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

Dit werk werd ondersteund door de NIH (R01DC017141), de Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation en fondsen van de afdelingen Otolaryngologie en Neurobiologie, Universiteit van Pittsburgh.

Voor alle experimentele procedures moet u goedkeuring verkrijgen van het Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) en zich houden aan de NIH-richtlijnen voor de verzorging en het gebruik van proefdieren. In de Verenigde Staten van Amerika zijn huisartsen bovendien onderworpen aan de voorschriften van het Amerikaanse ministerie van Landbouw (USDA). Alle procedures in dit protocol werden goedgekeurd door de Universiteit van Pittsburgh IACUC en hielden zich aan de NIH-richtlijnen voor de verzorging en het gebruik ...

Dit protocol demonstreert het gebruik van pupillometrie als een niet-invasieve en betrouwbare methode om auditieve drempels bij passief luisterende dieren te schatten. Volgens het hier beschreven protocol werden de inschakelgeluidscategoriseringsdrempels bij normaal horende huisartsen geschat. Drempels geschat met behulp van pupillometrie bleken consistent te zijn met die verkregen met behulp van operante training62. In vergelijking met operante training was het pupillometrieprotocol echter relati...

Pupildiameter (PD) kan worden beïnvloed door een groot aantal factoren en de meting van PD die in de loop van de tijd verandert, staat bekend als pupillometrie. PD wordt gecontroleerd door de irissfincterspier (betrokken bij vernauwing) en de irisverwijderspier (betrokken bij verwijding). De vernauwingsspier wordt geïnnerveerd door het parasympathische systeem en omvat cholinerge projecties, terwijl de irisdilatator wordt geïnnerveerd door het sympathische systeem met noradrenerge en cholinerge projecties 1,2,3. De bekendste stimulus om PD-veranderingen te induceren is luminantie-vernauwing en verwijdingsreacties van de pupil kunnen worden geproduceerd door variaties in omgevingslichtintensiteit2. PD verandert ook als functie van brandpuntsafstand2. Het is echter al tientallen jaren bekend dat PD ook niet-luminantie-gerelateerde fluctuaties 4,5,6,7 vertoont. Veranderingen in interne mentale toestanden kunnen bijvoorbeeld voorbijgaande PD-veranderingen veroorzaken. De pupil verwijdt zich als reactie op emotioneel geladen prikkels of neemt toe met opwinding 4,5,8,9. Pupilverwijding kan ook verband houden met andere cognitieve mechanismen, zoals verhoogde mentale inspanning of aandacht10,11,12,13. Vanwege deze relatie tussen variaties in de grootte van de pupil en mentale toestanden, zijn PD-veranderingen onderzocht als een marker van klinische stoornissen zoals schizofrenie 14,15, angst 16,17,18, de ziekte van Parkinson 19,20 en de ziekte van Alzheimer 21 onder andere. Bij dieren volgen PD-veranderingen interne gedragstoestanden en zijn gecorreleerd met neuronale activiteitsniveaus in corticale gebieden22,23,24,25. De diameter van de pupil is ook een betrouwbare indicator gebleken voor de slaaptoestand bij muizen26. Deze PD-veranderingen met betrekking tot opwinding en de interne toestand treden meestal op op lange tijdschalen van de orde van enkele tientallen seconden.
In het domein van het gehooronderzoek, zowel bij normaal horenden als bij slechthorenden, zijn luisterinspanning en auditieve waarneming beoordeeld met behulp van pupillometrie. Deze studies omvatten meestal getrainde proefpersonen27,28,29,30 die verschillende soorten detectie- of herkenningstaken uitvoeren. Vanwege de bovengenoemde relatie tussen opwinding en PD, is aangetoond dat verhoogde taakbetrokkenheid en luisterinspanning gecorreleerd zijn met verhoogde pupilverwijdingsresponsen 30,31,32,33,34,35. Puplillometrie is dus gebruikt om aan te tonen dat verhoogde luisterinspanning wordt besteed aan het herkennen van spectraal gedegradeerde spraak bij normaal horende luisteraars29,36. Bij slechthorende luisteraars, zoals mensen met leeftijdsgebonden gehoorverlies 27,30,37,38,39,40,41 en gebruikers van cochleaire implantaten 42,43, namen de reacties van leerlingen ook toe met afnemende spraakverstaanbaarheid; Slechthorende luisteraars vertoonden echter een grotere pupilverwijding in gemakkelijkere luisteromstandigheden in vergelijking met normaal horende proefpersonen 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Maar experimenten waarbij de luisteraar een herkenningstaak moet uitvoeren, zijn niet altijd mogelijk - bijvoorbeeld bij baby's of in sommige diermodellen. Niet-luminantiegerelateerde pupilreacties die worden opgeroepen door akoestische stimuli zouden dus een haalbare alternatieve methode kunnen zijn om auditieve detectie in deze gevallen te beoordelen44,45. Eerdere studies toonden een voorbijgaande en stimulus-gekoppelde pupilverwijding aan als onderdeel van de oriëntatiereflex46. Latere studies hebben het gebruik van stimulus-gekoppelde pupilverwijdingen aangetoond om frequentiegevoeligheidscurves af te leiden bij uilen47,48. Onlangs zijn deze methoden aangepast om de gevoeligheid van de pupilverwijdingsrespons bij menselijke zuigelingente beoordelen 48. Pupillometrie is een betrouwbare en niet-invasieve benadering gebleken om auditieve detectie- en discriminatiedrempels bij passief luisterende cavia's (huisartsen) te schatten door gebruik te maken van een breed scala aan eenvoudige (tonen) en complexe (GP-vocalisaties) stimuli49. Deze stimulusgerelateerde PD-veranderingen treden meestal op snellere tijdschalen van de orde van enkele seconden op en zijn gekoppeld aan stimulustiming. Hier wordt pupillometrie van stimulusgerelateerde PD-veranderingen voorgesteld als een methode om gedragseffecten van verschillende soorten gehoorstoornissen in diermodellen te bestuderen. In het bijzonder worden pupillometrieprotocollen voor gebruik bij huisartsen, een goed ingeburgerd diermodel van verschillende soorten auditieve pathologieën 50,51,52,53,54,55,56 (zie ook referentie 57 voor een uitputtende beoordeling) beschreven.
Hoewel deze techniek wordt gedemonstreerd bij normaal horende huisartsen, kunnen deze methoden gemakkelijk worden aangepast aan andere diermodellen en diermodellen van verschillende auditieve pathologieën. Belangrijk is dat pupillometrie kan worden gecombineerd met andere niet-invasieve metingen zoals EEG, evenals met invasieve elektrofysiologische opnames om de mechanismen te bestuderen die ten grondslag liggen aan mogelijke geluidsdetectie en perceptietekorten. Ten slotte kan deze benadering ook worden gebruikt om brede overeenkomsten tussen menselijke en dierlijke modellen vast te stellen.

<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

Blootstelling aan lawaai is een belangrijke oorzaak van perceptief gehoorverlies. Diermodellen van lawaai-geïnduceerd gehoorverlies hebben mechanistisch inzicht gegenereerd in de onderliggende anatomische en fysiologische pathologieën van gehoorverlies. Het relateren van gedragstekorten waargenomen bij mensen met gehoorverlies aan gedragsstoornissen in diermodellen blijft echter een uitdaging. Hier wordt pupillometrie voorgesteld als een methode die de directe vergelijking van dierlijke en menselijke gedragsgegevens mogelijk maakt. De methode is gebaseerd op een aangepast oddball-paradigma - het onderwerp laten wennen aan de herhaalde presentatie van een stimulus en met tussenpozen een afwijkende stimulus presenteren die op een of andere parametrische manier varieert van de herhaalde stimulus. Het fundamentele uitgangspunt is dat als de verandering tussen de herhaalde en afwijkende stimulus door de proefpersoon wordt gedetecteerd, dit een pupilverwijdingsrespons zal veroorzaken die groter is dan die welke wordt opgewekt door de herhaalde stimulus. Deze aanpak wordt gedemonstreerd met behulp van een vocalisatiecategorisatietaak bij cavia's, een diermodel dat veel wordt gebruikt in auditief onderzoek, waaronder in gehoorverliesstudies. Door vocalisaties uit de ene vocalisatiecategorie als standaardstimuli te presenteren en een tweede categorie als oddball-stimuli ingebed in ruis bij verschillende signaal-ruisverhoudingen, wordt aangetoond dat de grootte van pupilverwijding als reactie op de oddball-categorie monotoon varieert met de signaal-ruisverhouding. Groeicurveanalyses kunnen vervolgens worden gebruikt om het tijdsverloop en de statistische significantie van deze pupilverwijdingsresponsen te karakteriseren. In dit protocol worden gedetailleerde procedures beschreven voor het wennen van cavia's aan de opstelling, het uitvoeren van pupillometrie en het evalueren / analyseren van gegevens. Hoewel deze techniek in dit protocol wordt gedemonstreerd bij normaal horende cavia's, kan de methode worden gebruikt om de sensorische effecten van verschillende vormen van gehoorverlies bij elke proefpersoon te beoordelen. Deze effecten kunnen dan worden gecorreleerd met gelijktijdige elektrofysiologische metingen en post-hoc anatomische observaties.

Pupillometrie werd uitgevoerd in drie mannelijke gepigmenteerde huisartsen, met een gewicht van ~ 600-1.000 g in de loop van de experimenten. Zoals beschreven in dit protocol, werd voor het schatten van categorisatiedrempels voor call-in-noise een oddball-paradigma gebruikt voor stimuluspresentatie. In het oddball-paradigma werden oproepen die tot één categorie (whines) behoorden ingebed in witte ruis bij een bepaalde SNR gebruikt als standaardstimuli (figuur 2A) en oproepen uit een andere categorie (wheeks) ingebed in...

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

Pupillometrie, een eenvoudige en niet-invasieve techniek, wordt voorgesteld als een methode om gehoor-in-lawaai drempels te bepalen bij normaal horende dieren en diermodellen van verschillende auditieve pathologieën.

Pupilolie om auditieve sensatie bij cavia's te beoordelen

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

Pupillometrie kan worden gebruikt om complexe geluidsherkenningsdrempels te schatten en kan in combinatie met andere methoden worden gebruikt om de effecten van verschillende vormen van gehoorverlies op die drempels te bepalen. Deze techniek kan worden gebruikt om gegevens van dezelfde modaliteit van mensen en van ongetrainde dieren te karakteriseren. Het is relatief eenvoudig in te stellen en minimaal invasief.Gedrags- en perceptiemetingen zijn moeilijk te verkrijgen in diermodellen van gehoorverlies. Deze methode is een manier om complex geluidsherkenningsgedrag bij dieren te kwantificeren. Zoals we alle diergedragsexperimenten doen, is geduld de sleutel.Neem de tijd om het dier te laten wennen aan de experimentele opstelling. Houd experimentele sessies kort en houd het dier nauwlettend in de gaten. Om te beginnen monteer je een gekalibreerde luidspreker op de geluiddempende kamerwand op een gelijke hoogte als de positie waar het dier zal worden geplaatst.Voor vrije veldprikkelafgifte plaatst u het dier in de behuizing en zorgt u ervoor dat grote lichaamsbewegingen niet mogelijk zijn en bevestigt u de kop van het dier aan het stijve frame. Plaats een piëzo-elektrische sensor onder de behuizing om bewegingen van dieren te detecteren en te registreren. Plaats vervolgens de pupilbeeldcamera op een afstand van 25 centimeter van het oog van de proefpersoon.Om de luchtpuf in te stellen, gebruikt u een houder die aan het tafelblad is bevestigd om een pipetpunt op ongeveer 15 centimeter voor de snuit van het dier te plaatsen. Sluit een siliconen buis van ongeveer drie millimeter diameter aan op de pipetpunt en sluit de buis aan op een gereguleerde luchtcilinder. Houd de luchtdruk van de cilinder tussen 20 en 25 psi.En laat de buis door een knijpventiel gaan om de timing en duur van de luchtpuf te regelen, met behulp van een computergestuurd relais. Verlicht het oog met een infrarood LED-array op ongeveer 10 centimeter afstand. Gebruik witte LED-verlichting met een intensiteit van ongeveer 2000 candela's per vierkante meter om het afgebeelde oog te verlichten en de basislijnpupildiameter op ongeveer 3,5 millimeter te brengen.Open de pupilacquisitiesoftware en verkrijg de video van de pupil met behulp van een camera met een 16 millimeterlens met een ruimtelijke resolutie van een visuele hoek van 0,15 graden en een infraroodfilter geplaatst op een afstand van 25 centimeter van het afgebeelde oog. Zorg ervoor dat het oog gecentreerd is in het afgebeelde gebied. Regel het diafragma en de scherpstelling van de camera en het IR-niveau totdat de omtrek van de afgebeelde pupil scherp is.Definieer in de leerlingacquisitiesoftware het interessegebied van de pupil door met de muis een rechthoekig gebied te selecteren. Gebruik vervolgens het bedieningspaneel om de helderheid en het contrast van de verkregen video aan te passen. Stel de scandichtheid in op vijf en pas de drempel zodanig aan dat de ellips nauw aansluit bij de omtrek van de pupil in de video.Met behulp van de neurale interfaceprocessorsoftware kunt u het analoge signaal van de pupildiameter of PD-spoor, het spanningsspoor van de piëzo-elektrische sensor die beweging registreert, de stimulusaflevertijden en de luchtpufafgiftetijden verkrijgen en opslaan. Selecteer acht verschillende exemplaren van caviavocalisaties van vergelijkbare lengte uit twee verschillende categorieën vocalisaties. Bijvoorbeeld piepende oproepen en zeuroproepen.De ene categorie zal dienen als standaard stimuli en de andere categorie zal dienen als de oddball of afwijkende stimuli. Om een seconde lange standaard en afwijkende stimuli ingebed in ruis te genereren bij verschillende signaal-ruisverhouding of SNR-niveaus, voegt u witte ruis van gelijke lengte toe aan de oproepen. Het bereik van SNR's dat in dit experiment is bemonsterd, ligt tussen min 24 en plus 40 decibel.Bereid voor elke sessie een pseudorandom-stimuluspresentatiereeks voor die standaardstimuli bevat die groter zijn dan 90% van de tijd. Zorg ervoor dat er tussen afwijkende prikkels minstens 20 tot 40 proeven met standaard prikkels zitten. Gebruik een vaste stimulusintensiteit voor alle stimuluspresentaties.Presenteer de prikkels met een hoge temporele regelmaat. Om de betrokkenheid van het dier bij de stimuli te behouden en gewenning te minimaliseren, kunt u optioneel een korte luchtpuf geven na de afwijkende stimulus. Zorg ervoor dat het begin van de luchtpuf voldoende gescheiden is van de stimulusduur, zodat stimulus pupilverwijdingsreacties oproept.Bereik een piek voordat luchtpuf door knipperartefacten wordt geïnduceerd. Voer de code pupil_avg_JOVE_m uit en selecteer het gegevensbestand van één sessie in het pop-upvenster om bewegingsdetectie en proefuitsluiting voor elke sessie uit te voeren. Voer vervolgens dezelfde code uit en selecteer alle gegevensbestanden die moeten worden geanalyseerd in het pop-upvenster.Om oogknipperartefacten te verwijderen, de gegevens vooraf te verwerken en de gemiddelde pupilverwijding voor elke stimulus tijdens sessies te verkrijgen. Gemiddelde van de door stimulus opgewekte veranderingen in de pupildiameter voor elke stimulusconditie over sessies binnen elk dier en vervolgens over dieren om de gemiddelde pupilverwijdingsrespons op elke stimulusconditie te genereren. Verticaal alle uitgangen van de code pupil_avg_JOVE.m of alle sessiedieren, SNR's en verzwakkingen om een matrix te construeren met de kolommen, dier-ID, SNR, geluidsniveau en pupildiameterwaarden. Plot voor elke SNR de gewichten die overeenkomen met de interceptie om de resultaten te visualiseren. Doe hetzelfde voor lineaire en kwadratische termen.Plaats alle sessiegewijze percentages van proeven met significante pupilveranderingen in elke cel van een celarray waar de cellen zijn gerangschikt van lagere naar hogere SNR. Gebruik de code pupil_threshold_estimate_JOVE_m om de oproep in de geluidscategorisatiedrempel te schatten. De gemiddelde pupilrespons van drie dieren is in deze figuur weergegeven.De gemiddelde pupilreacties op standaard zeurprikkels worden weergegeven door de blauwe lijn en arcering komt overeen met plus minus één standaardfout van het gemiddelde. Grijze lijnen en arcering komen overeen met gemiddelde en plus minus één standaardfout van gemiddelde pupilreacties die worden opgeroepen door afwijkende wheet-stimuli. De grijstintintensiteit komt overeen met de SNR.Groene lijn en arcering komen overeen met het gemiddelde pupilspoor bij drempel SNR. De rode verticale lijn komt overeen met het begin van de stimulus. De oranje verticale lijn komt overeen met het begin van de luchtpuf en de groenblauwe stippellijnen komen overeen met het GCA-venster.De psychometrische functie die past bij het percentage onderzoeken met significante veranderingen in de pupildiameter veroorzaakt door de afwijkende stimulus als functie van SNR wordt in deze figuur weergegeven. Snorharen komen overeen met plus minus één standaardfout van het gemiddelde. Merk op dat 50% van het maximum wordt bereikt bij ongeveer min 20 decibel SNR.De verkregen gegevens van hoge kwaliteit, is het belangrijk om het dier goed te laten wennen aan de experimentele opstelling en constante eliminatieomstandigheden te handhaven. Houd de experimentsessie kort om de bewoning van dieren aan de afwijkende stimuli te minimaliseren. EEG, of elektrofysiologische opnames in combinatie met pupillometrie zouden extra inzicht genereren in de neurale tekorten, onderliggende call-in-noise categorisatietekorten bij slechthorende dieren.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Operant Sensation Seeking in the Mouse

Operante Sensation Seeking in de muis

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

Voorbereiding en Cultuur van Chicken Auditieve 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

Een lichtgewicht, hoofdtelefoon-gebaseerd systeem voor het manipuleren van auditieve feedback in Zangvogels

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

Selectieve Tracing van auditieve vezels in de Avian Embryonale evenwichtszenuw 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

Functionele Beeldvorming van de auditieve cortex in volwassen katten met behulp van High-field 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

Optogenetische stimulatie van de gehoorzenuw

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

Het gebruik van Trace Eyeblink klassieke conditionering te beoordelen Hippocampal dysfunctie in een Rat Model van Fetal Alcohol Spectrum Disorders

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

Een preklinisch model om hersen herstel na acute beroerte bij ratten te beoordelen

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

Een herziene chirurgische aanpak om endolymphatische hydrops in het cavia te induceren

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 bundel beeldvorming met nanoschaalresolutie in levende auditieve haarcellen van zoogdieren

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