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

Este trabalho foi apoiado pelo NIH (R01DC017141), pela Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation e por fundos dos Departamentos de Otorrinolaringologia e Neurobiologia da Universidade de Pittsburgh.

Para todos os procedimentos experimentais, obtenha a aprovação do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) e siga as Diretrizes do NIH para o cuidado e uso de animais de laboratório. Nos Estados Unidos da América, os GPs também estão sujeitos aos regulamentos do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA). Todos os procedimentos deste protocolo foram aprovados pela IACUC da Universidade de Pittsburgh e aderiram às Diretrizes do NIH para o cuidado e uso de animais de laboratório. Para e...

Este protocolo demonstra o uso da pupilometria como método não invasivo e confiável para estimar limiares auditivos em animais ouvintes passivos. Seguindo o protocolo aqui descrito, foram estimados os limiares de categorização call-in-noise em GPs ouvintes normais. Os limiares estimados por meio da pupilometria mostraram-se consistentes com os obtidos com o treinamento operante62. Em comparação com o treinamento operante, no entanto, o protocolo de pupilometria foi relativamente simples e r...

O diâmetro da pupila (DP) pode ser afetado por um grande número de fatores e a medida da DP que muda ao longo do tempo é conhecida como pupilometria. A DP é controlada pelo músculo do esfíncter da íris (envolvido na constrição) e pelo músculo dilatador da íris (envolvido na dilatação). O músculo de constrição é inervado pelo sistema parassimpático e envolve projeções colinérgicas, enquanto o dilatador da íris é inervado pelo sistema simpático envolvendo projeções noradrenérgicas e colinérgicas 1,2,3. O estímulo mais conhecido para induzir alterações da DP é a luminância-constrição e as respostas de dilatação da pupila podem ser produzidas por variações na intensidade da luz ambiente2. A DP também muda em função da distância focal2. Sabe-se há décadas, no entanto, que a DP também apresenta flutuações não relacionadas à luminância 4,5,6,7. Por exemplo, mudanças nos estados mentais internos podem provocar alterações transitórias da DP. A pupila dilata-se em resposta a estímulos emocionalmente carregados ou aumenta com a excitação 4,5,8,9. A dilatação da pupila também pode estar relacionada a outros mecanismos cognitivos, como o aumento do esforço mental ou da atenção10,11,12,13. Devido a essa relação entre as variações do tamanho da pupila e os estados mentais, as alterações da DP têm sido exploradas como marcadores de distúrbios clínicos como esquizofrenia 14,15, ansiedade16,17,18, doença de Parkinson 19,20 e doença de Alzheimer 21 , entre outros. Em animais, as alterações da DP acompanham estados comportamentais internos e estão correlacionadas com os níveis de atividade neuronal em áreas corticais 22,23,24,25. O diâmetro da pupila também demonstrou ser um indicador confiável do estado de sono em camundongos26. Essas mudanças de DP relacionadas à excitação e ao estado interno geralmente ocorrem em longas escalas de tempo da ordem de várias dezenas de segundos.
No domínio da pesquisa auditiva, tanto na audição normal quanto em indivíduos com deficiência auditiva, o esforço auditivo e a percepção auditiva têm sido avaliados por meio da pupilometria. Esses estudos geralmente envolvem sujeitos de pesquisa treinados27,28,29,30 que realizam vários tipos de tarefas de detecção ou reconhecimento. Devido à relação supracitada entre excitação e DP, o aumento do engajamento da tarefa e do esforço de escuta tem se mostrado correlacionado com o aumento das respostas de dilatação pupilar 30,31,32,33,34,35. Assim, a pupilometria tem sido utilizada para demonstrar que o aumento do esforço de escuta é despendido para reconhecer a fala espectralmente degradada em ouvintes normo-ouvintes29,36. Em ouvintes com deficiência auditiva, como humanos com perda auditiva relacionada à idade 27,30,37,38,39,40,41 e usuários de implante coclear 42,43, as respostas dos alunos também aumentaram com a diminuição da inteligibilidade de fala; no entanto, os ouvintes com deficiência auditiva apresentaram maior dilatação pupilar em condições de escuta mais fáceis em comparação com os indivíduos normo-ouvintes 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Mas experimentos que exigem que o ouvinte execute uma tarefa de reconhecimento nem sempre são possíveis - por exemplo, em bebês ou em alguns modelos animais. Assim, as respostas não relacionadas à luminância das pupilas evocadas por estímulos acústicos poderiam ser um método alternativo viável para avaliar a detecção auditiva nesses casos44,45. Estudos anteriores demonstraram uma dilatação pupilar transitória e ligada a estímulos como parte do reflexo orientador46. Estudos posteriores demonstraram o uso de dilatações pupilares ligadas a estímulos para derivar curvas de sensibilidade de frequência em corujas47,48. Recentemente, esses métodos foram adaptados para avaliar a sensibilidade da resposta de dilatação da pupila em lactentes humanos48. A pupilometria tem se mostrado uma abordagem confiável e não invasiva para estimar os limiares de detecção e discriminação auditiva em cobaias (GPs) que ouvem passivamente, utilizando uma ampla gama de estímulos simples (tons) e complexos (vocalizações GP)49. Essas alterações de DP relacionadas ao estímulo geralmente ocorrem em escalas de tempo mais rápidas da ordem de vários segundos e estão ligadas ao tempo do estímulo. Aqui, a pupilometria de alterações da DP relacionadas a estímulos é proposta como um método para estudar os impactos comportamentais de vários tipos de deficiência auditiva em modelos animais. Em particular, os protocolos de pupilometria para uso em GPs, um modelo animal bem estabelecido de vários tipos de patologias auditivas 50,51,52,53,54,55,56 (ver também a referência 57 para uma revisão exaustiva) é descrito.
Embora esta técnica seja demonstrada em clínicos gerais de audição normal, esses métodos podem ser facilmente adaptados a outros modelos animais e modelos animais de várias patologias auditivas. É importante ressaltar que a pupilometria pode ser combinada com outras medidas não invasivas, como o EEG, bem como com registros eletrofisiológicos invasivos, a fim de estudar os mecanismos subjacentes a possíveis déficits de detecção e percepção sonora. Finalmente, essa abordagem também pode ser usada para estabelecer amplas semelhanças entre modelos humanos e animais.

<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

A exposição ao ruído é uma das principais causas de perda auditiva neurossensorial. Modelos animais de perda auditiva induzida por ruído geraram uma visão mecanicista sobre as patologias anatômicas e fisiológicas subjacentes da perda auditiva. No entanto, relacionar déficits comportamentais observados em humanos com perda auditiva com déficits comportamentais em modelos animais permanece desafiador. Aqui, a pupilometria é proposta como um método que permitirá a comparação direta de dados comportamentais animais e humanos. O método baseia-se em um paradigma excêntrico modificado - habituando o sujeito à apresentação repetida de um estímulo e apresentando intermitentemente um estímulo desviante que varia de alguma forma paramétrica do estímulo repetido. A premissa fundamental é que, se a mudança entre o estímulo repetido e desviante for detectada pelo sujeito, ela desencadeará uma resposta de dilatação da pupila maior do que a provocada pelo estímulo repetido. Essa abordagem é demonstrada por meio de uma tarefa de categorização de vocalização em cobaias, modelo animal amplamente utilizado em pesquisas auditivas, inclusive em estudos de perda auditiva. Ao apresentar vocalizações de uma categoria de vocalização como estímulos padrão e uma segunda categoria como estímulos excêntricos embutidos no ruído em várias relações sinal-ruído, demonstra-se que a magnitude da dilatação da pupila em resposta à categoria excêntrico varia monotonicamente com a relação sinal-ruído. As análises da curva de crescimento podem então ser usadas para caracterizar o curso do tempo e a significância estatística dessas respostas de dilatação da pupila. Neste protocolo, são descritos procedimentos detalhados para aclimatar cobaias à configuração, realizar pupilometria e avaliar/analisar dados. Embora esta técnica seja demonstrada em cobaias ouvintes normais neste protocolo, o método pode ser utilizado para avaliar os efeitos sensoriais de várias formas de perda auditiva dentro de cada sujeito. Esses efeitos podem então ser correlacionados com medidas eletrofisiológicas concomitantes e observações anatômicas post-hoc.

A pupilometria foi realizada em três GPs pigmentados do sexo masculino, pesando ~600-1.000 g ao longo dos experimentos. Conforme descrito neste protocolo, para estimar os limiares de categorização call-in-noise, um paradigma excêntrico foi utilizado para a apresentação do estímulo. No paradigma excêntrico, chamadas pertencentes a uma categoria (wheeks) embutidas em ruído branco em um determinado SNR foram empregadas como estímulos padrão (Figura 2A), e chamadas de outra categoria (wheeks) embutidas em ruído b...

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

A pupillometry, uma técnica simples e não invasiva, é proposta como método para determinar limiares auditivos com ruído em animais normo-ouvintes e modelos animais de várias patologias auditivas.

Pupilometria para Avaliar a Sensação Auditiva em Cobaias

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

A pupilometria pode ser usada para estimar limiares complexos de reconhecimento sonoro e, combinada com outros métodos, pode ser usada para determinar os efeitos de várias formas de perda auditiva nesses limiares. Esta técnica pode ser usada para caracterizar dados da mesma modalidade de seres humanos e de animais não treinados. É relativamente fácil de configurar e minimamente invasivo.Medidas de comportamento e percepção são difíceis de obter em modelos animais de perda auditiva. Este método é uma maneira de quantificar comportamentos complexos de reconhecimento sonoro em animais. Como fazemos todos os experimentos comportamentais com animais, a paciência é a chave.Aproveite o tempo para acostumar o animal à configuração experimental. Mantenha as sessões experimentais curtas e monitore o animal de perto. Para começar, monte um alto-falante calibrado na parede da câmara atenuada de som a uma altura igual à posição em que o animal será colocado.Para a entrega de estímulos de campo livre, coloque o animal no recinto garantindo que grandes movimentos corporais não sejam possíveis e fixe a cabeça do animal na estrutura rígida. Coloque um sensor piezoelétrico sob o gabinete para detectar e registrar os movimentos dos animais. Em seguida, posicione a câmera de imagem da pupila a uma distância de 25 centímetros do olho do sujeito.Para configurar o sopro de ar, use um suporte preso à mesa para colocar uma ponta de pipeta a cerca de 15 centímetros na frente do focinho do animal. Conecte um tubo de silicone de cerca de três milímetros de diâmetro à ponta da pipeta e conecte o tubo a um cilindro de ar regulado. Mantenha a pressão de ar do cilindro entre 20 e 25 psi.E passe o tubo através de uma válvula de pinça para controlar o tempo e a duração do sopro de ar, usando um relé controlado por computador. Ilumine o olho com uma matriz de LED infravermelho colocada a cerca de 10 centímetros de distância. Use iluminação LED branca a uma intensidade de cerca de 2000 candelas por metro quadrado para iluminar o olho fotografado e trazer o diâmetro da pupila basal para cerca de 3,5 milímetros.Abra o software de aquisição da pupila e adquira o vídeo da pupila usando uma câmera com uma lente de 16 milímetros com uma resolução espacial de um ângulo visual de 0,15 graus e um filtro infravermelho colocado a uma distância de 25 centímetros do olho fotografado. Certifique-se de que o olho está centrado na área da imagem. Regule a abertura e o foco da câmera, bem como o nível de infravermelho, até que o contorno da pupila fotografada esteja em foco nítido.No software de aquisição da pupila, defina a área de interesse que contém a pupila selecionando uma área retangular com o mouse. Em seguida, use o painel de controles para ajustar o brilho e o contraste do vídeo adquirido. Defina a densidade de varredura como cinco e ajuste o limite de modo que o ajuste da elipse corresponda de perto ao contorno da pupila no vídeo.Usando o software do processador de interface neural, adquira e salve o sinal analógico do diâmetro da pupila ou traço PD, o traço de tensão do movimento de gravação do sensor piezoelétrico, os tempos de entrega do estímulo e os tempos de entrega do sopro de ar. Selecione oito exemplos diferentes de vocalizações de cobaias de comprimentos semelhantes de duas categorias diferentes de vocalizações. Por exemplo, chamadas wheek e chamadas de lamentação.Uma categoria servirá como estímulo padrão e a outra categoria servirá como estímulos excêntricos ou desviantes. Para gerar um segundo de estímulos padrão e desviantes de comprimento embutidos no ruído em diferentes níveis de relação sinal-ruído ou SNR, adicione ruído branco de igual comprimento às chamadas. A gama de SNRs amostrados neste experimento está entre menos 24 e mais 40 decibéis.Para cada sessão, prepare uma sequência de apresentação de estímulos pseudoaleatórios que contenha estímulos padrão superiores a 90% do tempo. Certifique-se de que entre estímulos desviantes haja pelo menos 20 a 40 tentativas com estímulos padrão. Use uma intensidade de estímulo fixa para todas as apresentações de estímulo.Apresente os estímulos com alta regularidade temporal. Para manter o envolvimento do animal com os estímulos e minimizar a habituação, opcionalmente dê um breve sopro de ar após o estímulo desviante. Certifique-se de que o início do sopro de ar esteja suficientemente separado da duração do estímulo para que o estímulo evoque as respostas de dilatação da pupila.Alcance um pico antes que os artefatos de piscar induzidos por sopro de ar. Execute o código pupil_avg_JOVE_m e selecione o arquivo de dados de uma única sessão na caixa de diálogo pop-up para executar a detecção de movimento e a exclusão de avaliação para cada sessão. Em seguida, execute o mesmo código e selecione todos os arquivos de dados a serem analisados na caixa de diálogo pop-up.Para remover artefatos de piscar os olhos, pré-processe os dados e obtenha a dilatação média da pupila para cada estímulo nas sessões. A média das mudanças no diâmetro da pupila evocado pelo estímulo para cada condição de estímulo em todas as sessões dentro de cada animal e, em seguida, entre os animais para gerar a resposta média de dilatação da pupila a cada condição de estímulo. Concatena verticalmente todas as saídas do código pupil_avg_JOVE.m ou todas as sessões animais, SNRs e atenuações para construir uma matriz contendo as colunas, identificação animal, SNR, nível sonoro e valores de diâmetro da pupila. Para cada SNR, plote os pesos correspondentes ao intercepto para visualizar os resultados. Faça o mesmo para termos lineares e quadráticos.Coloque toda a porcentagem de sessões sábias de ensaios com mudanças significativas na pupila em cada célula de uma matriz de células, onde as células são organizadas de SNR inferior para superior. Usando o código pupil_threshold_estimate_JOVE_m, estime o limite de categorização de chamada no ruído. As respostas médias dos alunos de três animais são mostradas nesta figura.As respostas médias das pupilas aos estímulos padrão do lamento são representadas pela linha azul e o sombreamento corresponde a mais menos um erro padrão de média. Linhas de cinza e sombreamento correspondem à média e mais menos um erro padrão de média das respostas pupilares evocadas por estímulos desviantes wheek. A intensidade do sombreamento cinza corresponde ao SNR.A linha verde e o sombreamento correspondem ao traço médio da pupila no limiar SNR. A linha vertical vermelha corresponde ao início do estímulo. A linha vertical laranja corresponde ao início do sopro de ar e as linhas tracejadas azul-petróleo correspondem à janela da ACG.A função psicométrica ajustada à porcentagem de ensaios com alterações significativas do diâmetro da pupila provocadas pelo estímulo desviante em função do SNR é mostrada nesta figura. Bigodes correspondem a mais menos um erro padrão de média. Note-se que 50% do máximo é atingido a cerca de menos 20 decibéis SNR.Pelos dados adquiridos de alta qualidade, é importante aclimatar bem o animal à configuração experimental e manter condições constantes de eliminação. Mantenha a sessão de experimento curta para minimizar a habitação do animal aos estímulos desviantes. O EEG, ou registros eletrofisiológicos combinados com pupilometria, gerariam informações adicionais sobre os déficits neurais, déficits subjacentes de categorização de chamada em ruído em animais com deficiência auditiva.

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.

Sensation operante que procura no mouse

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

Neurociência

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.

Preparação e Cultura do Fatias de frango auditivo de tronco cerebral

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.

Um leve, sistema de fones baseado para manipular feedback auditivo em 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.

Rastreamento seletiva de fibras no nervo auditivo embrionário aviária Vestibulococlear

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.

Imagem Funcional do Cortex Auditivo em gatos adultos usando de alta 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

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.

A estimulação optogenética do nervo auditivo

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.

O uso do condicionamento de rastreamento Eyeblink clássico para avaliar disfunção Hippocampal em um modelo do rato de transtornos do espectro do álcool Fetal

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.

Um modelo pré-clínico para avaliar a recuperação do cérebro após acidente vascular cerebral agudo em ratos

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.

Uma abordagem cirúrgica revisada para induzir hidrops endoglicêsticos na Cobaia

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.

Implantação direta de cânula na Cisterna Magna dos Porcos

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 ...