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

Эта работа была поддержана NIH (R01DC017141), Фондом исследований слуха Pennsylvania Lions и средствами кафедр отоларингологии и нейробиологии Университета Питтсбурга.

Для всех экспериментальных процедур получите одобрение Комитета по уходу за животными и их использованию (IACUC) и придерживайтесь рекомендаций NIH по уходу и использованию лабораторных животных. В Соединенных Штатах Америки врачи общей практики дополнительно подпадают под действие пра?...

Этот протокол демонстрирует использование пупиллометрии в качестве неинвазивного и надежного метода оценки слуховых порогов у пассивно слушающих животных. В соответствии с протоколом, описанным здесь, были оценены пороги категоризации вызова по шуму у врачей общей практики с нормал?...

На диаметр зрачка (ПД) может влиять большое количество факторов, и измерение БП, которое изменяется с течением времени, известно как пупиллометрия. БП контролируется мышцей сфинктера радужной оболочки (участвует в сужении) и мышцей-расширителем радужной оболочки (участвует в расширении). Мышца сужения иннервируется парасимпатической системой и включает холинергические проекции, тогда как расширитель радужной оболочки иннервируется симпатической системой, включающей норадренергические и холинергические проекции 1,2,3. Наиболее известным стимулом, вызывающим изменения БП, является реакция на сужение яркости и расширение зрачка, которая может быть вызвана изменениями интенсивности окружающего света2. PD также изменяется в зависимости от фокусного расстояния2. Однако на протяжении десятилетий было известно, что PD также показывает колебания, не связанные с яркостью 4,5,6,7. Например, изменения во внутренних психических состояниях могут вызвать преходящие изменения БП. Зрачок расширяется в ответ на эмоционально заряженные раздражители или увеличивается при возбуждении 4,5,8,9. Расширение зрачков также может быть связано с другими когнитивными механизмами, такими как повышенные умственные усилия или внимание10,11,12,13. Из-за этой взаимосвязи между изменениями размера зрачков и психическими состояниями изменения БП были изучены как маркер клинических расстройств, таких как шизофрения 14,15, тревога 16,17,18, болезнь Паркинсона 19,20 и болезнь Альцгеймера 21 , среди прочих. У животных изменения БП отслеживают внутренние поведенческие состояния и коррелируют с уровнями активности нейронов в областях коры22,23,24,25. Также было показано, что диаметр зрачка является надежным индикатором состояния сна у мышей26. Эти изменения БП, связанные с возбуждением и внутренним состоянием, обычно происходят на длительных временных масштабах порядка нескольких десятков секунд.
В области исследования слуха, как у людей с нормальным слухом, так и у слабослышащих субъектов, с помощью пупиллометрии оценивались слуховые усилия и слуховое восприятие. В этих исследованиях обычно участвуют обученные субъекты27,28,29,30, которые выполняют различные виды задач обнаружения или распознавания. Было показано, что из-за вышеупомянутой взаимосвязи между возбуждением и БП повышенная вовлеченность в задачи и усилия по слушанию коррелируют с увеличением реакции расширения зрачков 30,31,32,33,34,35. Таким образом, пупиллометрия была использована, чтобы продемонстрировать, что повышенные усилия по прослушиванию расходуются на распознавание спектрально деградированной речи у слушателей с нормальным слухом29,36. У слабослышащих слушателей, таких как люди с возрастной потерей слуха 27,30,37,38,39,40,41 и пользователи кохлеарных имплантов 42,43, реакция зрачков также увеличивалась с уменьшением разборчивости речи; Тем не менее, слушатели с нарушениями слуха показали большее расширение зрачков в более легких условиях прослушивания по сравнению с субъектами с нормальным слухом 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Но эксперименты, требующие от слушателя выполнения задания на распознавание, не всегда возможны — например, у младенцев или на некоторых животных моделях. Таким образом, не связанные с яркостью реакции зрачка, вызванные акустическими стимулами, могут быть жизнеспособным альтернативным методом оценки слухового обнаружения в этих случаях44,45. Более ранние исследования продемонстрировали преходящее и связанное со стимулом расширение зрачка как часть ориентирующего рефлекса46. Более поздние исследования продемонстрировали использование расширения зрачков, связанных со стимулом, для получения кривых частотной чувствительности у сов47,48. В последнее время эти методы были адаптированы для оценки чувствительности реакции расширения зрачка у младенцев48. Было показано, что пупиллометрия является надежным и неинвазивным подходом к оценке порогов слухового обнаружения и различения у пассивно слушающих морских свинок (ГП) с использованием широкого спектра простых (тоны) и сложных (вокализации ГП) стимулов49. Эти изменения PD, связанные со стимулом, обычно происходят в более быстрых временных масштабах порядка нескольких секунд и связаны со временем стимула. Здесь пупиллометрия изменений БП, связанных со стимулами, предложена в качестве метода изучения поведенческих эффектов различных видов нарушений слуха на животных моделях. В частности, описаны протоколы пупиллометрии для использования у врачей общей практики, хорошо зарекомендовавшая себя животная модель различных типов слуховых патологий 50,51,52,53,54,55,56 (также см. ссылку 57 для исчерпывающего обзора).
Хотя этот метод демонстрируется у врачей общей практики с нормальным слухом, эти методы могут быть легко адаптированы к другим моделям животных и животным моделям с различными слуховыми патологиями. Важно отметить, что пупиллометрия может сочетаться с другими неинвазивными измерениями, такими как ЭЭГ, а также с инвазивными электрофизиологическими записями, чтобы изучить механизмы, лежащие в основе возможного обнаружения звука и дефицита восприятия. Наконец, этот подход также может быть использован для установления широкого сходства между человеческими и животными моделями.

<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

Воздействие шума является основной причиной нейросенсорной тугоухости. Животные модели потери слуха, вызванной шумом, позволили получить механистическое представление об основных анатомических и физиологических патологиях потери слуха. Тем не менее, связь поведенческого дефицита, наблюдаемого у людей с потерей слуха, с поведенческим дефицитом на животных моделях остается сложной задачей. Здесь пупиллометрия предлагается как метод, который позволит напрямую сравнивать поведенческие данные животных и человека. Метод основан на модифицированной парадигме чудаков - приучении субъекта к повторному представлению стимула и периодическом представлении девиантного стимула, который несколько параметрически отличается от повторяющегося стимула. Основная предпосылка заключается в том, что если испытуемый обнаруживает изменение между повторяющимся и девиантным стимулом, это вызовет реакцию расширения зрачка, которая больше, чем та, которую вызывает повторный стимул. Этот подход демонстрируется с использованием задачи категоризации вокализации у морских свинок, животной модели, широко используемой в слуховых исследованиях, в том числе в исследованиях потери слуха. Представляя вокализации из одной категории вокализации в качестве стандартных стимулов, а второй категории в виде странных стимулов, встроенных в шум при различных соотношениях сигнал/шум, показано, что величина расширения зрачка в ответ на странную категорию монотонно изменяется в зависимости от отношения сигнал/шум. Затем анализ кривой роста может быть использован для характеристики хода времени и статистической значимости этих реакций на расширение зрачка. В этом протоколе подробно описаны процедуры акклиматизации морских свинок к установке, проведения пупиллометрии и оценки/анализа данных. Хотя этот метод продемонстрирован на морских свинках с нормальным слухом в этом протоколе, метод может быть использован для оценки сенсорных эффектов различных форм потери слуха у каждого субъекта. Затем эти эффекты могут быть соотнесены с одновременными электрофизиологическими измерениями и последующими анатомическими наблюдениями.

Пупиллометрия была выполнена у трех мужчин-пигментированных врачей общей практики весом ~ 600-1000 г в ходе экспериментов. Как описано в этом протоколе, для оценки пороговых значений категоризации вызова в шуме для представления стимула использовалась странная парадигма. В странной парад...

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

Пупиллометрия, простой и неинвазивный метод, предложена в качестве метода определения порогов слышимости в шуме у животных с нормальным слухом и животных моделей различных слуховых патологий.

Пупиллометрия для оценки слуховых ощущений у морских свинок

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

Пупиллометрия может быть использована для оценки сложных порогов распознавания звука и в сочетании с другими методами может быть использована для определения влияния различных форм потери слуха на эти пороги. Этот метод может быть использован для характеристики данных одной и той же модальности от людей и от необученных животных. Он относительно прост в настройке и минимально инвазивен.Показатели поведения и восприятия трудно получить на животных моделях потери слуха. Этот метод является одним из способов количественной оценки сложного поведения по распознаванию звука у животных. Как и во всех поведенческих экспериментах с животными, ключевым моментом является терпение.Потратьте время, чтобы акклиматизировать животное к экспериментальной установке. Делайте экспериментальные сеансы короткими и внимательно следите за животным. Для начала установите калиброванный громкоговоритель на стенку камеры с шумоподавлением на высоте, равной положению, где будет размещено животное.Для бесплатной доставки полевого стимула поместите животное в вольер, убедившись, что большие движения тела невозможны, и прикрепите голову животного к жесткой раме. Поместите пьезоэлектрический датчик под вольер, чтобы обнаруживать и записывать движения животных. Затем расположите камеру изображения зрачка на расстоянии 25 сантиметров от глаза субъекта.Чтобы настроить воздушную затяжку, используйте держатель, прикрепленный к столешнице, чтобы поместить наконечник пипетки на расстоянии около 15 сантиметров перед мордой животного. Подсоедините силиконовую трубку диаметром около трех миллиметров к наконечнику пипетки и подсоедините трубку к баллону с регулируемым воздухом. Поддерживайте давление воздуха в баллоне от 20 до 25 фунтов на квадратный дюйм.И пропустите трубку через пережимный клапан, чтобы контролировать время и продолжительность воздушной затяжки с помощью реле с компьютерным управлением. Осветите глаз инфракрасной светодиодной матрицей, расположенной на расстоянии около 10 сантиметров. Используйте белое светодиодное освещение с интенсивностью около 2000 кандел на квадратный метр, чтобы осветить изображенный глаз и довести базовый диаметр зрачка примерно до 3,5 миллиметров.Откройте программное обеспечение для сбора зрачков и получите видео зрачка с помощью камеры с 16-миллиметровым объективом с пространственным разрешением 0,15 градуса под углом зрения и инфракрасным фильтром, расположенным на расстоянии 25 сантиметров от изображенного глаза. Убедитесь, что глаз находится по центру в области изображения. Регулируйте диафрагму и фокусировку камеры, а также уровень ИК-излучения до тех пор, пока контур изображенного зрачка не окажется в резком фокусе.В программном обеспечении для сбора зрачков определите интересующую область, содержащую зрачок, выбрав прямоугольную область с помощью мыши. Затем с помощью панели управления отрегулируйте яркость и контрастность полученного видео. Установите плотность сканирования равной пяти и отрегулируйте порог таким образом, чтобы прилегание эллипса точно соответствовало контуру зрачка на видео.Используя программное обеспечение процессора нейронного интерфейса, получите и сохраните аналоговый сигнал от диаметра зрачка или трассы PD, трассу напряжения от пьезоэлектрического датчика, регистрирующего движение, время доставки стимула и время подачи воздушной затяжки. Выберите восемь различных образцов вокализаций морской свинки одинаковой длины из двух разных категорий вокализаций. Например, хриплые крики и скулящие звонки.Одна категория будет служить стандартными стимулами, а другая категория будет служить странными или девиантными стимулами. Чтобы генерировать стандартные и девиантные стимулы продолжительностью в одну секунду, встроенные в шум при разном соотношении сигнал/шум или уровнях SNR, добавьте к вызовам белый шум одинаковой длины. Диапазон SNR, отобранных в этом эксперименте, составляет от минус 24 до плюс 40 децибел.Для каждого сеанса подготовьте псевдослучайную последовательность предъявления стимулов, которая содержит стандартные стимулы более чем в 90% случаев. Убедитесь, что между девиантными стимулами было не менее 20-40 испытаний со стандартными стимулами. Используйте фиксированную интенсивность стимула для всех представлений стимула.Предъявляйте стимулы с высокой временной регулярностью. Чтобы поддерживать взаимодействие животного со стимулами и свести к минимуму привыкание, при желании сделайте короткую воздушную затяжку после девиантного стимула. Убедитесь, что начало воздушной затяжки достаточно отделено от продолжительности стимула, чтобы стимул вызвал реакцию расширения зрачка.Достигните пика до того, как будут вызваны артефактами моргания, вызванными воздушным потоком. Запустите pupil_avg_JOVE_m кода и выберите файл данных из одного сеанса во всплывающем диалоговом окне, чтобы выполнить обнаружение движения и пробное исключение для каждого сеанса. Затем запустите тот же код и выберите все файлы данных для анализа во всплывающем диалоговом окне.Чтобы удалить артефакты моргания глаз, предварительно обработайте данные и получите среднее расширение зрачка для каждого стимула за сеанс. Усредните изменения диаметра зрачка, вызванного стимулом, для каждого условия стимула во время сеансов у каждого животного, а затем у животных, чтобы получить среднюю реакцию расширения зрачка на каждое условие стимула. Вертикально объедините все выходные данные кода pupil_avg_JOVE.m или все сеансы животных, SNR и затуханий для построения матрицы, содержащей столбцы, идентификатор животного, SNR, уровень звука и значения диаметра зрачка. Для каждого SNR построите веса, соответствующие пересечению, чтобы визуализировать результаты. Сделайте то же самое для линейных и квадратичных членов.Поместите весь сессионный процент испытаний со значительными изменениями зрачков в каждую ячейку клеточного массива, где ячейки расположены от более низкого к более высокому SNR. Используя код pupil_threshold_estimate_JOVE_m, оцените вызов в пороге категоризации шума. На этом рисунке показаны средние ответы учеников трех животных.Средняя реакция зрачков на стандартные стимулы скуления представлена синей линией, а затенение соответствует плюсу минус одной стандартной ошибке среднего значения. Серые линии и затенение соответствуют среднему значению и плюс минус одна стандартная ошибка среднего значения ответов зрачка, вызванных девиантными хрипящими стимулами. Интенсивность растушевки серого соответствует SNR.Зеленая линия и затенение соответствуют среднему следованию зрачка при пороговом SNR. Красная вертикальная линия соответствует началу стимула. Оранжевая вертикальная линия соответствует началу воздушной затяжки, а бирюзовые пунктирные линии соответствуют окну GCA.На этом рисунке показана психометрическая функция, соответствующая проценту испытаний со значительными изменениями диаметра зрачка, вызванными девиантным стимулом в зависимости от SNR. Усы соответствуют плюсу минус одна стандартная погрешность среднего. Обратите внимание, что 50% от максимума достигается при сигнальном шуме около минус 20 децибел.Полученные данные высокого качества важны для хорошей адаптации животного к экспериментальной установке и поддержания постоянных условий элиминации. Сделайте сеанс эксперимента коротким, чтобы свести к минимуму обитание животного из-за девиантных стимулов. ЭЭГ или электрофизиологические записи в сочетании с пупиллометрией дадут дополнительное представление о нейронном дефиците, лежащем в основе дефицита категоризации шума у животных с нарушениями слуха.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Operant Sensation Seeking in the Mouse

Оперантное Sensation ищу в мышь

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

Подготовка и культуры Куриные ломтики Слуховые мозга

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

Легкий, наушники-администратора системы для управления Звуковая обратная связь в Певчие птицы

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

Селективный розыска слуховых волокон в Птичий Эмбриональные Vestibulocochlear нервов

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

Функциональной визуализации из слуховой коры у взрослых кошек с использованием высокого поля МРТ

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 Стимуляция слухового нерва

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

Использование трассировки Eyeblink классический подготовлять для оценки гиппокампа дисфункции в мышиной модели плода алкоголь спектра расстройств

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

Доклиническая модель для оценки восстановления мозга после острого инсульта у крыс

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

Пересмотренный хирургический подход, чтобы вызвать эндофолфатических гидропов в Гвинеи Свинья

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

Визуализация пучка стереоцилий с наноразмерным разрешением в слуховых волосковых клетках живых млекопитающих

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