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.

pupillometry-to-assess-auditory-sensation-in-guinea-pigs

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 addiction research due to their high construct validity. Operant studies provide researchers a tool for preclinical investigation of several aspects of the addiction process. For example, mechanisms of acute reinforcement (both drug and non-drug) can be tested using pharmacological or genetic tools to determine the ability of a molecular target to influence self-administration behavior1-6. Additionally, drug or food seeking behaviors can be studied in the absence of the primary reinforcer, and the ability of pharmacological compounds to disrupt this process is a preclinical model for discovery of molecular targets and compounds that may be useful for the treatment of addiction3,7-9. One problem with performing intravenous drug self-administration studies in the mouse is the technical difficulty of maintaining catheter patency. Attrition rates in these experiments are high and can reach 40% or higher10-15. Another general problem with drug self-administration is discerning which pharmacologically-induced effects of the reinforcer produce specific behaviors. For example, measurement of the reinforcing and neurological effects of psychostimulants can be confounded by their psychomotor effects. Operant methods using food reinforcement can avoid these pitfalls, although their utility in studying drug addiction is limited by the fact that some manipulations that alter drug self-administration have a minimal impact on food self-administration. For example, mesolimbic dopamine lesion or knockout of the D1 dopamine receptor reduce cocaine self-administration without having a significant impact on food self-administration 12,16. 
Sensory stimuli have been described for their ability to support operant responding as primary reinforcers (i.e. not conditioned reinforcers)17-22. Auditory and visual stimuli are self-administered by several species18,21,23, although surprisingly little is known about the neural mechanisms underlying this reinforcement. The operant sensation seeking (OSS) model is a robust model for obtaining sensory self-administration in the mouse, allowing the study of neural mechanisms important in sensory reinforcement24. An additional advantage of OSS is the ability to screen mutant mice for differences in operant behavior that may be relevant to addiction. We have reported that dopamine D1 receptor knockout mice, previously shown to be deficient in psychostimulant self-administration, also fail to acquire OSS24. This is a unique finding in that these mice are capable of learning an operant task when food is used as a reinforcer. While operant studies using food reinforcement can be useful in the study of general motivated behavior and the mechanisms underlying food reinforcement, as mentioned above, these studies are limited in their application to studying molecular mechanisms of drug addiction. Thus, there may be similar neural substrates mediating sensory and psychostimulant reinforcement that are distinct from food reinforcement, which would make OSS a particularly attractive model for the study of drug addiction processes. The degree of overlap between other molecular targets of OSS and drug reinforcers is unclear, but is a topic that we are currently pursuing. While some aspects of addiction such as resistance to extinction may be observed with OSS, we have found that escalation 25 is not observed in this model24. Interestingly, escalation of intake and some other aspects of addiction are observed with self-administration of sucrose26. Thus, when non-drug operant procedures are desired to study addiction-related processes, food or sensory reinforcers can be chosen to best fit the particular question being asked. 
In conclusion, both food self-administration and OSS in the mouse have the advantage of not requiring an intravenous catheter, which allows a higher throughput means to study the effects of pharmacological or genetic manipulation of neural targets involved in motivation. While operant testing using food as a reinforcer is particularly useful in the study of the regulation of food intake, OSS is particularly apt for studying reinforcement mechanisms of sensory stimuli and may have broad applicability to novelty seeking and addiction.

In this protocol we describe a method of operant learning using sensory stimuli as a reinforcer in the mouse. It requires no prior training or food restriction, and it allows the study of motivated behavior without the use of a pharmacological or natural reinforcer such as food.

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 discreet periods of development 1-4 as well as mechanisms for temporal coding in the central nervous system 5-7.
Here we present a method to prepare chicken auditory brainstem slices that can be used for acute experimental procedures or to culture organotypic slices for long-term experimental manipulations.
The chicken auditory brainstem is composed of nucleus angularis, magnocellularis, laminaris and superior olive. These nuclei are responsible for binaural sound processing and single coronal slice preparations preserve the entire circuitry. Ultimately, organotypic slice cultures can provide the opportunity to manipulate several developmental parameters such as synaptic activity, expression of pre and postsynaptic components, expression of aspects controlling excitability and differential gene expression
This approach can be used to broaden general knowledge about neural circuit development, refinement and maturation.

The chicken auditory brainstem is comprised of nuclei responsible for binaural sound processing. A single coronal slice preparation maintains the entire circuitry while the cultured approach provides a unique preparation to study the development of neuronal structure and auditory function at the molecular, cellular and network levels.

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

Experimental manipulations of sensory feedback during complex behavior have provided valuable insights into the computations underlying motor control and sensorimotor plasticity1. Consistent sensory perturbations result in compensatory changes in motor output, reflecting changes in feedforward motor control that reduce the experienced feedback error. By quantifying how different sensory feedback errors affect human behavior, prior studies have explored how visual signals are used to recalibrate arm movements2,3 and auditory feedback is used to modify speech production4-7. The strength of this approach rests on the ability to mimic naturalistic errors in behavior, allowing the experimenter to observe how experienced errors in production are used to recalibrate motor output.
Songbirds provide an excellent animal model for investigating the neural basis of sensorimotor control and plasticity8,9. The songbird brain provides a well-defined circuit in which the areas necessary for song learning are spatially separated from those required for song production, and neural recording and lesion studies have made significant advances in understanding how different brain areas contribute to vocal behavior9-12. However, the lack of a naturalistic error-correction paradigm - in which a known acoustic parameter is perturbed by the experimenter and then corrected by the songbird - has made it difficult to understand the computations underlying vocal learning or how different elements of the neural circuit contribute to the correction of vocal errors13.
The technique described here gives the experimenter precise control over auditory feedback errors in singing birds, allowing the introduction of arbitrary sensory errors that can be used to drive vocal learning. Online sound-processing equipment is used to introduce a known perturbation to the acoustics of song, and a miniaturized headphones apparatus is used to replace a songbird's natural auditory feedback with the perturbed signal in real time. We have used this paradigm to perturb the fundamental frequency (pitch) of auditory feedback in adult songbirds, providing the first demonstration that adult birds maintain vocal performance using error correction14. The present protocol can be used to implement a wide range of sensory feedback perturbations (including but not limited to pitch shifts) to investigate the computational and neurophysiological basis of vocal learning.

We describe the design and assembly of miniaturized headphones suitable for replacing a songbird&#x2019;s natural auditory feedback with a manipulated acoustic signal. Online sound processing hardware is used to manipulate song output, introduce real-time errors in auditory feedback via the headphones, and drive vocal motor learning.

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

The embryonic chick is a widely used model for the study of peripheral and central ganglion cell projections. In the auditory system, selective labeling of auditory axons within the VIIIth cranial nerve would enhance the study of central auditory circuit development. This approach is challenging because multiple sensory organs of the inner ear contribute to the VIIIth nerve 1. Moreover, markers that reliably distinguish auditory versus vestibular groups of axons within the avian VIIIth nerve have yet to be identified. Auditory and vestibular pathways cannot be distinguished functionally in early embryos, as sensory-evoked responses are not present before the circuits are formed. Centrally projecting VIIIth nerve axons have been traced in some studies, but auditory axon labeling was accompanied by labeling from other VIIIth nerve components 2,3. Here, we describe a method for anterograde tracing from the acoustic ganglion to selectively label auditory axons within the developing VIIIth nerve. First, after partial dissection of the anterior cephalic region of an 8-day chick embryo immersed in oxygenated artificial cerebrospinal fluid, the cochlear duct is identified by anatomical landmarks. Next, a fine pulled glass micropipette is positioned to inject a small amount of rhodamine dextran amine into the duct and adjacent deep region where the acoustic ganglion cells are located. Within thirty minutes following the injection, auditory axons are traced centrally into the hindbrain and can later be visualized following histologic preparation. This method provides a useful tool for developmental studies of peripheral to central auditory circuit formation.

Here we describe a microdissection technique followed by fluorescent dye injection into the acoustic ganglion of early chick embryos for selective tracing of auditory axon fibers in the nerve and hindbrain.

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

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal models, including monkeys, ferrets, bats, rodents, and cats. In order to draw suitable parallels between human and animal models of auditory function, it is important to establish a bridge between human functional imaging studies and animal electrophysiological studies. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an established, minimally invasive method of measuring broad patterns of hemodynamic activity across different regions of the cerebral cortex. This technique is widely used to probe sensory function in the human brain, is a useful tool in linking studies of auditory processing in both humans and animals and has been successfully used to investigate auditory function in monkeys and rodents. The following protocol describes an experimental procedure for investigating auditory function in anesthetized adult cats by measuring stimulus-evoked hemodynamic changes in auditory cortex using fMRI. This method facilitates comparison of the hemodynamic responses across different models of auditory function thus leading to a better understanding of species-independent features of the mammalian auditory cortex.

Functional studies of the auditory system in mammals have traditionally been conducted using spatially-focused techniques such as electrophysiological recordings. The following protocol describes a method of visualizing large-scale patterns of evoked hemodynamic activity in the cat auditory cortex using functional magnetic resonance imaging.

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

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted deaf subjects1-6. Nonetheless, sound coding with current CIs has poor frequency and intensity resolution due to broad current spread from each electrode contact activating a large number of SGNs along the tonotopic axis of the cochlea7-9. Optical stimulation is proposed as an alternative to electrical stimulation that promises spatially more confined activation of SGNs and, hence, higher frequency resolution of coding. In recent years, direct infrared illumination of&#160;the cochlea has been used to evoke responses in the auditory nerve10. Nevertheless it requires higher energies than electrical stimulation10,11 and uncertainty remains as to the underlying mechanism12. Here we describe a method based on optogenetics to stimulate SGNs with low intensity blue light, using transgenic mice with neuronal expression of channelrhodopsin 2 (ChR2)13 or virus-mediated expression of the ChR2-variant CatCh14. We used micro-light emitting diodes (&#181;LEDs) and fiber-coupled lasers to stimulate ChR2-expressing SGNs through a small artificial opening (cochleostomy) or the round window. We assayed the responses by scalp recordings of light-evoked potentials (optogenetic auditory brainstem response: oABR) or by microelectrode recordings from the auditory pathway and compared them with acoustic and electrical stimulation.

Cochlear implants (CIs) enable hearing by direct electrical stimulation of the auditory nerve. However, poor frequency and intensity resolution limits the quality of hearing with CIs. Here we describe optogenetic stimulation of the auditory nerve in mice as an alternative strategy for auditory research and developing future CIs.

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

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 undergoes rapid organizational change and is similar to accelerated brain changes that occur during the third trimester in humans. This model of fetal alcohol spectrum disorders (FASDs) produces severe brain damage, mimicking the amount and pattern of binge-drinking that occurs in some pregnant alcoholic mothers. We describe the use of trace eyeblink classical conditioning (ECC), a higher-order variant of associative learning, to assess long-term hippocampal dysfunction that is typically seen in alcohol-exposed adult offspring. At 90 days of age, rodents were surgically prepared with recording and stimulating electrodes, which measured electromyographic (EMG) blink activity from the left eyelid muscle and delivered mild shock posterior to the left eye, respectively. After a 5 day recovery period, they underwent 6 sessions of trace ECC to determine associative learning differences between alcohol-exposed and control rats. Trace ECC is one of many possible ECC procedures that can be easily modified using the same equipment and software, so that different neural systems can be assessed. ECC procedures in general, can be used as diagnostic tools for detecting neural pathology in different brain systems and different conditions that insult the brain.

Trace eyeblink classical conditioning (ECC) was used to assess hippocampal-dependent associative learning in adult rats that were administered a high concentration (11.9% v/v) of alcohol during early neonatal brain development. In general, ECC procedures are sound diagnostic tools for detecting brain dysfunction across many psychological and biomedical settings.

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

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 occlusion/reperfusion (MCAO/R) model in male Sprague-Dawley rats was chosen. By changing the rat&#39;s weight (260&#8722;330 g), the thread bolt type (2636/2838/3040/3043) and the brain infarct time (2-3 h), a higher Longa&#39;s score, a larger infarct volume and a greater model success ratio were screened using the Longa&#39;s score and TTC staining. The optimum model condition (300 g, 3040 thread bolt, 3 h brain infarct time) was acquired and used in a 1-90 day observation period after reperfusion via assessment of sensorimotor functions and infarct volume. At these conditions, the bilateral asymmetry test had a significant difference from 1 to 90 days, and the grid-walking test had a significant difference from 1 to 60 days; both differences could be a suitable sensorimotor functional test. Thus, the most appropriate condition of a novel rat model in the recovery and sequela stages of brain ischemia was found: 300 g rats that underwent MCAO with a 3040 thread bolt for a 3 h brain infarct and then reperfused. The appropriate sensorimotor functional tests were a bilateral asymmetry test and a grid-walking test.

The&#160;purpose of this study is to establish and validate an animal model for research in the recovery and sequela stages of brain ischemia by testing brain infarction and sensorimotor function after middle cerebral artery occlusion/reperfusion (MCAO/R) after 1-90 days 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

Endolymphatic hydrops is an enlargement of scala media that is most often associated with Meniere&#39;s disease, though the pathophysiologic mechanism(s) remain unclear. In order to adequately study the attributes of endolymphatic hydrops, such as the origins of low-frequency hearing loss, a reliable model is needed. The guinea pig is a&#160;good model because it hears in the low-frequency regions that are putatively affected by endolymphatic hydrops. Previous research has demonstrated that endolymphatic hydrops can be induced surgically via intradural or extradural approaches that involve drilling on the endolymphatic duct and sac. However, whether it was possible to create an endolymphatic hydrops model using an extradural approach that avoided dangerous drilling on the endolymphatic duct and sac was unknown. The objective of this study was to demonstrate a revised extradural approach to induce experimental endolymphatic hydrops at 30 days post-operatively by obliterating the endolymphatic sac and injuring the endolymphatic duct with a fine pick. The sample size consisted of seven guinea pigs. Functional measurements of hearing were made and temporal bones were subsequently harvested for histologic analysis. The approach had a success rate of 86% in achieving endolymphatic hydrops. The risk of cerebrospinal fluid leak was minimal. No perioperative deaths or injuries to the posterior semicircular canal occurred in the sample. The presented method demonstrates a safe and reliable way to induce endolymphatic hydrops at a relatively quick time point of 30 days. The clinical implications are that the presented method provides a reliable model to further explore the origins of low-frequency hearing loss that can be associated endolymphatic hydrops.

This article demonstrates an extradural approach to obliterate the guinea pig endolymphatic sac and injure the endolymphatic duct with a fine pick in order to induce experimental endolymphatic hydrops.

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) ...

Direct Cannula Implantation in the Cisterna Magna of Pigs

The glymphatic system is a waste clearance system in the brain that relies on the flow of cerebrospinal fluid (CSF) in astrocyte-bound perivascular spaces and has been implicated in the clearance of neurotoxic peptides such as amyloid-beta. Impaired glymphatic function exacerbates disease pathology in animal models of neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's, which highlights the importance of understanding this clearance system. The glymphatic system is often studied by cisterna magna cannulations (CMc), where tracers are delivered directly into the cerebrospinal fluid (CSF). Most studies, however, have been carried out in rodents. Here, we demonstrate an adaptation of the CMc technique in pigs. Using CMc in pigs, the glymphatic system can be studied at a high optical resolution in gyrencephalic brains and in doing so bridges the knowledge gap between rodent and human glymphatics.

This article presents a step-by-step protocol for the direct cannula implantation in the cisterna magna of pigs.

Direkte kanyleimplantasjon i sisternemagnaten av griser

The glymphatic system is a waste clearance system in the brain that relies on the flow of cerebrospinal fluid (CSF) in astrocyte-bound perivascular spaces ...