Name: Pupillometrie zur Beurteilung des Hörempfindens bei Meerschweinchen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-01-06T13:25:00.000+00:00
Duration: 9 min 25 s
Description: Lernen Sie die Pupillometrie zur Beurteilung des Hörempfindens bei Meerschweinchen kennen. Diese minimal-invasive Methode ermöglicht die Quantifizierung komplexer Schallerkennungsschwellen in Tierstudien.

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Diese Arbeit wurde vom NIH (R01DC017141), der Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation und Mitteln der Abteilungen für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde und Neurobiologie der University of Pittsburgh unterstützt.

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

Dieses Protokoll demonstriert die Verwendung der Pupillometrie als nicht-invasive und zuverlässige Methode zur Abschätzung der Hörschwellen bei passiv hörenden Tieren. In Anlehnung an das hier beschriebene Protokoll wurden die Schwellenwerte für die Kategorisierung von Anrufgeräuschen bei normalhörenden Hausärzten geschätzt. Es wurde festgestellt, dass die Schwellenwerte, die mit Hilfe der Pupillometrie geschätzt wurden, mit denen übereinstimmten, die durch operantes Training62 erhalten wurden. Im...

Der Pupillendurchmesser (PD) kann von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden, und die Messung der PD, die sich im Laufe der Zeit ändert, wird als Pupillometrie bezeichnet. Die Parkinson-Krankheit wird durch den Irisschließmuskel (an der Verengung beteiligt) und den Irisdilatatormuskel (an der Dilatation beteiligt) gesteuert. Der Konstriktionsmuskel wird vom Parasympathikus innerviert und beinhaltet cholinerge Projektionen, während der Irisdilatator vom sympathischen System mit noradrenergen und cholinergen Projektionen 1,2,3 innerviert wird. Der bekannteste Stimulus zur Induktion von Parkinson-Veränderungen ist die Luminanz-Verengung, und die Dilatationsreaktionen der Pupille können durch Variationen der Umgebungslichtintensitäthervorgerufen werden 2. PD ändert sich auch in Abhängigkeit von Brennweite2. Es ist jedoch seit Jahrzehnten bekannt, dass PD auch nicht-luminanzbedingte Schwankungen aufweist 4,5,6,7. Zum Beispiel können Veränderungen in inneren mentalen Zuständen vorübergehende Parkinson-Veränderungen hervorrufen. Die Pupille erweitert sich als Reaktion auf emotional aufgeladene Reize oder nimmt mit Erregung zu 4,5,8,9. Die Pupillenerweiterung könnte auch mit anderen kognitiven Mechanismen zusammenhängen, wie z. B. erhöhter geistiger Anstrengung oder Aufmerksamkeit10,11,12,13. Aufgrund dieses Zusammenhangs zwischen Pupillengrößenschwankungen und psychischen Zuständen wurden Parkinson-Veränderungen als Marker für klinische Störungen wie Schizophrenie 14,15, Angstzustände 16,17,18, Parkinson 19,20 und Alzheimer 21 untersucht unter anderem. Bei Tieren verfolgen Parkinson-Veränderungen interne Verhaltenszustände und korrelieren mit neuronalen Aktivitätsniveaus in kortikalen Bereichen22,23,24,25. Es hat sich auch gezeigt, dass der Pupillendurchmesser ein zuverlässiger Indikator für den Schlafzustand bei Mäusen ist26. Diese PD-Veränderungen im Zusammenhang mit Erregung und dem inneren Zustand treten typischerweise auf langen Zeitskalen in der Größenordnung von mehreren zehn Sekunden auf.
Im Bereich der Hörforschung wurden sowohl bei normalhörenden als auch bei hörgeschädigten Probanden die Höranstrengung und die Hörwahrnehmung mittels Pupillometrie erfasst. An diesen Studien sind in der Regel geschulte Probanden27,28,29,30 beteiligt, die verschiedene Arten von Erkennungs- oder Erkennungsaufgaben ausführen. Aufgrund des oben erwähnten Zusammenhangs zwischen Erregung und Parkinson wurde gezeigt, dass ein erhöhtes Aufgabenengagement und eine erhöhte Höranstrengung mit erhöhten Pupillenerweiterungsreaktionen korrelieren 30,31,32,33,34,35. Daher wurde die Pupillometrie verwendet, um zu zeigen, dass eine erhöhte Höranstrengung aufgewendet wird, um spektral verschlechterte Sprache bei normal hörenden Zuhörern zu erkennen29,36. Bei hörgeschädigten Zuhörern, wie z. B. Menschen mit altersbedingtem Hörverlust 27,30,37,38,39,40,41 und Cochlea-Implantat-Trägern 42,43, nahmen die Pupillenreaktionen mit abnehmender Sprachverständlichkeit ebenfalls zu; Hörgeschädigte Zuhörer zeigten jedoch eine größere Pupillenerweiterung bei leichteren Hörbedingungen im Vergleich zu normal hörenden Probanden 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Experimente, bei denen der Zuhörer eine Erkennungsaufgabe ausführen muss, sind jedoch nicht immer möglich - zum Beispiel bei Säuglingen oder in einigen Tiermodellen. Daher könnten nicht-luminanzbezogene Pupillenreaktionen, die durch akustische Reize hervorgerufen werden, eine praktikable alternative Methode zur Beurteilung der auditiven Detektion in diesen Fällen sein44,45. Frühere Studien zeigten eine transiente und reizgebundene Pupillenerweiterung als Teil des Orientierungsreflexes46. Spätere Studien haben die Verwendung von stimulusgebundenen Pupillenerweiterungen zur Ableitung von Frequenzempfindlichkeitskurven bei Eulen gezeigt47,48. In jüngster Zeit wurden diese Methoden angepasst, um die Sensitivität der Pupillenerweiterungsreaktion bei menschlichen Säuglingen zu beurteilen48. Die Pupillometrie hat sich als zuverlässiger und nicht-invasiver Ansatz zur Abschätzung der auditiven Erkennungs- und Unterscheidungsschwellen bei passiv hörenden Meerschweinchen (GPs) unter Verwendung einer breiten Palette einfacher (Töne) und komplexer (GP-Vokalisationen) Reize erwiesen49. Diese stimulusbedingten PD-Änderungen treten typischerweise auf schnelleren Zeitskalen in der Größenordnung von mehreren Sekunden auf und sind mit dem Stimulus-Timing verbunden. Hier wird die Pupillometrie von stimulusbedingten Parkinson-Veränderungen als Methode vorgeschlagen, um die Verhaltensauswirkungen verschiedener Arten von Hörstörungen in Tiermodellen zu untersuchen. Insbesondere werden Pupillometrieprotokolle für den Einsatz bei Hausärzten, ein gut etabliertes Tiermodell für verschiedene Arten von Hörpathologien 50,51,52,53,54,55,56 (siehe auch Referenz 57 für eine umfassende Übersicht) beschrieben.
Obwohl diese Technik bei normalhörenden Hausärzten demonstriert wird, können diese Methoden leicht an andere Tiermodelle und Tiermodelle verschiedener Hörpathologien angepasst werden. Wichtig ist, dass die Pupillometrie mit anderen nicht-invasiven Messungen wie EEG sowie mit invasiven elektrophysiologischen Aufzeichnungen kombiniert werden kann, um die Mechanismen zu untersuchen, die möglichen Schalldetektions- und Wahrnehmungsdefiziten zugrunde liegen. Schließlich kann dieser Ansatz auch verwendet werden, um große Ähnlichkeiten zwischen Mensch- und Tiermodellen herzustellen.

<table><tbody><tr><td>Analogausgangskarte</td><td>Measurement Computing Corporation, Norton, MA</td><td>PCI-DDA02/12</td><td></td></tr><tr><td>schalltoter Schaumstoff</td><td>Sonex One, Pinta Acoustic, Minneapolis, MN</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kondensatormikrofon</td><td>Behringer, Willich, Deutschland</td><td>C-2</td><td></td></tr><tr><td>Freifeldmikrofon</td><td>Bruel & Kjaer, Dänemark)&nbsp;</td><td>Typ 4940&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks, Inc., Natick, MA</td><td></td><td>2018a Version</td></tr><tr><td>Monokulare Remote-Kamera und Beleuchtungssystem</td><td>Arrington Research, Scottsdale, AZ</td><td>MCU902</td><td>Infrarot-LED-Array + Kamera mit Infrarotfilter</td></tr><tr><td>Multifunktions-E/A-Gerät &nbsp;</td><td>National Instruments, Austin, TX</td><td>PCI-6229</td><td></td></tr><tr><td>Neuronaler Schnittstellenprozessor</td><td>Ripple Neuro, Salt Lake City, UT</td><td>SCOUT</td><td></td></tr><tr><td>Piezoelektrischer Bewegungssensor</td><td>SparkFun Electronics, Niwot, CO</td><td>SEN-10293</td><td></td></tr><tr><td>Quetschventil&nbsp;</td><td>Cole-Palmer Instrument Co., Vernon Hills, IL</td><td>EW98302-02</td><td></td></tr><tr><td>Programmierbares Dämpfungsglied</td><td>Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL</td><td>PA5</td><td></td></tr><tr><td>Silikonschlauch</td><td>Cole-Parmer</td><td></td> <td>~ 3 mm</td></tr><tr><td>Schalldämpfungskammer</td><td>IAC Acoustics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lautsprecher Breitbandtreiber</td><td>Tang Band Speaker, Taipeh, Taiwan</td><td>W4-1879</td><td></td></tr><tr><td>Stereo-Verstärker</td><td>Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL</td><td>SA1</td><td></td></tr><tr><td>Tabletop - CleanTop Optical</td><td>TMC Schwingungskontrolle / 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>

pupillometrie zur beurteilung des hörempfindens bei meerschweinchen

Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs

Lärmbelastung ist eine der Hauptursachen für Schallempfindungsschwerhörigkeit. Tiermodelle für lärmbedingten Hörverlust haben mechanistische Einblicke in die zugrunde liegenden anatomischen und physiologischen Pathologien von Hörverlust ermöglicht. Es bleibt jedoch schwierig, Verhaltensdefizite, die bei Menschen mit Hörverlust beobachtet wurden, mit Verhaltensdefiziten in Tiermodellen in Beziehung zu setzen. Hier wird die Pupillometrie als eine Methode vorgeschlagen, die den direkten Vergleich von Verhaltensdaten von Tieren und Menschen ermöglicht. Die Methode basiert auf einem modifizierten seltsamen Paradigma - das Subjekt wird an die wiederholte Präsentation eines Stimulus gewöhnt und intermittierend ein abweichender Stimulus präsentiert, der in irgendeiner parametrischen Weise vom wiederholten Stimulus abweicht. Die grundlegende Prämisse ist, dass, wenn der Wechsel zwischen dem wiederholten und dem abweichenden Reiz vom Subjekt erkannt wird, er eine Pupillenerweiterungsreaktion auslöst, die größer ist als die, die durch den wiederholten Reiz ausgelöst wird. Dieser Ansatz wird anhand einer Vokalisationskategorisierungsaufgabe bei Meerschweinchen demonstriert, einem Tiermodell, das in der Hörforschung, einschließlich in Studien zu Hörverlust, weit verbreitet ist. Durch die Darstellung von Lautäußerungen aus einer Vokalisationskategorie als Standardreize und einer zweiten Kategorie als seltsame Reize, die in Rauschen eingebettet sind, bei verschiedenen Signal-Rausch-Verhältnissen wird gezeigt, dass das Ausmaß der Pupillenerweiterung als Reaktion auf die seltsame Kategorie monoton mit dem Signal-Rausch-Verhältnis variiert. Wachstumskurvenanalysen können dann verwendet werden, um den zeitlichen Verlauf und die statistische Signifikanz dieser Pupillenerweiterungsreaktionen zu charakterisieren. In diesem Protokoll werden detaillierte Verfahren zur Akklimatisierung von Meerschweinchen an den Aufbau, zur Durchführung der Pupillometrie und zur Auswertung/Analyse der Daten beschrieben. Obwohl diese Technik in diesem Protokoll bei normal hörenden Meerschweinchen demonstriert wird, kann die Methode verwendet werden, um die sensorischen Auswirkungen verschiedener Formen von Hörverlust bei jedem Probanden zu beurteilen. Diese Effekte können dann mit gleichzeitigen elektrophysiologischen Messungen und post-hoc anatomischen Beobachtungen korreliert werden.

Die Pupillometrie wurde an drei männlichen pigmentierten Hausärzten mit einem Gewicht von ~600-1.000 g im Verlauf der Experimente durchgeführt. Wie in diesem Protokoll beschrieben, wurde zur Schätzung der Schwellenwerte für die Kategorisierung von Call-in-Noise ein seltsames Paradigma für die Stimuluspräsentation verwendet. Im seltsamen Paradigma wurden Rufe, die zu einer Kategorie gehörten (Jammern), die bei einem bestimmten SNR in weißes Rauschen eingebettet waren, als Standardreize verwendet (Abbildung 2A) und Rufe au...

Die Pupillometrie, eine einfache und nicht-invasive Technik, wird als Methode zur Bestimmung von Hörschwellen bei normal hörenden Tieren und Tiermodellen verschiedener auditiver Pathologien vorgeschlagen.

Pupillometrie zur Beurteilung des Hörempfindens bei Meerschweinchen

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

Die Pupillometrie kann verwendet werden, um komplexe Schallerkennungsschwellen abzuschätzen, und in Kombination mit anderen Methoden können die Auswirkungen verschiedener Formen von Hörverlust auf diese Schwellenwerte bestimmt werden. Diese Technik kann verwendet werden, um Daten der gleichen Modalität von Menschen und von untrainierten Tieren zu charakterisieren. Es ist relativ einfach einzurichten und minimalinvasiv.Verhaltens- und Wahrnehmungsmaße sind in Tiermodellen für Hörverlust schwer zu erhalten. Diese Methode ist eine Möglichkeit, komplexes Lauterkennungsverhalten bei Tieren zu quantifizieren. Wie bei allen Tierverhaltensexperimenten ist Geduld der Schlüssel.Nehmen Sie sich die Zeit, das Tier an den Versuchsaufbau zu gewöhnen. Halten Sie die Versuchssitzungen kurz und überwachen Sie das Tier genau. Montieren Sie zunächst einen kalibrierten Lautsprecher an der schallgedämpften Kammerwand in gleicher Höhe wie die Position, an der das Tier platziert werden soll.Platzieren Sie das Tier für die Abgabe von Freifeldreizen im Gehege, um sicherzustellen, dass keine großen Körperbewegungen möglich sind, und befestigen Sie den Kopf des Tieres am starren Rahmen. Platzieren Sie einen piezoelektrischen Sensor unter dem Gehege, um Tierbewegungen zu erkennen und aufzuzeichnen. Positionieren Sie dann die Pupillenbildgebungskamera in einem Abstand von 25 Zentimetern vom Auge des Motivs.Um den Luftstoß aufzustellen, verwenden Sie eine an der Tischplatte befestigte Halterung, um eine Pipettenspitze etwa 15 Zentimeter vor der Schnauze des Tieres zu platzieren. Verbinden Sie einen Silikonschlauch mit einem Durchmesser von etwa drei Millimetern mit der Pipettenspitze und verbinden Sie den Schlauch mit einem geregelten Luftzylinder. Halten Sie den Luftdruck des Zylinders zwischen 20 und 25 psi.Führen Sie den Schlauch durch ein Quetschventil, um den Zeitpunkt und die Dauer des Luftstoßes mit einem computergesteuerten Relais zu steuern. Beleuchten Sie das Auge mit einem Infrarot-LED-Array, das in einem Abstand von etwa 10 Zentimetern platziert ist. Verwenden Sie weiße LED-Beleuchtung mit einer Intensität von etwa 2000 Candela pro Quadratmeter, um das abgebildete Auge zu beleuchten und den Basispupillendurchmesser auf etwa 3,5 Millimeter zu bringen.Öffnen Sie die Pupillenerfassungssoftware und nehmen Sie das Video der Pupille mit einer Kamera mit einem 16-Millimeter-Objektiv mit einer räumlichen Auflösung von 0,15 Grad Blickwinkel und einem Infrarotfilter auf, der in einem Abstand von 25 Zentimetern vom abgebildeten Auge platziert ist. Stellen Sie sicher, dass das Auge im abgebildeten Bereich zentriert ist. Regulieren Sie die Blende und den Fokus der Kamera sowie den IR-Wert, bis der Umriss der abgebildeten Pupille scharf ist.Definieren Sie in der Schülererfassungssoftware den interessierenden Bereich, der die Pupille enthält, indem Sie mit der Maus einen rechteckigen Bereich auswählen. Verwenden Sie dann das Bedienfeld, um die Helligkeit und den Kontrast des aufgenommenen Videos anzupassen. Stellen Sie die Scandichte auf fünf ein und stellen Sie den Schwellenwert so ein, dass die Ellipsenanpassung genau mit dem Umriss der Pupille im Video übereinstimmt.Erfassen und speichern Sie mithilfe der neuronalen Schnittstellenprozessorsoftware das analoge Signal vom Pupillendurchmesser oder der PD-Spur, die Spannungskurve vom piezoelektrischen Sensor, der die Bewegung aufzeichnet, die Reizlieferzeiten und die Luftstoßlieferzeiten. Wählen Sie acht verschiedene Exemplare von Meerschweinchen-Lautäußerungen ähnlicher Länge aus zwei verschiedenen Kategorien von Lautäußerungen aus. Zum Beispiel Keuchrufe und Jammern.Eine Kategorie dient als Standardreize und die andere Kategorie als seltsame oder abweichende Reize. Um eine Sekunde lange Standard- und abweichende Stimuli zu erzeugen, die in Rauschen mit unterschiedlichen Signal-Rausch-Verhältnissen oder SNR-Pegeln eingebettet sind, fügen Sie den Anrufen weißes Rauschen gleicher Länge hinzu. Der Bereich der in diesem Experiment abgetasteten SNRs liegt zwischen minus 24 und plus 40 Dezibel.Bereiten Sie für jede Sitzung eine pseudozufällige Stimulus-Präsentationssequenz vor, die in mehr als 90 % der Fälle Standardreize enthält. Stellen Sie sicher, dass zwischen abweichenden Reizen mindestens 20 bis 40 Versuche mit Standardreizen liegen. Verwenden Sie eine feste Reizintensität für alle Reizpräsentationen.Präsentieren Sie die Reize mit hoher zeitlicher Regelmäßigkeit. Um die Bindung des Tieres an die Reize aufrechtzuerhalten und die Gewöhnung zu minimieren, geben Sie optional nach dem abweichenden Reiz einen kurzen Luftstoß ab. Stellen Sie sicher, dass der Beginn des Luftstoßes ausreichend von der Reizdauer getrennt ist, so dass der Reiz Pupillenerweiterungsreaktionen hervorruft.Erreichen Sie einen Höhepunkt, bevor Luftstöße durch Blinzelartefakte ausgelöst werden. Führen Sie den Code pupil_avg_JOVE_m aus, und wählen Sie die Datendatei aus einer einzelnen Sitzung im Popup-Dialogfeld aus, um die Bewegungserkennung und den Testausschluss für jede Sitzung durchzuführen. Führen Sie dann denselben Code aus und wählen Sie alle zu analysierenden Datendateien im Popup-Dialog aus.Um Augenblinzelartefakte zu entfernen, verarbeiten Sie die Daten vor und erhalten Sie die durchschnittliche Pupillenerweiterung für jeden Stimulus über Sitzungen hinweg. Den Durchschnitt der durch den Stimulus hervorgerufenen Pupillendurchmesseränderungen für jede Reizbedingung über die Sitzungen innerhalb jedes Tieres und dann über die Tiere hinweg zu ermitteln, um die mittlere Pupillenerweiterungsreaktion auf jede Reizbedingung zu erzeugen. Verketten Sie alle Ausgaben aus dem Code-pupil_avg_JOVE vertikal.m oder alle Sitzungen Tiere, SNRs und Dämpfungen, um eine Matrix zu konstruieren, die die Werte für Säulen, Tier-ID, SNR, Schallpegel und Pupillendurchmesser enthält. Zeichnen Sie für jedes SNR die Gewichte auf, die dem Achsenabschnitt entsprechen, um die Ergebnisse zu visualisieren. Machen Sie dasselbe für lineare und quadratische Terme.Setzen Sie den gesamten sitzungsweisen Prozentsatz der Versuche mit signifikanten Pupillenveränderungen in jede Zelle eines Zellarrays ein, in der die Zellen von niedrigerem zu höherem SNR angeordnet sind. Schätzen Sie mithilfe des Code pupil_threshold_estimate_JOVE_m den Aufruf im Schwellenwert für die Rauschkategorisierung. Die durchschnittlichen Schülerreaktionen von drei Tieren sind in dieser Abbildung dargestellt.Die mittleren Pupillenreaktionen auf Standard-Jammerreize werden durch die blaue Linie dargestellt und die Schattierung entspricht plus minus einem Standardfehler des Mittelwerts. Graue Linien und Schattierungen entsprechen dem Mittelwert und plus minus einem Standardfehler des Mittelwerts der Pupillenreaktionen, der durch abweichende Keuchreize hervorgerufen wird. Die Grauschattierungsintensität entspricht dem SNR.Grüne Linie und Schattierung entsprechen der durchschnittlichen Pupillenspur am Schwellen-SNR. Die rote vertikale Linie entspricht dem Beginn des Reizes. Die orangefarbene vertikale Linie entspricht dem Beginn des Luftstoßes und die blaugrünen gestrichelten Linien entsprechen dem GCA-Fenster.Die psychometrische Funktion, die an den Prozentsatz der Studien mit signifikanten Pupillendurchmesseränderungen angepasst ist, die durch den abweichenden Stimulus als Funktion des SNR hervorgerufen wurden, ist in dieser Abbildung dargestellt. Schnurrhaare entsprechen plus minus einem Standardfehler des Mittelwerts. Beachten Sie, dass 50% des Maximums bei etwa minus 20 Dezibel SNR erreicht werden.Aufgrund der gewonnenen qualitativ hochwertigen Daten ist es wichtig, das Tier gut an den Versuchsaufbau zu gewöhnen und konstante Eliminierungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Halten Sie die Versuchssitzung kurz, um die Behausung des Tieres durch abweichende Reize zu minimieren. EEG oder elektrophysiologische Aufzeichnungen in Kombination mit Pupillometrie würden zusätzliche Einblicke in die neuronalen Defizite liefern, die den Kategorisierungsdefiziten bei der Kategorisierung von Call-in-Noise bei hörgeschädigten Tieren zugrunde liegen.

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