瞳孔测量术是一种简单且无创的技术，被提议用于测定正常听力动物及各类听觉病理动物模型在噪声环境中的听力阈值。
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本文内容
摘要
摘要
噪声暴露是感音神经性听力损失的主要原因。噪声性听力损失的动物模型为理解听力损失背后的解剖学和生理学病理机制提供了重要见解。然而，将人类听力损失患者所表现出的行为缺陷与动物模型中的行为缺陷进行关联仍具挑战性。本文提出瞳孔测量法作为一种可实现动物与人类行为数据直接比较的方法。该方法基于改良的失匹配范式——通过反复呈现某一刺激使受试者产生习惯化，并间歇性地插入在某些参数上与常规刺激不同的偏差刺激。其基本假设是：如果受试者能够察觉常规刺激与偏差刺激之间的变化，则会引发比常规刺激更大的瞳孔扩张反应。本研究以豚鼠的叫声分类任务为例，验证了该方法的有效性。豚鼠是听觉研究（包括听力损失研究）中广泛使用的动物模型。通过将某一类叫声作为标准刺激，另一类叫声作为嵌入在不同信噪比噪声中的偏差刺激进行呈现，结果表明，针对偏差刺激类别所引发的瞳孔扩张幅度随信噪比的变化呈单调变化。随后可采用生长曲线分析来刻画这些瞳孔扩张反应的时间进程及其统计学显著性。本实验方案详细描述了豚鼠适应实验装置、实施瞳孔测量以及数据评估与分析的具体步骤。尽管本方案在正常听力豚鼠中进行了演示，但该方法亦可用于评估每个个体在不同类型听力损失情况下的感觉功能影响。这些影响可进一步与同步记录的电生理指标以及事后解剖学观察结果进行关联分析。
引言
瞳孔直径（PD）可受多种因素影响，而随时间变化的瞳孔直径测量被称为瞳孔测量术。瞳孔直径由虹膜括约肌（参与收缩）和虹膜开大肌（参与扩张）控制。括约肌受副交感神经系统支配，涉及胆碱能投射；而虹膜开大肌则受交感神经系统支配，涉及去甲肾上腺素能和胆碱能投射1,2,3。已知最典型的诱发瞳孔直径变化的刺激是光照强度——瞳孔的收缩与扩张反应可由环境光强度的变化引起2。瞳孔直径也会随注视距离的变化而改变2。然而，数十年来人们已认识到，瞳孔直径还存在与光强无关的波动4,5,6,7。例如，内在心理状态的变化可引发短暂的瞳孔直径变化。瞳孔在情绪刺激下会扩张，或随着觉醒程度的升高而扩大4,5,8,
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方案
所有实验操作均需获得机构动物照护与使用委员会（IACUC）的批准，并遵守美国国立卫生研究院（NIH）关于实验动物照护与使用的指南。在美国，豚鼠还需遵守美国农业部（USDA）的相关规定。本方案中的所有操作均已获得匹兹堡大学IACUC的批准，并遵循NIH关于实验动物照护与使用的指南。本实验使用了三只年龄在4至10个月之间、体重约为600–1,000 g的雄性野生型有色豚鼠。
1. 手术操作
- 在清醒、头部固定且被动聆听的有色豚鼠（GPs）中进行所有瞳孔测量实验。通过咔嗒声和纯音听觉脑干反应（ABR）记录验证实验动物的听力正常58。
注意：尽管瞳孔测量数据采集本身是非侵入性的，但本方案中采用了一种侵入性头部固定装置植入手术，以在实验过程中固定动物头部。其他替代方法在讨论部分中有所介绍。 - 首先，在异氟烷麻醉下，为所有实验动物植入不锈钢头部固定装置。采用无菌外科技术，结合骨螺钉和牙科丙烯酸树脂将头部固定装置锚定于颅骨上58。
- 为动物提供术后护理，包括系统性和局部镇痛药物的使用。经过两周的恢复期后，逐步使动物适应实验装置。
注意：该手术程序基于先前在豚鼠（GPs）58 以及其他物种59....
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结果
在实验过程中，对三只雄性有色豚鼠（体重约为600-1,000 g）进行了瞳孔测量。如本方案所述，为估计在噪声中对叫声的分类阈值，采用失匹配负波范式（oddball范式）进行刺激呈现。在该范式中，将某一类叫声（哀鸣声，whines）以特定信噪比（SNR）嵌入白噪声中作为标准刺激（图2A），而将另一类叫声（尖叫声，wheeks）以相同信噪比嵌入白噪声中作为偏差刺激（图2A）。标准刺激和偏差刺激从每类叫声的八个示例中随机选取，并允许重复抽样。在每次实验过程中，刺激以高度时间规律性呈现（图2B），每两个偏差刺激之间至少呈现20次标准刺激。每次实验会话采集对应于某一特定SNR水平的数据。在不同实验会话中，采样了广泛范围的清晰及含噪声的SNR水平（-24、-18、-12、-6、-3、0、3、6、12、40 dB SNR）。
对标准刺激的瞳孔直径（PD）变化与基线相比无显著差异（
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讨论
本方案展示了瞳孔测量法作为一种非侵入性且可靠的方法，用于估计被动听音动物的听觉阈值。根据本文所述方案，估测了正常听力豚鼠在噪声中识别叫声的分类阈值。通过瞳孔测量法估测的阈值与使用操作性训练方法获得的结果一致62。然而，与操作性训练相比，瞳孔测量方案在设置和数据采集方面相对简便快捷。每次数据采集会话（每个信噪比水平）持续约12分钟，因此每只动物每天需进行1-2小时的实验（涵盖多个信噪比水平）49。数据采集可在大约7-10天内完成（具体时间取决于所使用的信噪比水平数量）。尽管本研究采用失匹配负波范式（oddball paradigm）进行噪声中叫声分类阈值的估测，但该瞳孔测量方案亦可调整用于更简化的失匹配负波范式（例如仅使用一种叫声范例），或适用于其他使用多种复杂或简单刺激的刺激范式49。
该方法并非没有缺点。首先，目前的实验方案需要植入头固定装置，以便在实验过程中固定动物头部。头固定装置的植入手术及术后恢复将使实验方案的时间线至少延长两周。有.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本工作由美国国立卫生研究院（NIH，项目编号R01DC017141）、宾夕法尼亚州雄狮听力研究基金会，以及匹兹堡大学耳鼻喉科和神经生物学系的资金资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 模拟输出板 | Measurement Computing Corporation, Norton, MA | PCI-DDA02/12 | |
| 消声泡沫 | Sonex One, Pinta Acoustic, Minneapolis, MN | ||
| 电容式麦克风 | Behringer, Willich, Germany | C-2 | |
| 自由场麦克风 | Bruel & Kjaer, Denmark | Type 4940 | |
| Matlab | Mathworks, Inc., Natick, MA | 2018a 版本 | |
| 单目远程摄像与照明系统 | Arrington Research, Scottsdale, AZ | MCU902 | 红外 LED 阵列 + 带红外滤光片的摄像头 |
| 多功能 I/O 设备 | National Instruments, Austin, TX | PCI-6229 | |
| 神经接口处理器 | Ripple Neuro, Salt Lake City, UT | SCOUT | |
| 压电运动传感器 | SparkFun Electronics, Niwot, CO | SEN-10293 | |
| 夹管阀 | Cole-Palmer Instrument Co., Vernon Hills, IL | EW98302-02 | |
| 可编程衰减器 | Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL | PA5 | |
| 硅胶管 | Cole-Parmer | 约 3 mm | |
| 隔音声学室 | IAC Acoustics | ||
| 全频扬声器单元 | Tang Band Speaker, 台北, 中国台湾 | W4-1879 | |
| 立体声放大器 | Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL | SA1 | |
| 桌面式光学清洁台 | TMC 振动控制 / Ametek, Peabody, MA | ||
| Viewpoint 软件 | ViewPoint, Arrington Research, Scottsdale, AZ |
参考文献
- Steinhauer, S. R., Siegle, G. J., Condray, R., Pless, M. Sympathetic and parasympathetic innervation of pupillary dilation during sustained processing. International Journal of Psychophysiology. 52 (1), 77-86 (2004).
- Strauch, C., Wang, C. A., Einhäuser, W., Vander Stigchel, S., Naber, M.
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重印与许可
