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 arbeidet ble støttet av NIH (R01DC017141), Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation, og midler fra avdelingene for Otolaryngology og nevrobiologi, University of Pittsburgh.

For alle eksperimentelle prosedyrer, få godkjenning fra Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) og følg NIHs retningslinjer for omsorg og bruk av forsøksdyr. I USA er fastleger i tillegg underlagt United States Department of Agriculture (USDA) forskrifter. Alle prosedyrene i denne protokollen ble godkjent av University of Pittsburgh IACUC og fulgte NIHs retningslinjer for omsorg og bruk av forsøksdyr. For dette eksperimentet ble tre mannlige villtypede, pigmenterte fastleger mellom 4 og 10 måneder, med ~...

Denne protokollen demonstrerer bruk av pupillometri som en ikke-invasiv og pålitelig metode for å estimere auditive terskler hos passivt lyttende dyr. Etter protokollen beskrevet her, ble innkallingsstøykategoriseringsterskler hos normale hørselsallmennleger estimert. Terskler estimert ved hjelp av pupillometri ble funnet å være konsistente med de som ble oppnådd ved bruk av operant trening62. Sammenlignet med operant trening var pupillometriprotokollen imidlertid relativt enkel og rask å ...

Pupilldiameter (PD) kan påvirkes av en lang rekke faktorer, og måling av PD som endres over tid kalles pupillometri. PD styres av iris-lukkemuskelen (involvert i innsnevring) og irisdilatatormuskelen (involvert i dilatasjon). Innsnevringsmuskelen er innervert av det parasympatiske systemet og involverer kolinerge fremspring, mens irisdilatatoren er innervert av det sympatiske systemet som involverer noradrenerge og kolinerge projeksjoner 1,2,3. Den mest kjente stimulansen for å indusere PD-endringer er luminansinnsnevring og dilatasjonsresponser av pupillen kan produseres ved variasjoner i omgivelseslysintensitet2. PD endres også som en funksjon av brennvidde2. Det har imidlertid vært kjent i flere tiår at PD også viser ikke-luminansrelaterte svingninger 4,5,6,7. For eksempel kan endringer i indre mentale tilstander fremkalle forbigående PD-endringer. Eleven utvider seg som respons på følelsesmessig ladede stimuli eller øker med opphisselse 4,5,8,9. Elevutvidelse kan også være relatert til andre kognitive mekanismer, for eksempel økt mental innsats eller oppmerksomhet10,11,12,13. På grunn av dette forholdet mellom elevstørrelsesvariasjoner og mentale tilstander, har PD-endringer blitt utforsket som en markør for kliniske lidelser som schizofreni 14,15, angst 16,17,18, Parkinsons sykdom 19,20 og Alzheimers sykdom 21 blant andre. Hos dyr sporer PD-endringer interne atferdstilstander og er korrelert med nevronaktivitetsnivåer i kortikale områder22,23,24,25. Pupilldiameter har også vist seg å være en pålitelig indikator på søvntilstanden hos mus26. Disse PD-endringene relatert til opphisselse og den indre tilstanden forekommer vanligvis på lange tidsskalaer i størrelsesorden flere titalls sekunder.
Innen hørselsforskning, både hos normalhørsel og hørselshemmede, har lytteanstrengelse og auditiv persepsjon blitt vurdert ved hjelp av pupillometri. Disse studiene involverer vanligvis trente forskningspersoner27,28,29,30 som utfører ulike typer deteksjons- eller anerkjennelsesoppgaver. På grunn av det nevnte forholdet mellom opphisselse og PD, har økt oppgaveengasjement og lytteinnsats vist seg å være korrelert med økte elevutvidelsesresponser 30,31,32,33,34,35. Dermed har pupillometri blitt brukt til å demonstrere at økt lytteinnsats brukes til å gjenkjenne spektralt degradert tale hos normalhørende lyttere29,36. Hos hørselshemmede lyttere, som mennesker med aldersrelatert hørselstap 27,30,37,38,39,40,41 og cochleaimplantatbrukere 42,43, økte også elevresponsen med redusert taleforståelse. Hørselshemmede lyttere viste imidlertid større utvidelse av pupillene under lettere lytteforhold sammenlignet med normalthørende personer 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Men eksperimenter som krever at lytteren utfører en anerkjennelsesoppgave, er ikke alltid mulig - for eksempel hos spedbarn eller i noen dyremodeller. Dermed kan ikke-luminansrelaterte elevresponser fremkalt av akustiske stimuli være en levedyktig alternativ metode for å vurdere auditiv deteksjon i disse tilfellene44,45. Tidligere studier viste en forbigående og stimulusbundet pupillutvidelse som en del av orienteringsrefleksen46. Senere studier har vist bruk av stimulusbundne elevdilatasjoner for å utlede frekvensfølsomhetskurver i ugler47,48. Nylig har disse metodene blitt tilpasset for å vurdere sensitiviteten av elevutvidelsesresponsen hos spedbarn48. Pupillometri har vist seg å være en pålitelig og ikke-invasiv tilnærming for å estimere terskler for auditiv deteksjon og diskriminering hos passivt lyttende marsvin (GP) ved å bruke et bredt spekter av enkle (toner) og komplekse (GP-vokaliseringer) stimuli49. Disse stimulusrelaterte PD-endringene forekommer vanligvis ved raskere tidsskalaer i størrelsesorden flere sekunder og er knyttet til stimulustiming. Her foreslås pupillometri av stimulusrelaterte PD-endringer som en metode for å studere atferdseffekter av ulike typer hørselshemming i dyremodeller. Spesielt er pupillometriprotokoller til bruk hos allmennleger, en veletablert dyremodell av ulike typer auditive patologier50,51,52,53,54,55,56 (se også referanse 57 for en uttømmende gjennomgang) beskrevet.
Selv om denne teknikken er demonstrert hos fastleger med normal hørsel, kan disse metodene lett tilpasses andre dyremodeller og dyremodeller av ulike auditive patologier. Det er viktig at pupillometri kan kombineres med andre ikke-invasive målinger som EEG, samt med invasive elektrofysiologiske opptak for å studere mekanismene som ligger til grunn for mulige lyddeteksjons- og persepsjonsunderskudd. Endelig kan denne tilnærmingen også brukes til å etablere brede likheter mellom 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

Støyeksponering er en ledende årsak til sensorinevralt hørselstap. Dyremodeller av støyindusert hørselstap har generert mekanistisk innsikt i de underliggende anatomiske og fysiologiske patologiene ved hørselstap. Imidlertid er det fortsatt utfordrende å relatere atferdsunderskudd observert hos mennesker med hørselstap til atferdsunderskudd i dyremodeller. Her foreslås pupillometri som en metode som muliggjør direkte sammenligning av dyre- og menneskelige atferdsdata. Metoden er basert på et modifisert oddball-paradigme - habituating emnet til gjentatt presentasjon av en stimulus og intermitterende presenterer en avvikende stimulus som varierer på en parametrisk måte fra den gjentatte stimulansen. Den grunnleggende forutsetningen er at hvis endringen mellom den gjentatte og avvikende stimulansen oppdages av motivet, vil det utløse en elevdilatasjonsrespons som er større enn den som fremkalles av den gjentatte stimulansen. Denne tilnærmingen er demonstrert ved hjelp av en vokaliseringskategoriseringsoppgave hos marsvin, en dyremodell som er mye brukt i auditiv forskning, inkludert i hørselstapstudier. Ved å presentere vokaliseringer fra en vokaliseringskategori som standard stimuli og en annen kategori som oddballstimuli innebygd i støy ved forskjellige signal-støy-forhold, er det demonstrert at størrelsen på elevutvidelsen som respons på oddball-kategorien varierer monotont med signal-støy-forholdet. Vekstkurveanalyser kan deretter brukes til å karakterisere tidsforløpet og statistisk signifikans av disse elevutvidelsesresponsene. I denne protokollen beskrives detaljerte prosedyrer for akklimatisering av marsvin til oppsettet, gjennomføring av pupillometri og evaluering/analyse av data. Selv om denne teknikken er demonstrert hos marsvin med normal hørsel i denne protokollen, kan metoden brukes til å vurdere sensoriske effekter av ulike former for hørselstap hos hvert forsøksperson. Disse effektene kan da korreleres med samtidige elektrofysiologiske målinger og post-hoc anatomiske observasjoner.

Pupillometri ble utført i tre mannlige pigmenterte fastleger, som veide ~ 600-1,000 g i løpet av forsøkene. Som beskrevet i denne protokollen, for å estimere terskler for innkallingsstøykategorisering, ble det brukt et merkelig paradigme for stimuluspresentasjon. I oddballparadigmet ble anrop tilhørende en kategori (klynker) innebygd i hvit støy ved en gitt SNR brukt som standardstimuli (figur 2A), og kall fra en annen kategori (wheeks) innebygd i hvit støy 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 enkel og ikke-invasiv teknikk, foreslås som en metode for å bestemme hørsel-i-støy-terskler hos normale hørende dyr og dyremodeller av ulike auditive patologier.

Pupillometri for å vurdere auditiv følelse 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 brukes til å estimere komplekse terskler for lydgjenkjenning, og kombinert med andre metoder kan brukes til å bestemme effekten av ulike former for hørselstap på disse terskler. Denne teknikken kan brukes til å karakterisere data av samme modalitet fra mennesker og fra utrente dyr. Det er relativt enkelt å sette opp og minimalt invasivt.Atferds- og persepsjonstiltak er vanskelig å oppnå i dyremodeller av hørselstap. Denne metoden er en måte å kvantifisere komplekse lydgjenkjenningsatferd hos dyr på. Som vi gjør alle dyreadferdseksperimenter, er tålmodighet nøkkelen.Ta deg tid til å akklimatisere dyret til det eksperimentelle oppsettet. Hold eksperimentelle økter korte og overvåke dyret nøye. For å begynne, monter en kalibrert høyttaler på den lyddempede kammerveggen i lik høyde til posisjonen der dyret skal plasseres.For levering av fri feltstimulans, plasser dyret i kabinettet slik at store kroppsbevegelser ikke er mulig og fest dyrets hode til den stive rammen. Plasser en piezoelektrisk sensor under kabinettet for å oppdage og registrere dyrebevegelser. Plasser deretter elevbildekameraet i en avstand på 25 centimeter fra motivets øye.For å sette opp luftpuffen, bruk en holder festet til bordplaten for å plassere en pipettespiss på rundt 15 centimeter foran dyrets snute. Koble et silikonrør med rundt tre millimeter diameter til pipettespissen og koble røret til en regulert luftsylinder. Hold sylinderens lufttrykk mellom 20 og 25 psi.Og før røret gjennom en klemmeventil for å kontrollere tidspunktet og varigheten av luftpuffen, ved hjelp av et datastyrt relé. Belys øyet med en infrarød LED-matrise plassert på rundt 10 centimeters avstand. Bruk hvit LED-belysning med en intensitet på rundt 2000 candela per kvadratmeter for å belyse det avbildede øyet og bringe grunnlinjens pupilldiameter til rundt 3,5 millimeter.Åpne programvaren for elevanskaffelse og skaff deg videoen av eleven ved hjelp av et kamera med en 16 millimeter linse med en romlig oppløsning på en 0,15 graders visuell vinkel og et infrarødt filter plassert i en 25 centimeter avstand fra det avbildede øyet. Sørg for at øyet er sentrert i det avbildede området. Reguler blenderåpningen og fokuset til kameraet samt IR-nivået til omrisset av den avbildede pupillen er i skarpt fokus.I programvaren for elevanskaffelse definerer du interesseområdet som inneholder eleven ved å velge et rektangulært område med musen. Bruk deretter kontrollpanelet til å justere lysstyrken og kontrasten til den oppkjøpte videoen. Sett skannetettheten til fem og juster terskelen slik at ellipsen passer godt til omrisset av eleven i videoen.Ved hjelp av prosessorprogramvaren for nevralt grensesnitt kan du skaffe og lagre det analoge signalet fra elevdiameteren eller PD-sporet, spenningssporet fra den piezoelektriske sensoren som registrerer bevegelse, stimulusleveringstider og leveringstider for luftpust. Velg åtte forskjellige eksempler på marsvinvokaliseringer av lignende lengde fra to forskjellige kategorier av vokaliseringer. For eksempel wheek samtaler og whine samtaler.En kategori vil tjene som standard stimuli og den andre kategorien vil tjene som oddball eller avvikende stimuli. For å generere ett sekund lang standard og avvikende stimuli innebygd i støy ved forskjellige signal-til-støy-forhold eller SNR-nivåer, legg til hvit støy av samme lengde til samtalene. Utvalget av SNR-er samplet i dette eksperimentet er mellom minus 24 og pluss 40 desibel.For hver økt, utarbeide en pseudorandom stimulus presentasjonssekvens som inneholder standard stimuli større enn 90% av tiden. Sørg for at mellom avvikende stimuli er det minst 20 til 40 forsøk med standard stimuli. Bruk en fast stimulusintensitet for alle stimuluspresentasjoner.Presenter stimuli med høy temporal regelmessighet. For å opprettholde dyrets engasjement med stimuli og for å minimere habituation, gi eventuelt en kort luftpust etter den avvikende stimulansen. Sørg for at utbruddet av luftpusten er tilstrekkelig atskilt fra stimulusvarigheten, slik at stimulus fremkaller elevdilatasjonsresponser.Nå en topp før luftpust induserte blinkartefakter. Kjør koden pupil_avg_JOVE_m og velg datafilen fra én enkelt økt i popup-dialogen for å utføre bevegelsesregistrering og prøveekskludering for hver økt. Kjør deretter den samme koden og velg alle datafilene som skal analyseres i popup-dialogen.For å fjerne øyeblinkartefakter, forhåndsbehandle dataene og oppnå gjennomsnittlig elevutvidelse til hver stimulans på tvers av økter. Gjennomsnittlig stimulus fremkalte endringer i pupilldiameteren for hver stimulustilstand på tvers av økter innen hvert dyr og deretter på tvers av dyr for å generere den gjennomsnittlige elevdilatasjonsresponsen på hver stimulustilstand. Sett sammen alle utgangene fra koden vertikalt pupil_avg_JOVE.m eller alle øktene dyr, SNR-er og dempinger for å konstruere en matrise som inneholder kolonnene, dyre-ID, SNR, lydnivå og elevdiameterverdier. For hver SNR, plott vektene som tilsvarer skjæringspunktet for å visualisere resultatene. Gjør det samme for lineære og kvadratiske termer.Sett all øktvis prosentandel av forsøk med signifikante elevendringer i hver celle i en cellematrise der cellene er ordnet fra lavere til høyere SNR. Bruk koden pupil_threshold_estimate_JOVE_m til å estimere terskelen for anrop i støykategorisering. Gjennomsnittlig elevrespons fra tre dyr er vist i denne figuren.Gjennomsnittlige elevresponser på standard klynkestimuli er representert ved den blå linjen og skyggelegging tilsvarer pluss minus en standardfeil av gjennomsnitt. Grå linjer og skyggelegging tilsvarer gjennomsnitt og pluss minus en standardfeil av gjennomsnittet av elevresponser fremkalt av avvikende wheek-stimuli. Grå skyggeintensitet tilsvarer SNR.Grønn linje og skyggelegging tilsvarer gjennomsnittlig elevspor ved terskel SNR. Den røde vertikale linjen tilsvarer stimulusstart. Den oransje vertikale linjen tilsvarer luftpustutbruddet og de blågrønne stiplede linjene tilsvarer GCA-vinduet.Den psykometriske funksjonen passer til prosentandelen av forsøk med signifikante endringer i pupilldiameteren fremkalt av den avvikende stimulansen som en funksjon av SNR, er vist i denne figuren. Whiskers tilsvarer pluss minus en standard feil av gjennomsnittet. Merk at 50% av maksimumet nås ved omtrent minus 20 desibel SNR.De oppkjøpte dataene av høy kvalitet, det er viktig å akklimatisere dyret godt til eksperimentelt oppsett og opprettholde konstante elimineringsforhold. Hold eksperimentøkten kort for å minimere dyrets beboelse til de avvikende stimuliene. EEG, eller elektrofysiologiske registreringer kombinert med pupillometri, vil generere ytterligere innsikt i nevrale underskudd, underliggende innkallingsstøykategoriseringsunderskudd hos hørselshemmede 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

En lett, hodetelefoner-basert system for å manipulere Auditiv tilbakemelding 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 av auditiv Fibers i Avian Embryonic 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

Funksjonell Imaging av auditive cortex hos voksne katter ved hjelp av høy-feltet 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 av hørselsnerven

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

Bruk av spor Eyeblink klassisk betinging å vurdere hippocampus dysfunksjon i en rotte modell av 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

En prekliniske modell for å vurdere Brain Recovery etter akutt hjerneslag i 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 revidert kirurgisk tilnærming til indusere 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 oppløsning i levende pattedyr 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 ...