærskler, og kombineret med andre metoder kan bruges til at bestemme virkningerne af forskellige former for høretab på disse tærskler. Denne teknik kan bruges til at karakterisere data af samme modalitet fra mennesker og fra utrænede dyr. Det er relativt let at konfigurere og minimalt invasivt.Adfærds- og opfattelsesmål er vanskelige at opnå i dyremodeller for høretab. Denne metode er en måde at kvantificere kompleks lydgenkendelsesadfærd hos dyr. Som vi gør alle dyreadfærdseksperimenter, er tålmodighed nøglen.Tag dig tid til at akklimatisere dyret til forsøgsopsætningen. Hold eksperimentelle sessioner korte og overvåg dyret nøje. Til at begynde med skal du montere en kalibreret højttaler på den lyddæmpede kammervæg i samme højde som den position, hvor dyret skal placeres.For fri feltstimuleringslevering skal du placere dyret i kabinettet og sikre, at store kropsbevægelser ikke er mulige, og fastgør dyrets hoved til den stive ramme. Anbring en piezoelektrisk sensor under anlægget for at detektere og registrere dyrenes bevægelser. Placer derefter pupilbilledkameraet i en afstand af 25 centimeter fra motivets øje.For at sætte luftpustet op skal du bruge en holder, der er fastgjort til bordpladen, til at placere en pipettespids omkring 15 centimeter foran dyrets tryne. Tilslut et silikonerør med en diameter på ca. tre millimeter til pipettespidsen, og tilslut røret til en reguleret luftcylinder. Hold cylinderens lufttryk mellem 20 og 25 psi.Og før røret gennem en klemmeventil for at kontrollere timingen og varigheden af luftpustet ved hjælp af et computerstyret relæ. Oplys øjet med et infrarødt LED-array placeret på omkring 10 centimeter afstand. Brug hvid LED-belysning med en intensitet på omkring 2000 candela pr. kvadratmeter for at belyse det afbildede øje og bringe pupildiameteren til omkring 3,5 millimeter.Åbn elevoptagelsessoftwaren, og hent videoen af eleven ved hjælp af et kamera med en 16 millimeter linse med en rumlig opløsning på en 0,15 graders visuel vinkel og et infrarødt filter placeret i en afstand på 25 centimeter fra det afbildede øje. Sørg for, at øjet er centreret i det afbildede område. Reguler kameraets blænde og fokus samt IR-niveauet, indtil omridset af den afbildede pupil er i skarpt fokus.I elevoptagelsessoftwaren skal du definere det interesseområde, der indeholder eleven, ved at vælge et rektangulært område med musen. Brug derefter kontrolpanelet til at justere lysstyrken og kontrasten for den erhvervede video. Indstil scanningstætheden til fem, og juster tærsklen, så ellipsetilpasningen nøje svarer til pupillens kontur i videoen.Brug den neurale interfaceprocessorsoftware til at erhverve og gemme det analoge signal fra pupildiameteren eller PD-sporet, spændingssporet fra den piezoelektriske sensor, der registrerer bevægelse, stimulusleveringstiderne og leveringstiderne for luftpust. Vælg otte forskellige eksempler på marsvinvokaliseringer af samme længde fra to forskellige kategorier af vokaliseringer. For eksempel wheek opkald og whine opkald.Den ene kategori vil tjene som standard stimuli, og den anden kategori vil tjene som oddball eller afvigende stimuli. For at generere et sekund lange standard og afvigende stimuli indlejret i støj ved forskellige signal-støj-forhold eller SNR-niveauer, tilføj hvid støj af samme længde til opkaldene. Intervallet af SNR'er udtaget i dette eksperiment er mellem minus 24 og plus 40 decibel.For hver session skal du forberede en pseudorandom stimuluspræsentationssekvens, der indeholder standardstimuli større end 90% af tiden. Sørg for, at der mellem afvigende stimuli er mindst 20 til 40 forsøg med standardstimuli. Brug en fast stimulusintensitet til alle stimuluspræsentationer.Præsenter stimuli med høj tidsmæssig regelmæssighed. For at opretholde dyrets engagement med stimuli og for at minimere tilvænning, skal du eventuelt levere et kort luftpust efter den afvigende stimulus. Sørg for, at begyndelsen af luftpustet er tilstrækkeligt adskilt fra stimulusvarigheden, så stimulus fremkaldte pupiludvidelsesresponser.Nå et højdepunkt før luftpustinducerede blinkartefakter. Kør koden pupil_avg_JOVE_m, og vælg datafilen fra en enkelt session i pop op-dialogboksen for at udføre bevægelsesregistrering og udelukkelse af forsøg for hver session. Kør derefter den samme kode, og vælg alle de datafiler, der skal analyseres i pop op-dialogboksen.For at fjerne øjenblinkartefakter skal du forbehandle dataene og opnå den gennemsnitlige pupiludvidelse til hver stimulus på tværs af sessioner. Gennemsnit de stimulusfremkaldte pupildiameterændringer for hver stimulustilstand på tværs af sessioner inden for hvert dyr og derefter på tværs af dyr for at generere det gennemsnitlige pupiludvidelsesrespons på hver stimulustilstand. Sammenkæd alle output fra koden pupil_avg_JOVE lodret.m eller alle sessionsdyr, SNR'er og dæmpninger for at konstruere en matrix, der indeholder kolonnerne, dyre-ID, SNR, lydniveau og pupildiameterværdier. For hver SNR plottes vægtene svarende til skæringspunktet for at visualisere resultaterne. Gør det samme for lineære og kvadratiske udtryk.Sæt hele den sessionsvise procentdel af forsøg med signifikante pupilændringer i hver celle i et cellearray, hvor cellerne er arrangeret fra lavere til højere SNR. Brug koden pupil_threshold_estimate_JOVE_m til at estimere opkaldet i støjkategoriseringstærsklen. Gennemsnitlige elevsvar fra tre dyr er vist i denne figur.Gennemsnitlige pupilresponser på standard whine stimuli er repræsenteret af den blå linje, og skygge svarer til plus minus en standard fejl af middelværdi. Grå linjer og skygge svarer til middelværdi og plus minus en standardfejl af middelværdien af elevresponser fremkaldt af afvigende hvæsenstimuli. Grå skyggeintensitet svarer til SNR.Grøn linje og skygge svarer til det gennemsnitlige elevspor ved tærskel SNR. Den røde lodrette linje svarer til stimulusdebut. Den orange lodrette linje svarer til luftpustens begyndelse, og de blågrønne stiplede linjer svarer til GCA-vinduet.Den psykometriske funktion, der passer til procentdelen af forsøg med signifikante pupildiameterændringer fremkaldt af den afvigende stimulus som funktion af SNR, er vist i denne figur. Whiskers svarer til plus minus en standard fejl af middelværdi. Bemærk, at 50% af maksimum nås ved ca. minus 20 decibel SNR.De erhvervede data af høj kvalitet er det vigtigt at akklimatisere dyret godt til forsøgsopsætningen og opretholde konstante elimineringsbetingelser. Hold eksperimentsessionen kort for at minimere dyrets beboelse til de afvigende stimuli. EEG eller elektrofysiologiske optagelser kombineret med pupillometri ville generere yderligere indsigt i de neurale underskud, underliggende call-in-noise kategoriseringsunderskud hos hørehæmmede dyr.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Operant Sensation Seeking in the Mouse

Operant methods are powerful behavioral tools for the study of motivated behavior.  These 'self-administration' methods have been used extensively in drug ...

Preparation and Culture of Chicken Auditory Brainstem Slices

The chicken auditory brainstem is a well-established model system that has been widely used to study the anatomy and physiology of auditory processing at ...

A Lightweight, Headphones-based System for Manipulating Auditory Feedback in Songbirds

Et let, Hovedtelefoner-baseret system til at manipulere Auditiv Feedback i Songbirds

Experimental manipulations of sensory feedback during complex behavior have provided valuable insights into the computations underlying motor control and ...

Selective Tracing of Auditory Fibers in the Avian Embryonic Vestibulocochlear Nerve

Selektiv Tracing af Auditive fibre i de Avian embryoer Vestibulocochlear Nerve

The embryonic chick is a widely used model for the study of peripheral and central ganglion cell projections. In the auditory system, selective labeling ...

Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI

Funktionel Imaging af Auditory Cortex i voksne katte ved hjælp af High-felt fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal ...

Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve

Optogenetic Stimulering af hørenerven

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted ...

The Use of Trace Eyeblink Classical Conditioning to Assess Hippocampal Dysfunction in a Rat Model of Fetal Alcohol Spectrum Disorders

Brugen af Trace Eyeblink klassisk konditionering at vurdere hippocampus dysfunktion i en rotte Model af føtale alkohol spektrum forstyrrelser

Neonatal rats were administered a relatively high concentration of ethyl alcohol (11.9% v/v) during postnatal days 4-9, a time when the fetal brain ...

A Preclinical Model to Assess Brain Recovery After Acute Stroke in Rats

En præklinisk model til vurdering af hjerne bedring efter akut slagtilfælde hos rotter

The purpose of this study was to establish and validate an animal brain ischemia model in the recovery and sequela stages. A middle cerebral artery ...

A Revised Surgical Approach to Induce Endolymphatic Hydrops in the Guinea Pig

En revideret kirurgisk tilgang til at fremkalde endolymphatic hydrops i MarsVin

Endolymphatic hydrops is an enlargement of scala media that is most often associated with Meniere&#39;s disease, though the pathophysiologic mechanism(s) ...

Stereocilia Bundle Imaging with Nanoscale Resolution in Live Mammalian Auditory Hair Cells

Stereocilia Bundle Imaging med Nanoskala Opløsning i Live Mammalian auditive hårceller

Inner ear hair cells detect sound-induced displacements and transduce these stimuli into electrical signals in a hair bundle that consists of stereocilia ...