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.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Operant Sensation Seeking in the Mouse

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

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

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

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

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

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

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

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

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) ...

Stereocilia Bundle Imaging with Nanoscale Resolution in Live Mammalian Auditory Hair Cells

Stereocilia Bundle Imaging med upplösning i nanoskala i levande däggdjurs auditiva hårceller

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