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

Detta arbete stöddes av NIH (R01DC017141), Lions Hearing Research Foundation i Pennsylvania och medel från avdelningarna för otolaryngologi och neurobiologi, University of Pittsburgh.

För alla experimentella förfaranden, få godkännande från Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) och följ NIH: s riktlinjer för vård och användning av försöksdjur. I USA omfattas allmänläkare dessutom av United States Department of Agriculture (USDA) regler. Alla procedurer i detta protokoll godkändes av University of Pittsburgh IACUC och följde NIH: s riktlinjer för vård och användning av laboratoriedjur. För detta experiment användes tre manliga vildtyp, pigmenterade läkare mellan 4 och...

Detta protokoll demonstrerar användningen av pupillometri som en icke-invasiv och tillförlitlig metod för att uppskatta hörseltrösklar hos passivt lyssnande djur. I enlighet med det protokoll som beskrivs här uppskattades kategoriseringströsklarna för call-in-noise hos normalhörande allmänläkare. Tröskelvärden som uppskattats med hjälp av pupillometri befanns överensstämma med dem som erhållits med operant träning62. Jämfört med operant träning var dock pupillometriprotokollet...

Pupilldiameter (PD) kan påverkas av ett stort antal faktorer och mätningen av PD som förändras över tid kallas pupillometri. PD styrs av irissfinktermuskeln (involverad i förträngning) och irisdilaterarmuskeln (involverad i utvidgning). Förträngningsmuskeln innerveras av det parasympatiska systemet och involverar kolinerga projektioner, medan irisdilateraren innerveras av det sympatiska systemet som involverar noradrenerga och kolinerga projektioner 1,2,3. Den mest kända stimulansen för att inducera PD-förändringar är luminans-förträngning och utvidgningssvar hos pupillen kan produceras genom variationer i omgivande ljusintensitet2. PD ändras också som en funktion av brännvidd2. Det har dock varit känt i årtionden att PD också visar icke-luminansrelaterade fluktuationer 4,5,6,7. Till exempel kan förändringar i interna mentala tillstånd framkalla övergående PD-förändringar. Pupillen utvidgas som svar på känslomässigt laddade stimuli eller ökar med upphetsning 4,5,8,9. Pupillutvidgning kan också relateras till andra kognitiva mekanismer, såsom ökad mental ansträngning eller uppmärksamhet10,11,12,13. På grund av detta förhållande mellan elevstorleksvariationer och mentala tillstånd har PD-förändringar undersökts som en markör för kliniska störningar som schizofreni 14,15, ångest 16,17,18, Parkinsons sjukdom 19,20 och Alzheimers sjukdom 21 , bland andra. Hos djur spårar PD-förändringar interna beteendetillstånd och är korrelerade med neuronala aktivitetsnivåer i kortikala områden22,23,24,25. Pupilldiameter har också visat sig vara en tillförlitlig indikator på sömntillståndet hos möss26. Dessa PD-förändringar relaterade till upphetsning och det interna tillståndet uppträder vanligtvis på långa tidsskalor i storleksordningen flera tiotals sekunder.
Inom hörselforskningen, såväl inom normalhörsel som hos hörselskadade försökspersoner, har lyssningsansträngning och hörselperception bedömts med hjälp av pupillometri. Dessa studier involverar vanligtvis utbildade forskningspersoner27,28,29,30 som utför olika typer av detekterings- eller igenkänningsuppgifter. På grund av det ovan nämnda förhållandet mellan upphetsning och PD har ökat uppgiftsengagemang och lyssningsansträngning visat sig vara korrelerade med ökade pupillutvidgningssvar 30,31,32,33,34,35. Således har pupillometri använts för att visa att ökad lyssningsansträngning används för att känna igen spektralt nedbrutet tal hos normalhörande lyssnare29,36. Hos hörselskadade lyssnare, såsom personer med åldersrelaterad hörselnedsättning 27,30,37,38,39,40,41 och användare av cochleaimplantat 42,43, ökade pupillsvaren också med minskande taluppfattbarhet; Hörselskadade lyssnare visade dock större pupillutvidgning under lättare lyssningsförhållanden jämfört med normala hörselpersoner 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Men experiment som kräver att lyssnaren utför en igenkänningsuppgift är inte alltid möjliga - till exempel hos spädbarn eller i vissa djurmodeller. Således kan icke-luminansrelaterade pupillresponser som framkallas av akustiska stimuli vara en livskraftig alternativ metod för att bedöma hörseldetektering i dessa fall44,45. Tidigare studier visade en övergående och stimulansbunden pupillutvidgning som en del av orienteringsreflexen46. Senare studier har visat användningen av stimulusbundna pupillutvidgningar för att härleda frekvenskänslighetskurvor hos ugglor47,48. Nyligen har dessa metoder anpassats för att bedöma känsligheten hos pupillutvidgningssvaret hos mänskliga spädbarn48. Pupillometri har visat sig vara ett tillförlitligt och icke-invasivt tillvägagångssätt för att uppskatta auditiva detektions- och diskrimineringströsklar hos passivt lyssnande marsvin (GP) genom att använda ett brett spektrum av enkla (toner) och komplexa (GP-vokaliseringar) stimuli49. Dessa stimulusrelaterade PD-förändringar uppträder vanligtvis vid snabbare tidsskalor i storleksordningen flera sekunder och är kopplade till stimulustiming. Här föreslås pupillometri av stimulusrelaterade PD-förändringar som en metod för att studera beteendeeffekter av olika typer av hörselnedsättning i djurmodeller. I synnerhet beskrivs pupillometriprotokoll för användning i allmänläkare, en väletablerad djurmodell av olika typer av hörselpatologier 50,51,52,53,54,55,56 (se även referens 57 för en uttömmande granskning).
Även om denna teknik demonstreras hos normalhörande allmänläkare, kan dessa metoder enkelt anpassas till andra djurmodeller och djurmodeller av olika hörselpatologier. Viktigt är att pupillometri kan kombineras med andra icke-invasiva mätningar såsom EEG, liksom med invasiva elektrofysiologiska inspelningar för att studera mekanismerna bakom möjliga ljuddetektering och perceptionsunderskott. Slutligen kan detta tillvägagångssätt också användas för att fastställa breda likheter mellan modeller för människor och djur.

<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

Bullerexponering är en ledande orsak till sensorineural hörselnedsättning. Djurmodeller av bullerinducerad hörselnedsättning har genererat mekanistisk insikt i de underliggande anatomiska och fysiologiska patologierna för hörselnedsättning. Att relatera beteendemässiga underskott som observerats hos människor med hörselnedsättning till beteendemässiga underskott i djurmodeller är dock fortfarande utmanande. Här föreslås pupillometri som en metod som möjliggör direkt jämförelse av djur- och humanbeteendedata. Metoden är baserad på ett modifierat udda paradigm - att habituera ämnet till upprepad presentation av en stimulans och intermittent presentera en avvikande stimulans som varierar på något parametriskt sätt från den upprepade stimulansen. Den grundläggande förutsättningen är att om förändringen mellan den upprepade och avvikande stimulansen detekteras av ämnet, kommer det att utlösa ett pupillutvidgningssvar som är större än det som framkallas av den upprepade stimulansen. Detta tillvägagångssätt demonstreras med hjälp av en vokaliseringskategoriseringsuppgift hos marsvin, en djurmodell som ofta används i hörselforskning, inklusive i hörselnedsättningsstudier. Genom att presentera vokaliseringar från en vokaliseringskategori som standardstimuli och en andra kategori som udda stimuli inbäddade i brus vid olika signal-brusförhållanden, visas att storleken på pupillutvidgning som svar på oddball-kategorin varierar monotont med signal-brusförhållandet. Tillväxtkurvanalyser kan sedan användas för att karakterisera tidsförloppet och statistisk signifikans av dessa pupillutvidgningssvar. I detta protokoll beskrivs detaljerade procedurer för att acklimatisera marsvin till installationen, genomföra pupillometri och utvärdera / analysera data. Även om denna teknik demonstreras hos marsvin med normal hörsel i detta protokoll, kan metoden användas för att bedöma de sensoriska effekterna av olika former av hörselnedsättning hos varje försöksperson. Dessa effekter kan sedan korreleras med samtidiga elektrofysiologiska mätningar och post-hoc anatomiska observationer.

Pupillometri utfördes i tre manliga pigmenterade allmänläkare, som vägde ~ 600-1000 g under experimentens gång. Som beskrivs i detta protokoll, för att uppskatta kategoriseringströsklar för samtal i buller, användes ett udda paradigm för stimulanspresentation. I udda paradigmet användes samtal som tillhör en kategori (gnäll) inbäddade i vitt brus vid en given SNR som standardstimuli (figur 2A) och samtal från en annan kategori (wheeks) inbäddade i vitt brus vid samma SNR (figur 2A</st...

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 och icke-invasiv teknik, föreslås som en metod för att bestämma tröskelvärden för hörsel i buller hos normala hörseldjur och djurmodeller av olika hörselpatologier.

Pupillometri för att bedöma hörselkänsla 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 användas för att uppskatta komplexa tröskelvärden för ljudigenkänning och kan i kombination med andra metoder användas för att bestämma effekterna av olika former av hörselnedsättning på dessa tröskelvärden. Denna teknik kan användas för att karakterisera data av samma modalitet från människor och från otränade djur. Det är relativt enkelt att installera och minimalt invasivt.Beteende- och uppfattningsmått är svåra att få i djurmodeller av hörselnedsättning. Denna metod är ett sätt att kvantifiera komplexa ljudigenkänningsbeteenden hos djur. Som vi gör alla djurbeteendeexperiment är tålamod nyckeln.Ta dig tid att acklimatisera djuret till experimentuppsättningen. Håll experimentella sessioner korta och övervaka djuret noga. Börja med att montera en kalibrerad högtalare på den ljuddämpade kammarväggen i samma höjd som den position där djuret ska placeras.För fri fältstimulans, placera djuret i höljet så att stora kroppsrörelser inte är möjliga och fixera djurets huvud till den styva ramen. Placera en piezoelektrisk sensor under inhägnaden för att upptäcka och registrera djurrörelser. Placera sedan pupillkameran på ett avstånd av 25 centimeter från motivets öga.För att ställa in luftpuffen, använd en hållare fäst vid bordsskivan för att placera en pipettspets på cirka 15 centimeter framför djurets nos. Anslut ett silikonrör med cirka tre millimeter diameter till pipettspetsen och anslut röret till en reglerad luftcylinder. Håll cylinderns lufttryck mellan 20 och 25 psi.Och passera röret genom en klämventil för att styra tidpunkten och varaktigheten av luftpuffen med hjälp av ett datorstyrt relä. Lys upp ögat med en infraröd LED-matris placerad på cirka 10 centimeters avstånd. Använd vit LED-belysning med en intensitet på cirka 2000 candela per kvadratmeter för att belysa det avbildade ögat och få baslinjens pupilldiameter till cirka 3,5 millimeter.Öppna programmet för elevförvärv och skaffa videon av eleven med en kamera med en 16 millimeters lins med en rumslig upplösning på 0,15 graders visuell vinkel och ett infrarött filter placerat på 25 centimeter avstånd från det avbildade ögat. Se till att ögat är centrerat i det avbildade området. Reglera kamerans bländare och fokus samt IR-nivån tills konturen av den avbildade pupillen är i skarpt fokus.I programmet för elevförvärv definierar du intresseområdet som innehåller eleven genom att välja ett rektangulärt område med musen. Använd sedan kontrollpanelen för att justera ljusstyrkan och kontrasten för den förvärvade videon. Ställ in skanningsdensiteten på fem och justera tröskeln så att ellipspassningen nära matchar elevens kontur i videon.Med hjälp av programvaran för neurala gränssnittsprocessorer kan du hämta och spara den analoga signalen från pupilldiametern eller PD-spåret, spänningsspåret från den piezoelektriska sensorn som registrerar rörelse, stimulansleveranstiderna och leveranstiderna för luftpuffar. Välj åtta olika exempel på marsvinsläten av liknande längd från två olika kategorier av läten. Till exempel wheek samtal och whine samtal.En kategori kommer att fungera som standardstimuli och den andra kategorin kommer att fungera som udda eller avvikande stimuli. För att generera en sekund lång standard och avvikande stimuli inbäddade i brus vid olika signal-brus-förhållande eller SNR-nivåer, lägg till vitt brus av samma längd till samtalen. Intervallet av SNR som samplas i detta experiment är mellan minus 24 och plus 40 decibel.För varje session, förbered en pseudoslumpmässig stimulanspresentationssekvens som innehåller standardstimuli större än 90% av tiden. Se till att mellan avvikande stimuli finns minst 20 till 40 försök med standardstimuli. Använd en fast stimulansintensitet för alla stimulanspresentationer.Presentera stimuli med hög tidsmässig regelbundenhet. För att upprätthålla djurets engagemang med stimuli och för att minimera tillvänjning, eventuellt leverera en kort luftpuff efter den avvikande stimulansen. Se till att luftpuffens början är tillräckligt separerad från stimulansvaraktigheten så att stimulans framkallade pupillutvidgningssvar.Nå en topp innan luftpuffinducerade blinkartefakter. Kör koden pupil_avg_JOVE_m och välj datafilen från en enda session i popup-dialogrutan för att utföra rörelsedetektering och uteslutning av utvärderingsversionen för varje session. Kör sedan samma kod och välj alla datafiler som ska analyseras i popup-dialogrutan.För att ta bort ögonblinkartefakter, förbehandla data och få den genomsnittliga pupillutvidgningen till varje stimulans över sessioner. Medelvärdet av den stimulansframkallade pupilldiametern förändras för varje stimulanstillstånd över sessioner inom varje djur och sedan över djur för att generera det genomsnittliga pupillutvidgningssvaret för varje stimulanstillstånd. Sammanfoga alla utdata från koden pupil_avg_JOVE lodrätt.m eller alla sessioner djur, SNR och dämpningar för att konstruera en matris som innehåller kolumnerna, djur-ID, SNR, ljudnivå och pupilldiametervärden. För varje SNR plottar du vikterna som motsvarar skärningspunkten för att visualisera resultaten. Gör samma sak för linjära och kvadratiska termer.Placera all sessionsvis procentandel av försök med signifikanta pupillförändringar i varje cell i en cellmatris där cellerna är ordnade från lägre till högre SNR. Med hjälp av koden pupil_threshold_estimate_JOVE_m uppskattar du tröskelvärdet för kategorisering av brus. Genomsnittliga elevsvar från tre djur visas i denna figur.Genomsnittliga pupillsvar på standardgnällstimuli representeras av den blå linjen och skuggning motsvarar plus minus ett standardfel av medelvärdet. Grå linjer och skuggning motsvarar medelvärde och plus minus ett standardfel av medelvärdet för pupillrespons framkallad av avvikande wheekstimuli. Grå skuggningsintensitet motsvarar SNR.Grön linje och skuggning motsvarar den genomsnittliga pupillspårningen vid tröskel SNR. Den röda vertikala linjen motsvarar stimulansstart. Den orange vertikala linjen motsvarar luftpuffens början och de blågröna streckade linjerna motsvarar GCA-fönstret.Den psykometriska funktionen som passar till procentandelen av försök med signifikanta pupilldiameterförändringar som framkallas av den avvikande stimulansen som en funktion av SNR visas i denna figur. Morrhår motsvarar plus minus ett standardfel av medelvärdet. Observera att 50%av det maximala uppnås vid cirka minus 20 decibel SNR.De förvärvade högkvalitativa data är det viktigt att acklimatisera djuret väl till experimentuppsättningen och upprätthålla konstanta elimineringsförhållanden. Håll experimentsessionen kort för att minimera djurets bostad till de avvikande stimuli. EEG, eller elektrofysiologiska inspelningar i kombination med pupillometri skulle generera ytterligare insikt i neurala underskott, underliggande call-in-noise kategoriseringsunderskott hos hörselskadade djur.

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 Sensation Seeking in musen

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.

Upprättande och kultur i hjärnstammen Kyckling Auditiv Slices

The chicken auditory brainstem is a well-established model system that has been widely used to study the anatomy and physiology of auditory processing at ...

A Lightweight, Headphones-based System for Manipulating Auditory Feedback in Songbirds

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 lätt, hörlurar system för att manipulera Auditiv feedback 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 spåra Auditiva fibrer i Avian embryonala 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.

Funktionell avbildning av hörselbarken hos vuxna katter med hjälp av hög-fält 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 hörselnerven

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.

Användning av Trace Blink klassisk betingning att bedöma Hippocampus dysfunktion i en råtta modell av fetala alkoholeffekter spektrum

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 preklinisk modell för att bedöma hjärn återhämtning efter akut stroke hos råttor

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 reviderad kirurgisk metod för att inducera 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.

Direkt kanylimplantation i Cisterna Magna av grisar

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 ...