Name: pupillometry to assess auditory sensation in guinea pigs
Uploaded: 2023-01-06T13:25:00
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Este trabajo fue apoyado por el NIH (R01DC017141), la Fundación de Investigación de la Audición de los Leones de Pensilvania y fondos de los Departamentos de Otorrinolaringología y Neurobiología de la Universidad de Pittsburgh.

Para todos los procedimientos experimentales, obtenga la aprobación del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) y adhiérase a las Pautas de los NIH para el cuidado y uso de animales de laboratorio. En los Estados Unidos de América, los médicos generales también están sujetos a las regulaciones del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). Todos los procedimientos de este protocolo fueron aprobados por la Universidad de Pittsburgh IACUC y se adhirieron a las Directrices de los NIH ...

Este protocolo demuestra el uso de la pupilometría como un método no invasivo y fiable para estimar los umbrales auditivos en animales que escuchan pasivamente. Siguiendo el protocolo descrito aquí, se estimaron los umbrales de categorización de llamada en ruido en médicos de cabecera de audición normal. Los umbrales estimados por pupilometría fueron consistentes con los obtenidos mediante entrenamiento operante62. Sin embargo, en comparación con el entrenamiento operante, el protocolo de ...

El diámetro de la pupila (DP) puede verse afectado por un gran número de factores y la medición de la DP que cambia con el tiempo se conoce como pupilometría. La EP está controlada por el músculo del esfínter del iris (involucrado en la constricción) y el músculo dilatador del iris (involucrado en la dilatación). El músculo de constricción está inervado por el sistema parasimpático e involucra proyecciones colinérgicas, mientras que el dilatador del iris está inervado por el sistema simpático que involucra proyecciones noradrenérgicas y colinérgicas 1,2,3. El estímulo más conocido para inducir cambios en la EP es la luminancia-constricción y las respuestas de dilatación de la pupila pueden ser producidas por variaciones en la intensidad de la luz ambiental2. La DP también cambia en función de la distancia focal2. Sin embargo, se sabe desde hace décadas que la EP también muestra fluctuaciones no relacionadas con la luminancia 4,5,6,7. Por ejemplo, los cambios en los estados mentales internos pueden provocar cambios transitorios en la EP. La pupila se dilata en respuesta a estímulos emocionalmente cargados o aumenta con la excitación 4,5,8,9. La dilatación de la pupila también podría estar relacionada con otros mecanismos cognitivos, como el aumento del esfuerzo mental o de la atención10,11,12,13. Debido a esta relación entre las variaciones del tamaño de la pupila y los estados mentales, los cambios en la EP se han explorado como un marcador de trastornos clínicos como la esquizofrenia 14,15, la ansiedad 16,17,18, la enfermedad de Parkinson 19,20 y la enfermedad de Alzheimer 21 entre otros. En animales, los cambios en la EP rastrean los estados internos de comportamiento y se correlacionan con los niveles de actividad neuronal en las áreas corticales22,23,24,25. El diámetro de la pupila también ha demostrado ser un indicador fiable del estado de sueño en ratones26. Estos cambios en la EP relacionados con la excitación y el estado interno generalmente ocurren en escalas de tiempo largas del orden de varias decenas de segundos.
En el ámbito de la investigación auditiva, tanto en la audición normal como en los sujetos con discapacidad auditiva, el esfuerzo auditivo y la percepción auditiva se han evaluado mediante pupilometría. Estos estudios suelen involucrar sujetos de investigación entrenados27,28,29,30 que realizan diversos tipos de tareas de detección o reconocimiento. Debido a la relación antes mencionada entre la excitación y la EP, se ha demostrado que el aumento de la participación en las tareas y el esfuerzo de escucha se correlacionan con el aumento de las respuestas de dilatación de la pupila 30,31,32,33,34,35. Por lo tanto, la pupilometría ha sido utilizada para demostrar que se gasta un mayor esfuerzo de escucha para reconocer el habla espectralmente degradada en oyentes de audición normal29,36. En los oyentes con discapacidad auditiva, como los seres humanos con pérdida auditiva relacionada con la edad 27,30,37,38,39,40,41 y los usuarios de implantes cocleares 42,43, las respuestas de los alumnos también aumentaron con la disminución de la inteligibilidad del habla; Sin embargo, los oyentes con discapacidad auditiva mostraron una mayor dilatación de la pupila en condiciones auditivas más fáciles en comparación con los sujetos con audición normal 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Pero los experimentos que requieren que el oyente realice una tarea de reconocimiento no siempre son posibles, por ejemplo, en bebés o en algunos modelos animales. Así, las respuestas pupilares no relacionadas con la luminancia evocadas por estímulos acústicos podrían ser un método alternativo viable para evaluar la detección auditiva en estos casos44,45. Estudios anteriores demostraron una dilatación pupilar transitoria y ligada al estímulo como parte del reflejo orientador46. Estudios posteriores han demostrado el uso de dilataciones pupilares ligadas a estímulos para derivar curvas de sensibilidad de frecuencia en búhos47,48. Recientemente, estos métodos han sido adaptados para evaluar la sensibilidad de la respuesta de dilatación de la pupila en lactantes humanos48. La pupilometría ha demostrado ser un enfoque fiable y no invasivo para estimar los umbrales de detección auditiva y discriminación en cobayas (GP) de escucha pasiva mediante el uso de una amplia gama de estímulos simples (tonos) y complejos (vocalizaciones GP)49. Estos cambios en la EP relacionados con el estímulo generalmente ocurren en escalas de tiempo más rápidas del orden de varios segundos y están vinculados al momento del estímulo. Aquí, la pupilometría de los cambios de EP relacionados con el estímulo se propone como un método para estudiar los impactos conductuales de varios tipos de discapacidad auditiva en modelos animales. En particular, se describen los protocolos de pupilometría para su uso en médicos de cabecera, un modelo animal bien establecido de varios tipos de patologías auditivas 50,51,52,53,54,55,56 (ver también referencia 57 para una revisión exhaustiva).
Aunque esta técnica se demuestra en médicos de cabecera de audición normal, estos métodos se pueden adaptar fácilmente a otros modelos animales y modelos animales de diversas patologías auditivas. Es importante destacar que la pupilometría se puede combinar con otras mediciones no invasivas como el EEG, así como con registros electrofisiológicos invasivos para estudiar los mecanismos subyacentes a la posible detección de sonido y los déficits de percepción. Finalmente, este enfoque también se puede utilizar para establecer amplias similitudes entre los modelos humanos y animales.

<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

La exposición al ruido es una de las principales causas de pérdida auditiva neurosensorial. Los modelos animales de pérdida auditiva inducida por ruido han generado una visión mecanicista de las patologías anatómicas y fisiológicas subyacentes de la pérdida auditiva. Sin embargo, la relación de los déficits de comportamiento observados en humanos con pérdida auditiva con los déficits de comportamiento en modelos animales sigue siendo un desafío. Aquí, la pupilometría se propone como un método que permitirá la comparación directa de datos de comportamiento animal y humano. El método se basa en un paradigma extraño modificado: habituar al sujeto a la presentación repetida de un estímulo y presentar intermitentemente un estímulo desviado que varía de alguna manera paramétrica del estímulo repetido. La premisa fundamental es que si el sujeto detecta el cambio entre el estímulo repetido y desviado, desencadenará una respuesta de dilatación de la pupila que es mayor que la provocada por el estímulo repetido. Este enfoque se demuestra utilizando una tarea de categorización de vocalización en conejillos de indias, un modelo animal ampliamente utilizado en la investigación auditiva, incluso en estudios de pérdida auditiva. Al presentar vocalizaciones de una categoría de vocalización como estímulos estándar y una segunda categoría como estímulos extraños incrustados en ruido en varias relaciones señal-ruido, se demuestra que la magnitud de la dilatación de la pupila en respuesta a la categoría extraña varía monótonamente con la relación señal-ruido. Los análisis de la curva de crecimiento se pueden utilizar para caracterizar el curso temporal y la significación estadística de estas respuestas de dilatación de la pupila. En este protocolo, se describen procedimientos detallados para aclimatar a los conejillos de indias a la configuración, realizar pupilometría y evaluar / analizar datos. Aunque esta técnica se demuestra en conejillos de indias de audición normal en este protocolo, el método se puede utilizar para evaluar los efectos sensoriales de diversas formas de pérdida auditiva dentro de cada sujeto. Estos efectos pueden correlacionarse con medidas electrofisiológicas concurrentes y observaciones anatómicas post-hoc.

La pupilometría se realizó en tres médicos de cabecera pigmentados masculinos, con un peso de ~ 600-1,000 g en el transcurso de los experimentos. Como se describe en este protocolo, para estimar los umbrales de categorización de llamada en ruido, se utilizó un paradigma extraño para la presentación de estímulos. En el paradigma extraño, las llamadas pertenecientes a una categoría (gemidos) incrustadas en ruido blanco en una SNR dada se emplearon como estímulos estándar (Figura 2A), y las llamadas de otra cate...

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Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs

La pupilometría, una técnica simple y no invasiva, se propone como un método para determinar los umbrales de audición en ruido en animales de audición normal y modelos animales de diversas patologías auditivas.

Pupilometría para evaluar la sensación auditiva en cobayas

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

La pupilometría se puede utilizar para estimar umbrales complejos de reconocimiento de sonido, y combinado con otros métodos se puede utilizar para determinar los efectos de diversas formas de pérdida auditiva en esos umbrales. Esta técnica se puede utilizar para caracterizar datos de la misma modalidad de humanos y de animales no entrenados. Es relativamente fácil de configurar y mínimamente invasivo.Las medidas de comportamiento y percepción son difíciles de obtener en modelos animales de pérdida auditiva. Este método es una forma de cuantificar comportamientos complejos de reconocimiento de sonido en animales. Como hacemos todos los experimentos de comportamiento animal, la paciencia es la clave.Tómese el tiempo para aclimatar al animal a la configuración experimental. Mantenga las sesiones experimentales cortas y monitoree al animal de cerca. Para comenzar, monte un altavoz calibrado en la pared de la cámara atenuada de sonido a una altura igual a la posición donde se colocará el animal.Para la entrega de estímulos de campo libre, coloque al animal en el recinto asegurándose de que no sean posibles movimientos corporales grandes y fije la cabeza del animal al marco rígido. Coloque un sensor piezoeléctrico debajo del recinto para detectar y registrar los movimientos de los animales. Luego coloque la cámara de imágenes de la pupila a una distancia de 25 centímetros del ojo del sujeto.Para configurar la bocanada de aire, use un soporte conectado a la mesa para colocar una punta de pipeta a unos 15 centímetros delante del hocico del animal. Conecte un tubo de silicona de unos tres milímetros de diámetro a la punta de la pipeta y conecte el tubo a un cilindro de aire regulado. Mantenga la presión de aire del cilindro entre 20 y 25 psi.Y pase el tubo a través de una válvula de pellizco para controlar el tiempo y la duración de la inhalación de aire, utilizando un relé controlado por computadora. Ilumine el ojo con una matriz de LED infrarrojos colocada a unos 10 centímetros de distancia. Utilice iluminación LED blanca a una intensidad de alrededor de 2000 candelas por metro cuadrado para iluminar el ojo fotografiado y llevar el diámetro de la pupila de referencia a alrededor de 3,5 milímetros.Abra el software de adquisición de pupilas y adquiera el video de la pupila utilizando una cámara con una lente de 16 milímetros con una resolución espacial de un ángulo visual de 0,15 grados y un filtro infrarrojo colocado a una distancia de 25 centímetros del ojo fotografiado. Asegúrese de que el ojo esté centrado en el área de la imagen. Regula la apertura y el enfoque de la cámara, así como el nivel IR hasta que el contorno de la pupila fotografiada esté bien enfocado.En el software de adquisición de alumnos, defina el área de interés que contiene la pupila seleccionando un área rectangular con el ratón. A continuación, utilice el panel de controles para ajustar el brillo y el contraste del vídeo adquirido. Establezca la densidad de escaneo en cinco y ajuste el umbral de modo que el ajuste de la elipse coincida estrechamente con el contorno de la pupila en el video.Usando el software del procesador de interfaz neuronal, adquiera y guarde la señal analógica del diámetro de la pupila o la traza PD, la traza de voltaje del sensor piezoeléctrico que registra el movimiento, los tiempos de entrega del estímulo y los tiempos de entrega de la inhalación de aire. Seleccione ocho ejemplares diferentes de vocalizaciones de conejillos de indias de longitudes similares de dos categorías diferentes de vocalizaciones. Por ejemplo, llamadas y llamadas de gemidos.Una categoría servirá como estímulos estándar y la otra categoría servirá como estímulos extraños o desviados. Para generar estímulos estándar y desviados de un segundo de duración incrustados en el ruido a diferentes niveles de relación señal-ruido o SNR, agregue ruido blanco de igual duración a las llamadas. El rango de SNR muestreadas en este experimento está entre menos 24 y más 40 decibelios.Para cada sesión, prepare una secuencia de presentación de estímulos pseudoaleatorios que contenga estímulos estándar superiores al 90% del tiempo. Asegúrese de que entre estímulos desviados haya al menos 20 a 40 ensayos con estímulos estándar. Utilice una intensidad de estímulo fija para todas las presentaciones de estímulo.Presentar los estímulos con alta regularidad temporal. Para mantener el compromiso del animal con los estímulos y minimizar la habituación, opcionalmente dar una breve bocanada de aire después del estímulo desviado. Asegúrese de que el inicio de la inhalación de aire esté suficientemente separado de la duración del estímulo para que el estímulo evoque respuestas de dilatación de la pupila.Alcanza un pico antes de que la inhalación de aire induzca artefactos de parpadeo. Ejecute el código pupil_avg_JOVE_m y seleccione el archivo de datos de una sola sesión en el cuadro de diálogo emergente para realizar la detección de movimiento y la exclusión de prueba para cada sesión. Luego ejecute el mismo código y seleccione todos los archivos de datos que se analizarán en el cuadro de diálogo emergente.Para eliminar los artefactos de parpadeo de los ojos, preprocese los datos y obtenga la dilatación promedio de la pupila a cada estímulo a lo largo de las sesiones. Promedie los cambios en el diámetro de la pupila evocados por estímulos para cada condición de estímulo a través de sesiones dentro de cada animal y luego a través de animales para generar la respuesta media de dilatación de la pupila a cada condición de estímulo. Concatenar verticalmente todas las salidas del código pupil_avg_JOVE.m o todos los animales de sesiones, SNR y atenuaciones para construir una matriz que contenga las columnas, ID de animal, SNR, nivel de sonido y valores de diámetro de pupila. Para cada SNR, trace los pesos correspondientes a la intersección para visualizar los resultados. Haga lo mismo para los términos lineales y cuadráticos.Coloque todo el porcentaje sabio de sesión de ensayos con cambios significativos en la pupila en cada célula de una matriz de células donde las células están dispuestas de SNR menor a mayor. Usando el código pupil_threshold_estimate_JOVE_m, estime el umbral de categorización de ruido de llamada. Las respuestas promedio de la pupila de tres animales se muestran en esta figura.Las respuestas medias de la pupila a los estímulos de quejido estándar están representadas por la línea azul y el sombreado corresponde a más menos un error estándar de la media. Las líneas grises y el sombreado corresponden a la media y más menos un error estándar de la media de las respuestas de la pupila evocado por estímulos desviados. La intensidad del sombreado de grises corresponde a SNR.La línea verde y el sombreado corresponden a la traza media de la pupila en el umbral SNR. La línea vertical roja corresponde al inicio del estímulo. La línea vertical naranja corresponde al inicio de la sopla de aire y las líneas discontinuas verde azulado corresponden a la ventana GCA.La función psicométrica ajustada al porcentaje de ensayos con cambios significativos en el diámetro de la pupila provocados por el estímulo desviado en función de la SNR se muestra en esta figura. Los bigotes corresponden a más menos un error estándar de media. Tenga en cuenta que el 50% del máximo se alcanza a aproximadamente menos 20 decibelios SNR.Los datos adquiridos de alta calidad, es importante aclimatar bien al animal a la configuración experimental y mantener condiciones de eliminación constantes. Mantenga la sesión de experimento corta para minimizar la habitación del animal a los estímulos desviados. El EEG, o registros electrofisiológicos combinados con pupilometría generaría información adicional sobre los déficits neuronales, subyacentes a los déficits de categorización de llamada en ruido en animales con discapacidad auditiva.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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Neurociencias

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