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

Questo lavoro è stato sostenuto dal NIH (R01DC017141), dalla Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation e dai fondi dei Dipartimenti di Otorinolaringoiatria e Neurobiologia dell'Università di Pittsburgh.

Per tutte le procedure sperimentali, ottenere l'approvazione dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali (IACUC) e aderire alle linee guida NIH per la cura e l'uso di animali da laboratorio. Negli Stati Uniti d'America, i medici generici sono inoltre soggetti alle normative del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti (USDA). Tutte le procedure di questo protocollo sono state approvate dall'Università di Pittsburgh IACUC e hanno aderito alle linee guida NIH per la cura e l'uso di animali da labor...

Questo protocollo dimostra l'uso della pupillometria come metodo non invasivo e affidabile per stimare le soglie uditive in animali che ascoltano passivamente. Seguendo il protocollo qui descritto, sono state stimate le soglie di categorizzazione del rumore di chiamata nei medici generici con udito normale. Le soglie stimate utilizzando la pupillometria sono risultate coerenti con quelle ottenute utilizzando l'addestramento operante62. Rispetto alla formazione operativa, tuttavia, il protocollo di...

Il diametro della pupilla (PD) può essere influenzato da un ampio numero di fattori e la misurazione del PD che cambia nel tempo è nota come pupillometria. Il PD è controllato dal muscolo sfintere dell'iride (coinvolto nella costrizione) e dal muscolo dilatatore dell'iride (coinvolto nella dilatazione). Il muscolo costrittivo è innervato dal sistema parasimpatico e comporta proiezioni colinergiche, mentre il dilatatore dell'iride è innervato dal sistema simpatico che coinvolge proiezioni noradrenergiche e colinergiche 1,2,3. Lo stimolo più noto per indurre cambiamenti di PD è la costrizione della luminanza e le risposte di dilatazione della pupilla possono essere prodotte da variazioni nell'intensità della luce ambientale2. Il PD cambia anche in funzione della distanza focale2. È noto da decenni, tuttavia, che il PD mostra anche fluttuazioni non legate alla luminanza 4,5,6,7. Ad esempio, i cambiamenti negli stati mentali interni possono provocare cambiamenti transitori di PD. La pupilla si dilata in risposta a stimoli emotivamente carichi o aumenta con l'eccitazione 4,5,8,9. La dilatazione della pupilla potrebbe anche essere correlata ad altri meccanismi cognitivi, come l'aumento dello sforzo mentale o dell'attenzione10,11,12,13. A causa di questa relazione tra variazioni delle dimensioni della pupilla e stati mentali, i cambiamenti del PD sono stati esplorati come marker di disturbi clinici come la schizofrenia 14,15, l'ansia 16,17,18, il morbo di Parkinson 19,20 e il morbo di Alzheimer 21 , tra gli altri. Negli animali, i cambiamenti di PD tracciano gli stati comportamentali interni e sono correlati con i livelli di attività neuronale nelle aree corticali22,23,24,25. Il diametro della pupilla ha anche dimostrato di essere un indicatore affidabile dello stato di sonno nei topi26. Questi cambiamenti PD legati all'eccitazione e allo stato interno si verificano tipicamente su lunghe scale temporali dell'ordine di diverse decine di secondi.
Nel campo della ricerca sull'udito, sia nei soggetti con udito normale che in soggetti con problemi di udito, lo sforzo di ascolto e la percezione uditiva sono stati valutati utilizzando la pupillometria. Questi studi coinvolgono in genere soggetti di ricerca addestrati27,28,29,30 che svolgono vari tipi di compiti di rilevamento o riconoscimento. A causa della suddetta relazione tra eccitazione e PD, è stato dimostrato che l'aumento del coinvolgimento del compito e dello sforzo di ascolto è correlato con un aumento delle risposte di dilatazione della pupilla 30,31,32,33,34,35. Pertanto, la pupillometria è stata utilizzata per dimostrare che viene speso un maggiore sforzo di ascolto per riconoscere il parlato spettralmente degradato negli ascoltatori con udito normale29,36. Negli ascoltatori con problemi di udito, come gli esseri umani con perdita dell'udito legata all'età 27,30,37,38,39,40,41 e gli utenti di impianti cocleari 42,43, anche le risposte della pupilla sono aumentate con la diminuzione dell'intelligibilità del parlato; Tuttavia, gli ascoltatori con problemi di udito hanno mostrato una maggiore dilatazione della pupilla in condizioni di ascolto più facili rispetto ai normali soggetti uditivi 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Ma gli esperimenti che richiedono all'ascoltatore di eseguire un compito di riconoscimento non sono sempre possibili, ad esempio nei neonati o in alcuni modelli animali. Pertanto, le risposte della pupilla non legate alla luminanza evocate da stimoli acustici potrebbero essere un metodo alternativo praticabile per valutare il rilevamento uditivo in questi casi44,45. Studi precedenti hanno dimostrato una dilatazione della pupilla transitoria e legata allo stimolo come parte del riflesso di orientamento46. Studi successivi hanno dimostrato l'uso di dilatazioni della pupilla legate allo stimolo per derivare curve di sensibilità alla frequenza nei gufi47,48. Recentemente, questi metodi sono stati adattati per valutare la sensibilità della risposta alla dilatazione della pupilla nei neonati umani48. La pupillometria ha dimostrato di essere un approccio affidabile e non invasivo per stimare le soglie di rilevamento e discriminazione uditiva nelle cavie (GP) che ascoltano passivamente utilizzando una vasta gamma di stimoli semplici (toni) e complessi (vocalizzazioni GP)49. Questi cambiamenti PD correlati allo stimolo si verificano tipicamente su scale temporali più veloci dell'ordine di diversi secondi e sono collegati alla tempistica dello stimolo. Qui, la pupillometria dei cambiamenti PD correlati allo stimolo viene proposta come metodo per studiare gli impatti comportamentali di vari tipi di problemi uditivi in modelli animali. In particolare, vengono descritti i protocolli di pupillometria per l'uso nei medici generici, un modello animale consolidato di vari tipi di patologie uditive 50,51,52,53,54,55,56 (vedi anche riferimento 57 per una revisione esaustiva).
Sebbene questa tecnica sia dimostrata nei medici di base con udito normale, questi metodi possono essere facilmente adattati ad altri modelli animali e modelli animali di varie patologie uditive. È importante sottolineare che la pupillometria può essere combinata con altre misurazioni non invasive come l'EEG, nonché con registrazioni elettrofisiologiche invasive al fine di studiare i meccanismi alla base di possibili deficit di rilevamento e percezione del suono. Infine, questo approccio può anche essere utilizzato per stabilire ampie somiglianze tra modelli umani e animali.

<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'esposizione al rumore è una delle principali cause di perdita dell'udito neurosensoriale. I modelli animali di perdita dell'udito indotta dal rumore hanno generato informazioni meccanicistiche sulle patologie anatomiche e fisiologiche sottostanti della perdita dell'udito. Tuttavia, mettere in relazione i deficit comportamentali osservati negli esseri umani con perdita dell'udito e i deficit comportamentali nei modelli animali rimane difficile. Qui, la pupillometria è proposta come un metodo che consentirà il confronto diretto dei dati comportamentali animali e umani. Il metodo si basa su un paradigma stravagante modificato - abituando il soggetto alla presentazione ripetuta di uno stimolo e presentando in modo intermittente uno stimolo deviante che varia in qualche modo parametrico dallo stimolo ripetuto. La premessa fondamentale è che se il cambiamento tra lo stimolo ripetuto e deviante viene rilevato dal soggetto, innescherà una risposta di dilatazione della pupilla che è più grande di quella suscitata dallo stimolo ripetuto. Questo approccio è dimostrato utilizzando un compito di categorizzazione della vocalizzazione nelle cavie, un modello animale ampiamente utilizzato nella ricerca uditiva, compresi gli studi sulla perdita dell'udito. Presentando le vocalizzazioni di una categoria di vocalizzazione come stimoli standard e una seconda categoria come stimoli strani incorporati nel rumore a vari rapporti segnale-rumore, è dimostrato che l'entità della dilatazione della pupilla in risposta alla categoria oddball varia monotonamente con il rapporto segnale-rumore. Le analisi della curva di crescita possono quindi essere utilizzate per caratterizzare il decorso temporale e la significatività statistica di queste risposte di dilatazione della pupilla. In questo protocollo vengono descritte procedure dettagliate per acclimatare le cavie all'installazione, condurre la pupillometria e valutare / analizzare i dati. Sebbene questa tecnica sia dimostrata in cavie con udito normale in questo protocollo, il metodo può essere utilizzato per valutare gli effetti sensoriali di varie forme di perdita dell'udito all'interno di ciascun soggetto. Questi effetti possono quindi essere correlati con misure elettrofisiologiche concomitanti e osservazioni anatomiche post-hoc.

La pupillometria è stata eseguita in tre GP pigmentati maschili, del peso di ~ 600-1.000 g nel corso degli esperimenti. Come descritto in questo protocollo, per stimare le soglie di categorizzazione del call-in-noise, è stato utilizzato un paradigma stravagante per la presentazione dello stimolo. Nel paradigma oddball, i richiami appartenenti a una categoria (whines) incorporati nel rumore bianco in un dato SNR sono stati impiegati come stimoli standard (Figura 2A), e le chiamate da un'altra categoria (wheeks) incorpor...

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

La pupillometria, una tecnica semplice e non invasiva, viene proposta come metodo per determinare le soglie uditive in animali udenti normali e modelli animali di varie patologie uditive.

pupillometria per valutare la sensazione uditiva nelle cavie

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

La pupillometria può essere utilizzata per stimare soglie complesse di riconoscimento del suono e, combinata con altri metodi, può essere utilizzata per determinare gli effetti di varie forme di perdita dell'udito su tali soglie. Questa tecnica può essere utilizzata per caratterizzare dati della stessa modalità da esseri umani e da animali non addestrati. È relativamente facile da configurare e minimamente invasivo.Le misure comportamentali e percettive sono difficili da ottenere nei modelli animali di perdita dell'udito. Questo metodo è un modo per quantificare complessi comportamenti di riconoscimento del suono negli animali. Come facciamo tutti gli esperimenti comportamentali sugli animali, la pazienza è la chiave.Prenditi il tempo per acclimatare l'animale alla configurazione sperimentale. Mantieni brevi sessioni sperimentali e monitora attentamente l'animale. Per iniziare montare un altoparlante calibrato sulla parete della camera attenuata acusticamente ad un'altezza uguale alla posizione in cui verrà posizionato l'animale.Per la somministrazione di stimoli in campo libero, posizionare l'animale nel recinto assicurandosi che non siano possibili grandi movimenti del corpo e fissare la testa dell'animale al telaio rigido. Posizionare un sensore piezoelettrico sotto l'involucro per rilevare e registrare i movimenti degli animali. Quindi posizionare la fotocamera per immagini della pupilla a una distanza di 25 centimetri dall'occhio del soggetto.Per impostare il soffio d'aria, utilizzare un supporto collegato al piano del tavolo per posizionare una punta di pipetta a circa 15 centimetri davanti al muso dell'animale. Collegare un tubo di silicone di circa tre millimetri di diametro alla punta della pipetta e collegare il tubo a un cilindro pneumatico regolato. Mantenere la pressione dell'aria del cilindro tra 20 e 25 psi.E far passare il tubo attraverso una valvola a manicotto per controllare i tempi e la durata del soffio d'aria, utilizzando un relè controllato dal computer. Illuminare l'occhio con un array di LED a infrarossi posizionato a circa 10 centimetri di distanza. Utilizzare l'illuminazione a LED bianca a un'intensità di circa 2000 candele per metro quadrato per illuminare l'occhio ripreso e portare il diametro della pupilla di base a circa 3,5 millimetri.Apri il software di acquisizione della pupilla e acquisisci il video della pupilla utilizzando una telecamera con un obiettivo da 16 millimetri con una risoluzione spaziale di un angolo visivo di 0,15 gradi e un filtro a infrarossi posto a una distanza di 25 centimetri dall'occhio ripreso. Assicurati che l'occhio sia centrato nell'area visualizzata. Regolare l'apertura e la messa a fuoco della fotocamera, nonché il livello IR fino a quando il contorno della pupilla riprestata non è a fuoco nitido.Nel software di acquisizione pupille, definire l'area di interesse contenente la pupilla selezionando un'area rettangolare con il mouse. Quindi utilizzare il pannello di controllo per regolare la luminosità e il contrasto del video acquisito. Impostare la densità di scansione su cinque e regolare la soglia in modo che l'adattamento dell'ellisse corrisponda strettamente al contorno della pupilla nel video.Utilizzando il software del processore di interfaccia neurale, acquisire e salvare il segnale analogico dal diametro della pupilla o traccia PD, la traccia di tensione dal movimento di registrazione del sensore piezoelettrico, i tempi di erogazione dello stimolo e i tempi di erogazione del soffio d'aria. Seleziona otto diversi esemplari di vocalizzazioni di cavie di lunghezze simili da due diverse categorie di vocalizzazioni. Ad esempio, chiamate sibilanti e chiamate di piagnistei.Una categoria servirà come stimoli standard e l'altra categoria servirà come stimoli strani o devianti. Per generare stimoli standard e devianti lunghi un secondo incorporati nel rumore a diversi livelli di rapporto segnale-rumore o SNR, aggiungere rumore bianco di uguale lunghezza alle chiamate. L'intervallo di SNR campionati in questo esperimento è compreso tra meno 24 e più 40 decibel.Per ogni sessione, preparare una sequenza di presentazione di stimoli pseudocasuali che contenga stimoli standard superiori al 90% delle volte. Assicurati che tra gli stimoli devianti ci siano almeno da 20 a 40 prove con stimoli standard. Utilizzare un'intensità di stimolo fissa per tutte le presentazioni di stimolo.Presentare gli stimoli con elevata regolarità temporale. Per mantenere l'impegno dell'animale con gli stimoli e ridurre al minimo l'assuefazione, facoltativamente fornire un breve soffio d'aria dopo lo stimolo deviante. Assicurarsi che l'inizio del soffio d'aria sia sufficientemente separato dalla durata dello stimolo in modo che lo stimolo evochi le risposte di dilatazione della pupilla.Raggiungi un picco prima che gli artefatti lampeggianti indotti dal soffio d'aria. Eseguire il pupil_avg_JOVE_m del codice e selezionare il file di dati da una singola sessione nella finestra di dialogo popup per eseguire il rilevamento del movimento e l'esclusione della prova per ogni sessione. Quindi eseguire lo stesso codice e selezionare tutti i file di dati da analizzare nella finestra di dialogo pop-up.Per rimuovere gli artefatti del battito delle palpebre, pre-elaborare i dati e ottenere la dilatazione media della pupilla a ogni stimolo durante le sessioni. Media delle variazioni del diametro della pupilla evocate dallo stimolo per ciascuna condizione di stimolo tra le sessioni all'interno di ciascun animale e quindi tra gli animali per generare la risposta media di dilatazione della pupilla a ciascuna condizione di stimolo. Concatenare verticalmente tutti gli output dal codice pupil_avg_JOVE.m o tutte le sessioni animali, SNR e attenuazioni per costruire una matrice contenente le colonne, ID animale, SNR, livello sonoro e valori di diametro della pupilla. Per ogni SNR, tracciare i pesi corrispondenti all'intercetta per visualizzare i risultati. Fai lo stesso per i termini lineari e quadratici.Metti tutta la percentuale di sessioni di prove con cambiamenti significativi della pupilla in ogni cella di un array di celle in cui le cellule sono disposte da SNR inferiore a più alto. Utilizzando il codice pupil_threshold_estimate_JOVE_m, stimare la soglia di categorizzazione della chiamata in caso di rumore. Le risposte medie degli alunni di tre animali sono mostrate in questa figura.Le risposte medie della pupilla agli stimoli di lamento standard sono rappresentate dalla linea blu e l'ombreggiatura corrisponde a più meno un errore standard della media. Le linee grigie e l'ombreggiatura corrispondono alla media e più meno un errore standard della media delle risposte della pupilla evocato da stimoli sibilanti devianti. L'intensità dell'ombreggiatura dei grigi corrisponde a SNR.La linea verde e l'ombreggiatura corrispondono alla traccia media della pupilla alla soglia SNR. La linea verticale rossa corrisponde all'inizio dello stimolo. La linea verticale arancione corrisponde all'inizio del soffio d'aria e le linee tratteggiate verde acqua corrispondono alla finestra GCA.La funzione psicometrica adatta alla percentuale di studi con cambiamenti significativi del diametro della pupilla suscitati dallo stimolo deviante in funzione del SNR è mostrata in questa figura. I baffi corrispondono a più meno un errore standard di media. Si noti che il 50% del massimo viene raggiunto a circa meno 20 decibel SNR.I dati acquisiti di alta qualità, è importante acclimatare bene l'animale alla configurazione sperimentale e mantenere condizioni di eliminazione costanti. Mantieni la sessione dell'esperimento breve per ridurre al minimo l'abitazione dell'animale agli stimoli devianti. L'EEG, o le registrazioni elettrofisiologiche combinate con la pupillometria, genererebbero ulteriori informazioni sui deficit neurali, alla base dei deficit di categorizzazione della chiamata in rumore negli animali con problemi di udito.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Operant Sensation Seeking in the Mouse

Sensation operante in Cerco il mouse

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

Ricerca

Neuroscienze

Preparation and Culture of Chicken Auditory Brainstem Slices

La preparazione e la cultura di fette di pollo uditive tronco

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

Un leggero, Cuffie-based per la gestione di sistema feedback uditivo in 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

L&#39;analisi selettiva delle fibre uditive nel aviaria Nerve Embryonic vestibolococleare

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

Imaging funzionale di Auditory Cortex in gatti adulti utilizzando ad alto campo 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

Stimolazione optogenetic del nervo uditivo

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

L'uso di traccia Eyeblink condizionamento classico per valutare la disfunzione Hippocampal in un modello del ratto dei disturbi dello spettro fetale alcol

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

Un modello preclinico per valutare il recupero del cervello dopo l'ictus acuto nei ratti

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

Un approccio chirurgico rivisto per indurre idramici endolymphatic in Guinea Pig

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 con risoluzione su scala nanometrica in cellule ciliate uditive di mammiferi vivi

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