Name: pupillometry to assess auditory sensation in guinea pigs
Uploaded: 2023-01-06T13:25:00
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이 연구는 NIH(R01DC017141), 펜실베니아 라이온스 청력 연구 재단, 피츠버그 대학교 이비인후과 및 신경생물학과의 기금으로 지원되었습니다.

모든 실험 절차에 대해 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받고 실험실 동물의 관리 및 사용에 대한 NIH 지침을 준수하십시오. 미국에서 GP는 추가로 미국 농무부 (USDA) 규정의 적용을받습니다. 이 프로토콜의 모든 절차는 University of Pittsburgh IACUC의 승인을 받았으며 실험실 동물의 관리 및 사용에 대한 NIH 지침을 준수했습니다. 이 실험을 위해, ~ 600-1,000 g 무게의 4 개월에서 10 개월 사이의...

이 프로토콜은 수동적으로 듣는 동물의 청각 역치를 추정하기 위한 비침습적이고 신뢰할 수 있는 방법으로 동공 측정법의 사용을 보여줍니다. 여기에 설명된 프로토콜에 따라 정상 청력 GP의 소음 호출 분류 임계값을 추정했습니다. 동공 측정법을 사용하여 추정된 역치는 조작적 훈련62를 사용하여 얻은 역치와 일치하는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 조작적 훈련과 비교할 때 동...

동공 직경(PD)은 다양한 요인의 영향을 받을 수 있으며 시간이 지남에 따라 변하는 PD 측정을 동공 측정법이라고 합니다. PD는 홍채 괄약근 근육(수축에 관여)과 홍채 확장근(확장에 관여)에 의해 제어됩니다. 수축 근육은 부교감 신경계에 의해 신경지배되고 콜린성 돌기를 포함하는 반면, 홍채 확장기는 노르아드레날린성 및 콜린성 돌기를 포함하는 교감신경계에 의해 신경지배된다 1,2,3. PD 변화를 유도하는 가장 잘 알려진 자극은 휘도-수축 및 동공의 팽창 반응은 주변광 강도의 변화에 의해 생성될 수 있다2. PD는 초점 거리2의 함수로도 변합니다. 그러나, PD는 또한 비휘도 관련 변동(4,5,6,7)을 나타낸다는 것이 수십 년 동안 알려져 왔다. 예를 들어, 내부 정신 상태의 변화는 일시적인 PD 변화를 이끌어 낼 수 있습니다. 동공은 감정적으로 충전된 자극에 반응하여 확장되거나 각성 4,5,8,9에 따라 증가합니다. 동공 확장은 또한 정신적 노력 또는 주의력 증가와 같은 다른 인지 메커니즘과 관련될 수 있습니다10,11,12,13. 동공 크기 변화와 정신 상태 사이의 이러한 관계 때문에 PD 변화는 정신분열증 14,15, 불안 16,17,18, 파킨슨병 19,20 및 알츠하이머병 21과 같은 임상 장애의 지표로 탐구되었습니다 , 무엇보다도. 동물에서 PD 변화는 내부 행동 상태를 추적하고 피질 영역22,23,24,25의 신경 활동 수준과 상관 관계가 있습니다. 동공 직경은 또한 생쥐의 수면 상태에 대한 신뢰할 수 있는 지표인 것으로 나타났습니다26. 각성 및 내부 상태와 관련된 이러한 PD 변화는 전형적으로 수십 초 정도의 긴 시간 척도에서 일어난다.
청력 연구 영역에서는 정상 청력과 청각 장애인의 경우 동공 측정을 사용하여 청취 노력과 청각 지각을 평가했습니다. 이러한 연구는 전형적으로 다양한 종류의 탐지 또는 인식 작업을 수행하는 훈련된 연구 대상(27,28,29,30)을 포함한다. 앞서 언급한 각성과 PD 사이의 관계로 인해 증가된 과제 참여 및 듣기 노력은 증가된 동공 확장 반응과 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다30,31,32,33,34,35. 따라서, 동공 측정법은 정상 청력 청취자29,36에서 스펙트럼 저하 된 음성을 인식하기 위해 증가 된 청취 노력이 소비된다는 것을 입증하는 데 사용되었습니다. 연령 관련 청력 손실이 있는 사람 27,30,37,38,39,40,41 및 인공와우 사용자 42,43와 같은 청각 장애가 있는 청취자에서 언어 명료도가 감소함에 따라 동공 반응도 증가했습니다. 그러나 청각 장애가 있는 청취자는 정상 청각 피험자에 비해 더 쉬운 청취 조건에서 더 큰 동공 확장을 보였습니다(27,30,37,38,39,40,41,42,43). 그러나 청취자가 인식 작업을 수행해야하는 실험은 예를 들어 유아 또는 일부 동물 모델에서 항상 가능한 것은 아닙니다. 따라서, 음향 자극에 의해 유발된 비휘도 관련 동공 반응은 이러한 경우 청각 감지를 평가하는 실행 가능한 대안 방법이 될 수 있습니다(44,45). 이전 연구에서는 방향 반사46의 일부로 일시적이고 자극과 관련된 동공 확장을 입증했습니다. 이후 연구에서는 올빼미47,48에서 주파수 감도 곡선을 도출하기 위해 자극 관련 동공 확장을 사용하는 것으로 나타났습니다. 최근에, 이들 방법은 인간 유아의 동공 확장 반응의 민감도를 평가하기 위해 채택되었다48. 동공 측정법은 광범위한 단순(음색) 및 복합(GP 발성) 자극을 사용하여 수동적으로 듣는 기니피그(GP)의 청각 감지 및 식별 임계값을 추정하는 신뢰할 수 있고 비침습적인 접근 방식인 것으로 나타났습니다49. 이러한 자극 관련 PD 변화는 일반적으로 몇 초 정도의 더 빠른 시간 척도에서 발생하며 자극 타이밍과 관련이 있습니다. 여기서는 동물 모델에서 다양한 종류의 청각 장애의 행동 영향을 연구하기 위한 방법으로 자극 관련 PD 변화의 동공 측정법을 제안합니다. 특히, GPs에서 사용하기 위한 동공 측정 프로토콜, 다양한 유형의 청각 병리의 잘 확립된 동물 모델 50,51,52,53,54,55,56 (또한 철저한 검토를 위해 참고 문헌 57 참조)이 기재되어 있다.
이 기술은 정상 청력 GP에서 입증되지만 이러한 방법은 다른 동물 모델 및 다양한 청각 병리의 동물 모델에 쉽게 적용 할 수 있습니다. 중요한 것은 동공 측정법이 EEG와 같은 다른 비침습적 측정뿐만 아니라 가능한 소리 감지 및 지각 결함의 기본 메커니즘을 연구하기 위해 침습적 전기생리학적 기록과 결합될 수 있다는 것입니다. 마지막으로, 이 접근 방식은 인간과 동물 모델 간의 광범위한 유사성을 확립하는 데에도 사용할 수 있습니다.

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	<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

소음 노출은 감각신경성 난청의 주요 원인입니다. 소음성 난청의 동물 모델은 난청의 근본적인 해부학적 및 생리학적 병리에 대한 기계론적 통찰력을 생성했습니다. 그러나 청력 손실이 있는 인간에서 관찰된 행동 결함을 동물 모델의 행동 결함과 연관시키는 것은 여전히 어려운 일입니다. 여기서 동공 측정법은 동물과 인간의 행동 데이터를 직접 비교할 수 있는 방법으로 제안됩니다. 이 방법은 변형된 괴짜 패러다임에 기초한다 - 자극의 반복적인 표현에 피험자를 습관화하고 반복된 자극으로부터 어떤 매개변수적 방식으로 변하는 일탈적 자극을 간헐적으로 제시한다. 기본 전제는 반복되는 자극과 비정상적인 자극 사이의 변화가 피험자에 의해 감지되면 반복된 자극에 의해 유도된 것보다 더 큰 동공 확장 반응을 유발한다는 것입니다. 이 접근법은 청력 손실 연구를 포함하여 청각 연구에 널리 사용되는 동물 모델인 기니피그의 발성 분류 작업을 사용하여 시연됩니다. 한 발성 범주의 발성을 표준 자극으로, 두 번째 범주를 다양한 신호 대 잡음비로 잡음에 포함된 괴상한 자극으로 제시함으로써, 괴상한 범주에 대한 동공 확장의 크기는 신호 대 잡음비에 따라 단조롭게 변한다는 것이 입증되었습니다. 그런 다음 성장 곡선 분석을 사용하여 이러한 동공 확장 반응의 시간 경과와 통계적 유의성을 특성화할 수 있습니다. 이 프로토콜에서는 기니피그를 설정에 적응시키고, 동공 측정을 수행하고, 데이터를 평가/분석하기 위한 자세한 절차를 설명합니다. 이 기술은 이 프로토콜에서 정상 청력을 가진 기니피그에서 입증되지만, 이 방법은 각 피험자 내에서 다양한 형태의 청력 손실의 감각 효과를 평가하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 효과는 동시 전기생리학적 측정 및 사후 해부학적 관찰과 상관관계가 있을 수 있습니다.

동공 측정은 실험 과정에서 ~ 600-1,000 g의 무게를 가진 3 명의 남성 색소 GP에서 수행되었습니다. 이 프로토콜에 설명된 바와 같이, 콜-인-노이즈(call-in-noise) 분류 임계값을 추정하기 위해, 자극 제시를 위해 괴상한 패러다임이 사용되었다. 괴상한 패러다임에서는 주어진 SNR에서 백색 잡음에 포함된 한 범주(우는 소리)에 속하는 통화가 표준 자극으로 사용되었고(그림 2A), 동일?...

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Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs

간단하고 비침습적인 기술인 동공 측정법은 정상적인 청각 동물 및 다양한 청각 병리의 동물 모델에서 소음 내 청력 역치를 결정하는 방법으로 제안됩니다.

기니피그의 청각 감각을 평가하기 위한 동공 측정

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

동공 측정법은 복잡한 소리 인식 임계 값을 추정하는 데 사용할 수 있으며 다른 방법과 결합하여 다양한 형태의 청력 손실이 해당 임계 값에 미치는 영향을 결정할 수 있습니다. 이 기술은 인간과 훈련되지 않은 동물로부터 동일한 양식의 데이터를 특성화하는 데 사용할 수 있습니다. 설치가 비교적 쉽고 최소 침습적입니다.행동 및 지각 측정은 청력 상실의 동물 모델에서 얻기가 어렵습니다. 이 방법은 동물의 복잡한 소리 인식 행동을 정량화하는 한 가지 방법입니다. 우리가 모든 동물 행동 실험을하듯이 인내심이 핵심입니다.동물을 실험 환경에 적응시키는 데 시간을 할애하십시오. 실험 세션을 짧게 유지하고 동물을 면밀히 모니터링하십시오. 시작하려면 보정된 라우드 스피커를 동물이 배치될 위치와 동일한 높이의 소음 감쇠 챔버 벽에 장착합니다.자유 필드 자극 전달을 위해 큰 신체 움직임이 불가능하도록 동물을 인클로저에 넣고 동물의 머리를 단단한 프레임에 고정하십시오. 동물의 움직임을 감지하고 기록하기 위해 인클로저 아래에 압전 센서를 배치합니다. 그런 다음 동공 이미징 카메라를 피사체의 눈에서 25cm 떨어진 곳에 배치합니다.에어 퍼프를 설정하려면 탁상에 부착된 홀더를 사용하여 동물의 앞 약 15cm에 피펫 팁을 놓습니다. 직경 약 3mm의 실리콘 튜브를 피펫 팁에 연결하고 튜브를 조절된 공기 실린더에 연결합니다. 실린더 공기압을 20psi에서 25psi 사이로 유지하십시오.그리고 컴퓨터 제어 릴레이를 사용하여 에어 퍼프의 타이밍과 지속 시간을 제어하기 위해 핀치 밸브를 통해 튜브를 통과시킵니다. 약 10cm 거리에 배치된 적외선 LED 어레이로 눈을 비춥니다. 평방 미터당 약 2000칸델라 강도의 백색 LED 조명을 사용하여 이미징된 눈을 비추고 기준 동공 직경을 약 3.5mm로 만듭니다.동공 획득 소프트웨어를 열고 시야각이 0.15도인 공간 해상도의 16mm 렌즈가 장착된 카메라와 이미징된 눈에서 25cm 거리에 배치된 적외선 필터를 사용하여 동공의 비디오를 획득합니다. 눈이 이미지 영역의 중앙에 있는지 확인합니다. 이미지화된 동공의 윤곽에 선명한 초점이 맞춰질 때까지 카메라의 조리개와 초점, IR 레벨을 조절합니다.동공 획득 소프트웨어에서 마우스로 직사각형 영역을 선택하여 동공이 포함된 관심 영역을 정의합니다. 그런 다음 제어판을 사용하여 획득한 비디오의 밝기와 대비를 조정합니다. 스캔 밀도를 5로 설정하고 타원 맞춤이 비디오의 동공 윤곽선과 거의 일치하도록 임계값을 조정합니다.신경 인터페이스 프로세서 소프트웨어를 사용하여 동공 직경 또는 PD 트레이스에서 아날로그 신호, 모션을 기록하는 압전 센서의 전압 트레이스, 자극 전달 시간 및 에어 퍼프 전달 시간을 수집하고 저장합니다. 두 가지 다른 범주의 발성에서 비슷한 길이의 기니피그 발성의 8가지 다른 예를 선택합니다. 예를 들어, 쌕쌕거리는 소리와 우는 소리.한 범주는 표준 자극으로 사용되고 다른 범주는 괴상하거나 비정상적인 자극으로 사용됩니다. 서로 다른 신호 대 잡음비 또는 SNR 레벨에서 잡음에 포함된 1초 길이의 표준 및 편차 자극을 생성하려면 통화에 동일한 길이의 백색 잡음을 추가합니다. 이 실험에서 샘플링된 SNR의 범위는 마이너스 24에서 플러스 40데시벨 사이입니다.각 세션에 대해 시간의 90%보다 큰 표준 자극을 포함하는 의사 무작위 자극 프레젠테이션 시퀀스를 준비합니다. 일탈 자극 사이에 표준 자극으로 최소 20-40번의 시도가 있는지 확인하십시오. 모든 자극 프레젠테이션에 고정된 자극 강도를 사용합니다.높은 시간적 규칙성으로 자극을 제시하십시오. 자극에 대한 동물의 참여를 유지하고 습관화를 최소화하기 위해, 선택적으로 비정상적인 자극 후에 짧은 공기 퍼프를 전달하십시오. 에어 퍼프의 시작이 자극 지속 시간과 충분히 분리되어 자극이 동공 확장 반응을 유발하도록 합니다.에어 퍼프가 깜박임 아티팩트를 유발하기 전에 피크에 도달하십시오. 코드 pupil_avg_JOVE_m 실행하고 팝업 대화 상자의 단일 세션에서 데이터 파일을 선택하여 모든 세션에 대해 동작 감지 및 시행 제외를 수행합니다. 그런 다음 동일한 코드를 실행하고 팝업 대화 상자에서 분석할 모든 데이터 파일을 선택합니다.눈 깜박임 아티팩트를 제거하려면 데이터를 사전 처리하고 세션 전반에 걸쳐 각 자극에 대한 평균 동공 확장을 얻습니다. 각 자극 조건에 대한 자극 유발 동공 직경 변화를 각 동물 내 세션에 걸쳐 평균화한 다음 동물 전체에 걸쳐 각 자극 조건에 대한 평균 동공 확장 반응을 생성합니다. 코드 pupil_avg_JOVE의 모든 출력을 세로로 연결합니다.m 또는 모든 세션 동물, SNR, 및 감쇠를 사용하여 컬럼, 동물 ID, SNR, 소음 수준 및 동공 직경 값을 포함하는 행렬을 구성한다. 각 SNR에 대해 절편에 해당하는 가중치를 플로팅하여 결과를 시각화합니다. 선형 항과 2차 항에 대해서도 동일한 작업을 수행합니다.동공 변화가 유의미한 시행의 모든 세션 백분율을 셀이 더 낮은 SNR에서 더 높은 SNR로 배열되는 셀형 배열의 각 셀에 넣습니다. 코드 pupil_threshold_estimate_JOVE_m 사용하여 통화 내 노이즈 분류 임계값을 추정합니다. 이 그림에는 세 마리의 동물에 대한 평균 동공 반응이 나와 있습니다.표준 우는 소리 자극에 대한 평균 동공 반응은 파란색 선으로 표시되며 음영은 평균의 더하기 - 1 표준 오차에 해당합니다. 회색 선과 음영은 평균에 해당하며 더하기 - 비정상적인 쌕쌕거림 자극에 의해 유발되는 동공 반응의 평균 표준 오차 1개를 뺀 값입니다. 회색 음영 강도는 SNR에 해당합니다.녹색 선과 음영은 임계값 SNR의 평균 동공 추적에 해당합니다. 빨간색 수직선은 자극 시작에 해당합니다. 주황색 수직선은 에어 퍼프 시작에 해당하고 청록색 점선은 GCA 창에 해당합니다.SNR의 함수로서 이탈 자극에 의해 유도된 상당한 동공 직경 변화가 있는 시험의 비율에 맞는 심리 측정 기능이 이 그림에 나와 있습니다. 수염은 평균의 더하기 - 1 표준 오차에 해당합니다. 최대값의 50%는 약 마이너스 20데시벨 SNR에 도달합니다.획득 된 고품질 데이터는, 동물을 실험 설정에 잘 적응시키고 일정한 제거 조건을 유지하는 것이 중요합니다. 비정상적인 자극에 대한 동물의 거주를 최소화하기 위해 실험 세션을 짧게 유지하십시오. 동공 측정과 결합 된 EEG 또는 전기 생리 학적 기록은 청각 장애 동물의 근본적인 소음 분류 결함 인 신경 결손에 대한 추가 통찰력을 생성합니다.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Operant Sensation Seeking in the Mouse

마우스의 추구 Operant 감각

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

연구

신경과학

Preparation and Culture of Chicken Auditory Brainstem Slices

치킨 청각 Brainstem 슬라이스의 준비 및 문화

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

노래하는 새는에 청각 피드백을 조작하기위한 경량, 헤드폰 기반의 시스템

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

조류 배아 Vestibulocochlear 신경 청각 섬유의 선택적 추적

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

하이 필드의 fMRI를 사용하여 성인 고양이의 청각 피질의 기능적 이미징

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

청각 신경의 자극 Optogenetic

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

태아 알코올 스펙트럼 장애의 쥐 모델에서 Hippocampal 기능 장애를 평가 하기 위해 추적 Eyeblink 클래식 컨디셔닝의 사용

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

쥐에서 급성 뇌졸중 후 뇌 회복을 평가하는 전임상 모델

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

기니 피그에서 내인성 수압을 유도하는 개정 된 외과 접근 법

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

살아있는 포유류 청각 머리 세포에 있는 나노 규모 해상도를 가진 스테레오실리모들 화상 진찰

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