Name: pupillometry to assess auditory sensation in guinea pigs
Uploaded: 2023-01-06T13:25:00
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Ce travail a été soutenu par le NIH (R01DC017141), la Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation et des fonds des départements d’otorhinolaryngologie et de neurobiologie de l’Université de Pittsburgh.

Pour toutes les procédures expérimentales, obtenir l’approbation du Comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux (IACUC) et respecter les directives des NIH pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire. Aux États-Unis d’Amérique, les médecins généralistes sont en outre soumis à la réglementation du Département de l’agriculture des États-Unis (USDA). Toutes les procédures de ce protocole ont été approuvées par l’IACUC de l’Université de Pittsburgh et ont respecté l...

Ce protocole démontre l’utilisation de la pupillométrie comme méthode non invasive et fiable pour estimer les seuils auditifs chez les animaux à écoute passive. Conformément au protocole décrit ici, les seuils de catégorisation du bruit d’appel chez les médecins généralistes entendants normaux ont été estimés. Les seuils estimés par pupillométrie se sont avérés cohérents avec ceux obtenus à l’aide de la formation opérationnelle62. Cependant, par rapport à la formation o...

Le diamètre de la pupille () peut être affecté par un grand nombre de facteurs et la mesure de la MP qui change au fil du temps est connue sous le nom de pupillométrie. La MP est contrôlée par le muscle du sphincter de l’iris (impliqué dans la constriction) et le muscle dilatateur de l’iris (impliqué dans la dilatation). Le muscle de constriction est innervé par le système parasympathique et implique des projections cholinergiques, tandis que le dilatateur de l’iris est innervé par le système sympathique impliquant des projections noradrénergiques et cholinergiques 1,2,3. Le stimulus le plus connu pour induire des changements de est la luminance-constriction et les réponses de dilatation de la pupille peuvent être produites par des variations de l’intensité de la lumière ambiante2. La DP change également en fonction de la distance focale2. On sait depuis des décennies, cependant, que montre également des fluctuations non liées à la luminance 4,5,6,7. Par exemple, les changements dans les états mentaux internes peuvent provoquer des changements transitoires de la MP. La pupille se dilate en réponse à des stimuli chargés d’émotion ou augmente avec l’excitation 4,5,8,9. La dilatation des pupilles pourrait également être liée à d’autres mécanismes cognitifs, tels qu’une augmentation de l’effort mental ou de l’attention10,11,12,13. En raison de cette relation entre les variations de la taille des pupilles et les états mentaux, les changements de la MP ont été explorés comme marqueur de troubles cliniques tels que la schizophrénie 14,15, l’anxiété 16,17,18, la maladie de Parkinson 19,20 et la maladie d’Alzheimer 21 , entre autres. Chez les animaux, les changements de MP suivent les états comportementaux internes et sont corrélés avec les niveaux d’activité neuronale dans les zones corticales22,23,24,25. Le diamètre de la pupille s’est également avéré être un indicateur fiable de l’état du sommeil chez la souris26. Ces changements de liés à l’excitation et à l’état interne se produisent généralement sur de longues échelles de temps de l’ordre de plusieurs dizaines de secondes.
Dans le domaine de la recherche auditive, chez les sujets malentendants normaux ainsi que chez les sujets malentendants, l’effort d’écoute et la perception auditive ont été évalués par pupillométrie. Ces études impliquent généralement des sujets de recherche formés27,28,29,30 qui effectuent divers types de tâches de détection ou de reconnaissance. En raison de la relation susmentionnée entre l’excitation et la MP, il a été démontré qu’un engagement accru dans les tâches et un effort d’écoute étaient corrélés à une augmentation des réponses de dilatation des pupilles 30,31,32,33,34,35. Ainsi, la pupillométrie a été utilisée pour démontrer qu’un effort d’écoute accru est déployé pour reconnaître la parole dégradée spectralement chez les auditeurs entendants normaux29,36. Chez les auditeurs malentendants, tels que les humains ayant une perte auditive liée à l’âge 27,30,37,38,39,40,41 et les utilisateurs d’implants cochléaires 42,43, les réponses des pupilles ont également augmenté avec la diminution de l’intelligibilité de la parole; Cependant, les auditeurs malentendants ont montré une plus grande dilatation des pupilles dans des conditions d’écoute plus faciles par rapport aux sujets auditifs normaux 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Mais les expériences qui nécessitent que l’auditeur effectue une tâche de reconnaissance ne sont pas toujours possibles - par exemple, chez les nourrissons ou dans certains modèles animaux. Ainsi, les réponses pupillaires non liées à la luminance évoquées par des stimuli acoustiques pourraient être une méthode alternative viable pour évaluer la détection auditive dans ces cas44,45. Des études antérieures ont démontré une dilatation transitoire et liée au stimulus de la pupille dans le cadre du réflexe d’orientation46. Des études ultérieures ont démontré l’utilisation de dilatations pupillaires liées à un stimulus pour calculer des courbes de sensibilité à la fréquence chez les hiboux47,48. Récemment, ces méthodes ont été adaptées pour évaluer la sensibilité de la réponse à la dilatation pupillaire chez les nourrissons humains48. La pupillométrie s’est révélée être une approche fiable et non invasive pour estimer les seuils de détection auditive et de discrimination chez les cobayes à écoute passive en utilisant un large éventail de stimuli simples (tons) et complexes (vocalisations GP)49. Ces changements de DP liés au stimulus se produisent généralement à des échelles de temps plus rapides de l’ordre de plusieurs secondes et sont liés au moment du stimulus. Ici, la pupillométrie des changements de MP liés au stimulus est proposée comme méthode pour étudier les impacts comportementaux de divers types de déficience auditive dans des modèles animaux. En particulier, les protocoles de pupillométrie pour une utilisation chez les médecins généralistes, un modèle animal bien établi de divers types de pathologies auditives 50,51,52,53,54,55,56 (voir également la référence 57 pour une revue exhaustive) est décrit.
Bien que cette technique soit démontrée chez les médecins généralistes à audition normale, ces méthodes peuvent être facilement adaptées à d’autres modèles animaux et modèles animaux de diverses pathologies auditives. Il est important de noter que la pupillométrie peut être combinée avec d’autres mesures non invasives telles que l’EEG, ainsi qu’avec des enregistrements électrophysiologiques invasifs afin d’étudier les mécanismes sous-jacents aux éventuels déficits de détection et de perception du son. Enfin, cette approche peut également être utilisée pour établir de grandes similitudes entre les modèles humains et animaux.

<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

L’exposition au bruit est l’une des principales causes de perte auditive neurosensorielle. Les modèles animaux de perte auditive induite par le bruit ont généré un aperçu mécaniste des pathologies anatomiques et physiologiques sous-jacentes de la perte auditive. Cependant, relier les déficits comportementaux observés chez les humains atteints de perte auditive aux déficits comportementaux dans les modèles animaux reste difficile. Ici, la pupillométrie est proposée comme une méthode qui permettra la comparaison directe des données comportementales animales et humaines. La méthode est basée sur un paradigme bizarre modifié - habituant le sujet à la présentation répétée d’un stimulus et présentant par intermittence un stimulus déviant qui varie de manière paramétrique du stimulus répété. La prémisse fondamentale est que si le changement entre le stimulus répété et le stimulus déviant est détecté par le sujet, il déclenchera une réponse de dilatation pupillaire plus importante que celle provoquée par le stimulus répété. Cette approche est démontrée à l’aide d’une tâche de catégorisation de vocalisation chez les cobayes, un modèle animal largement utilisé dans la recherche auditive, y compris dans les études de perte auditive. En présentant les vocalisations d’une catégorie de vocalisation comme des stimuli standard et d’une deuxième catégorie comme des stimuli bizarres intégrés dans le bruit à divers rapports signal sur bruit, il est démontré que l’ampleur de la dilatation de la pupille en réponse à la catégorie oddball varie de manière monotone avec le rapport signal sur bruit. Les analyses de la courbe de croissance peuvent ensuite être utilisées pour caractériser l’évolution temporelle et la signification statistique de ces réponses de dilatation des pupilles. Dans ce protocole, des procédures détaillées pour acclimater les cobayes à la configuration, effectuer une pupillométrie et évaluer / analyser les données sont décrites. Bien que cette technique soit démontrée chez des cobayes entendants normaux dans ce protocole, la méthode peut être utilisée pour évaluer les effets sensoriels de diverses formes de perte auditive chez chaque sujet. Ces effets peuvent ensuite être corrélés avec des mesures électrophysiologiques simultanées et des observations anatomiques post-hoc.

La pupillométrie a été réalisée chez trois médecins généralistes pigmentés masculins, pesant ~ 600-1 000 g au cours des expériences. Comme décrit dans ce protocole, pour estimer les seuils de catégorisation du bruit d’appel, un paradigme bizarre a été utilisé pour la présentation des stimulus. Dans le paradigme bizarre, les appels appartenant à une catégorie (gémissements) intégrés dans le bruit blanc à un SNR donné ont été utilisés comme stimuli standard (Figure 2A), et les appels d’une aut...

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Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs

La pupillométrie, technique simple et non invasive, est proposée comme méthode pour déterminer les seuils d’audition dans le bruit chez les animaux entendants normaux et les modèles animaux de diverses pathologies auditives.

Pupillométrie pour évaluer la sensation auditive chez les cobayes

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

La pupillométrie peut être utilisée pour estimer des seuils complexes de reconnaissance acoustique et, combinée à d’autres méthodes, peut être utilisée pour déterminer les effets de diverses formes de perte auditive sur ces seuils. Cette technique peut être utilisée pour caractériser des données de la même modalité provenant d’humains et d’animaux non dressés. Il est relativement facile à mettre en place et peu invasif.Les mesures du comportement et de la perception sont difficiles à obtenir dans les modèles animaux de perte auditive. Cette méthode est un moyen de quantifier les comportements complexes de reconnaissance sonore chez les animaux. Comme nous le faisons dans toutes les expériences comportementales animales, la patience est la clé.Prenez le temps d’acclimater l’animal à la configuration expérimentale. Gardez les séances expérimentales courtes et surveillez l’animal de près. Pour commencer, montez un haut-parleur calibré sur la paroi de la chambre insonorisée à une hauteur égale à la position où l’animal sera placé.Pour une émission de stimulus en champ libre, placez l’animal dans l’enclos en veillant à ce que de grands mouvements du corps ne soient pas possibles et fixez la tête de l’animal au cadre rigide. Placez un capteur piézoélectrique sous l’enclos afin de détecter et d’enregistrer les mouvements des animaux. Placez ensuite la caméra d’imagerie pupillaire à une distance de 25 centimètres de l’œil du sujet.Pour installer la bouffée d’air, utilisez un support fixé au dessus de la table pour placer une pointe de pipette à environ 15 centimètres devant le museau de l’animal. Connectez un tube en silicone d’environ trois millimètres de diamètre à l’embout de la pipette et connectez le tube à un cylindre d’air régulé. Maintenez la pression d’air du cylindre entre 20 et 25 psi.Et passez le tube à travers une valve de pincement pour contrôler le moment et la durée de la bouffée d’air, à l’aide d’un relais contrôlé par ordinateur. Illuminez l’œil avec un réseau de LED infrarouges placé à environ 10 centimètres de distance. Utilisez un éclairage LED blanc à une intensité d’environ 2000 candelas par mètre carré pour éclairer l’œil imagé et amener le diamètre de la pupille de base à environ 3,5 millimètres.Ouvrez le logiciel d’acquisition de pupilles et acquérez la vidéo de la pupille à l’aide d’une caméra avec un objectif de 16 millimètres avec une résolution spatiale d’un angle visuel de 0,15 degré et un filtre infrarouge placé à une distance de 25 centimètres de l’œil imagé. Assurez-vous que l’œil est centré dans la zone imagée. Réglez l’ouverture et la mise au point de l’appareil photo ainsi que le niveau IR jusqu’à ce que le contour de la pupille imagée soit net.Dans le logiciel d’acquisition de pupilles, définissez la zone d’intérêt contenant la pupille en sélectionnant une zone rectangulaire avec la souris. Utilisez ensuite le panneau de configuration pour régler la luminosité et le contraste de la vidéo acquise. Réglez la densité de balayage sur cinq et ajustez le seuil de sorte que l’ajustement de l’ellipse corresponde étroitement au contour de la pupille dans la vidéo.À l’aide du logiciel de processeur d’interface neuronale, acquérir et enregistrer le signal analogique du diamètre de la pupille ou de la trace, la trace de tension du mouvement d’enregistrement du capteur piézoélectrique, les temps de livraison du stimulus et les temps de livraison de la bouffée d’air. Sélectionnez huit exemples différents de vocalisations de cobayes de longueurs similaires parmi deux catégories différentes de vocalisations. Par exemple, les appels sifflants et les appels de gémissement.Une catégorie servira de stimuli standard et l’autre catégorie servira de stimuli bizarres ou déviants. Pour générer une seconde de stimuli standard et déviants intégrés dans le bruit à différents niveaux signal/bruit ou SNR, ajoutez un bruit blanc de longueur égale aux appels. La plage des SNR échantillonnés dans cette expérience se situe entre moins 24 et plus 40 décibels.Pour chaque séance, préparez une séquence de présentation de stimulus pseudo-aléatoire qui contient des stimuli standard plus de 90% du temps. S’assurer qu’entre les stimuli déviants, il y ait au moins 20 à 40 essais avec des stimuli standard. Utilisez une intensité de stimulus fixe pour toutes les présentations de stimulation.Présenter les stimuli avec une grande régularité temporelle. Pour maintenir l’engagement de l’animal avec les stimuli et minimiser l’accoutumance, éventuellement administrer une brève bouffée d’air après le stimulus déviant. S’assurer que le début de la bouffée d’air est suffisamment séparé de la durée du stimulus pour que le stimulus évoque des réponses de dilatation des pupilles.Atteignez un pic avant que la bouffée d’air n’induise des artefacts de clignotement. Exécutez le code pupil_avg_JOVE_m et sélectionnez le fichier de données d’une seule session dans la boîte de dialogue contextuelle pour effectuer la détection de mouvement et l’exclusion d’essai pour chaque session. Exécutez ensuite le même code et sélectionnez tous les fichiers de données à analyser dans la boîte de dialogue contextuelle.Pour supprimer les artefacts de clignement des yeux, pré-traitez les données et obtenez la dilatation moyenne de la pupille à chaque stimulus au cours des séances. La moyenne des changements de diamètre de la pupille évoqués par le stimulus pour chaque condition de stimulus au cours des séances chez chaque animal, puis entre les animaux pour générer la réponse moyenne de dilatation de la pupille à chaque condition de stimulus. Concaténer verticalement toutes les sorties du code pupil_avg_JOVE.m ou tous les animaux de session, SNR et atténuations pour construire une matrice contenant les colonnes, l’identification de l’animal, le SNR, le niveau sonore et les valeurs de diamètre de la pupille. Pour chaque SNR, tracez les poids correspondant à l’interception pour visualiser les résultats. Faites de même pour les termes linéaires et quadratiques.Mettez tout le pourcentage d’essais par session avec des changements significatifs de pupille dans chaque cellule d’un réseau cellulaire où les cellules sont disposées du SNR inférieur au plus élevé. À l’aide du pupil_threshold_estimate_JOVE_m de code, estimez le seuil de catégorisation des appels dans le bruit. Les réponses moyennes des pupilles de trois animaux sont indiquées dans cette figure.Les réponses moyennes des pupilles aux stimuli de gémissement standard sont représentées par la ligne bleue et l’ombrage correspond à plus moins une erreur type de moyenne. Les lignes grises et l’ombrage correspondent à la moyenne et plus moins une erreur-type de la moyenne des réponses des pupilles évoquées par des stimuli déviants. L’intensité de l’ombrage gris correspond au SNR.La ligne verte et l’ombrage correspondent à la trace pupillaire moyenne au seuil SNR. La ligne verticale rouge correspond au début du stimulus. La ligne verticale orange correspond à l’apparition de la bouffée d’air et les lignes pointillées sarcelle correspondent à la fenêtre GCA.La fonction psychométrique correspondant au pourcentage d’essais présentant des changements significatifs du diamètre des pupilles provoqués par le stimulus déviant en fonction du SNR est illustrée dans cette figure. Les moustaches correspondent à plus moins une erreur type de moyenne. Notez que 50% du maximum est atteint à environ moins 20 décibels SNR.Les données acquises de haute qualité, il est important de bien acclimater l’animal à la configuration expérimentale et de maintenir des conditions d’élimination constantes. Gardez la session d’expérience courte pour minimiser l’habitation de l’animal aux stimuli déviants. L’EEG, ou les enregistrements électrophysiologiques combinés à la pupillométrie, généreraient des informations supplémentaires sur les déficits neuronaux, sous-jacents aux déficits de catégorisation de l’appel dans le bruit chez les animaux malentendants.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Operant Sensation Seeking in the Mouse

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Recherche

Neurosciences

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