Name: モルモットの聴覚を評価するための瞳孔測定 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-01-06T13:25:00.000+00:00
Duration: 9 min 25 s
Description: 学ぶモルモットの聴覚評価法。瞳孔測定を用いて雑音下での音認識閾値を定量化し、聴覚障害の影響を評価する非侵襲的アプローチです。神経科学と行動研究に応用可能です。

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この研究は、NIH(R01DC017141)、ペンシルベニア・ライオンズ聴覚研究財団、およびピッツバーグ大学耳鼻咽喉科および神経生物学部の資金提供を受けました。

著者は開示する利益相反を持っていません。

このプロトコルは、受動的に聴く動物の聴覚閾値を推定するための非侵襲的で信頼性の高い方法としての瞳孔測定の使用を示しています。ここで説明するプロトコルに従って、通常の聴覚GPにおけるコールインノイズ分類しきい値が推定されました。瞳孔測定を用いて推定された閾値は、オペラントトレーニングを用いて得られた閾値と一致することが見出された62。しかし、オペラントトレーニングと比較して、瞳孔測定プロトコルは比較的簡単で、データの設定と取得が迅速でした。各データ取得セッション(SNRレベルあたり)は約12分間続き、その結果、動物あたり1日あたり1〜2時間の実験セッション(SNRレベル全体)が得られました49。データ取得は約7〜10日で完了します(使用するSNRレベルの数によって異なります)。この原稿では、コールインノイズ分類閾値の推定にオッドボールパラダイムが使用されましたが、この瞳孔測定プロトコルは、1つのコール例示のみが使用されるオッドボールパラダイムのより簡単なバージョン、または広範囲の複雑または単純な刺激を使用する他の刺激パラダイムに適合させることが...

瞳孔径(PD)はさまざまな要因の影響を受ける可能性があり、時間の経過とともに変化するPDの測定は瞳孔測定として知られています。PDは、虹彩括約筋(狭窄に関与する)および虹彩拡張筋(拡張に関与する)によって制御される。狭窄筋は副交感神経系によって神経支配され、コリン作動性突起を伴うのに対し、虹彩拡張筋はノルアドレナリン作動性およびコリン作動性突起を含む交感神経系によって神経支配される1,2,3。PDの変化を誘発する最もよく知られている刺激は、周囲光強度の変化によって生成できる瞳孔の輝度狭窄および拡張応答です2。PDは、焦点距離2の関数としても変化します。しかし、PDが輝度に関連しない変動を示すことは何十年も前から知られています4,5,6,7。たとえば、内部の精神状態の変化は、一時的なPDの変化を引き起こす可能性があります。瞳孔は、感情的にチャージされた刺激に反応して拡張するか、覚醒4,5,8,9で増加します。瞳孔拡張は、精神的努力や注意力の増加など、他の認知メカニズムにも関連している可能性があります10,11,12,13。瞳孔サイズの変動と精神状態とのこの関係のために、PDの変化は、統合失調症14,15、不安16,17,18、パーキンソン病19,20、およびアルツハイマー病21などの臨床障害のマーカーとして調査されてきました。、とりわけ。動物では、PDの変化は内部行動状態を追跡し、皮質領域のニューロン活動レベルと相関しています22、23、24、25。瞳孔径は、マウス26における睡眠状態の信頼できる指標であることも示されている。覚醒および内部状態に関連するこれらのPD変化は、典型的には、数十秒程度の長い時間スケールで起こる。
聴覚研究の分野では、通常の聴覚および聴覚障害のある被験者において、瞳孔測定を使用してリスニング努力と聴覚知覚が評価されています。これらの研究には、典型的には、様々な種類の検出または認識タスクを実行する訓練された研究対象27、28、29、30が含まれる。覚醒とPDの間の前述の関係のために、タスクエンゲージメントとリスニング努力の増加は、瞳孔拡張反応の増加と相関していることが示されています30、31、32、33、34、35。したがって、瞳孔測定は、通常の聴覚リスナーにおけるスペクトル劣化した発話を認識するためにリスニング努力の増加が費やされることを実証するために使用されてきた29,36。加齢性難聴27,30,37,38,39,40,41および人工内耳使用者42,43などの聴覚障害のあるリスナーでは、瞳孔反応も音声明瞭度の低下とともに増加しました。しかし、聴覚障害のあるリスナーは、通常の聴覚被験者と比較して、より簡単なリスニング条件でより大きな瞳孔拡張を示しました27、30、37、38、39、40、41、42、43。しかし、リスナーが認識タスクを実行することを必要とする実験は、例えば乳児や一部の動物モデルでは、常に可能であるとは限りません。したがって、音響刺激によって引き起こされる非輝度関連の瞳孔応答は、これらの場合の聴覚検出を評価するための実行可能な代替方法である可能性があります44,45。以前の研究では、方向反射の一部として一過性で刺激に関連する瞳孔拡張が示されました46。その後の研究では、フクロウの周波数感度曲線を導き出すための刺激に関連する瞳孔拡張の使用が実証されています47,48。最近、これらの方法は、ヒト乳児における瞳孔拡張応答の感受性を評価するために適応されている48。瞳孔測定は、広範囲の単純(トーン)および複雑な(GP発声)刺激を使用することにより、受動的リスニングモルモット(GP)における聴覚検出および識別閾値を推定するための信頼性の高い非侵襲的アプローチであることが示されている49。これらの刺激関連のPD変化は、典型的には、数秒程度のより速い時間スケールで起こり、刺激タイミングにリンクされている。ここでは、動物モデルにおける様々な種類の聴覚障害の行動影響を研究する方法として、刺激関連PD変化の瞳孔測定が提案されている。特に、GPsで使用するための瞳孔測定プロトコルは、様々なタイプの聴覚病理の十分に確立された動物モデル50、51、52、53、54、55、56(網羅的なレビューについては参考文献57も参照)が記載されている。
この技術は正常聴覚GPで実証されていますが、これらの方法は、他の動物モデルやさまざまな聴覚病理の動物モデルに簡単に適応できます。重要なことに、瞳孔測定は、EEGなどの他の非侵襲的測定や侵襲的な電気生理学的記録と組み合わせて、起こりうる音の検出と知覚障害の根底にあるメカニズムを研究することができます。最後に、このアプローチは、ヒトモデルと動物モデルの間の幅広い類似性を確立するためにも使用できます。

<table><tbody><tr><td>アナログ出力ボード</td><td>Measurement Computing Corporation, Norton, MA</td><td>PCI-DDA02/12</td><td></td></tr><tr><td>無響フォーム</td><td>Sonex One, Pinta Acoustic, Minneapolis, MN</td><td></td><td></td></tr><tr><td>コンデンサーマイク</td><td>Behringer, Willich, Germany</td><td>C-2</td><td></td></tr><tr><td>Freefield microphone</td><td>Bruel &Kjaer, Denmark)&nbsp;</td><td>4940形&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks, Inc., Natick, MA</td><td></td><td>2018a バージョン</td></tr><tr><td>単眼リモートカメラおよびイルミネーターシステム</td><td>Arrington Research, Scottsdale, AZ</td><td>MCU902</td><td>赤外線 LED アレイ + 赤外線フィルター付きカメラ</td></tr><tr><td>多機能 I/O デバイス&nbsp;</td><td>National Instruments, Austin, TX</td><td>PCI-6229</td><td></td></tr><tr><td>ニューラルインタフェースプロセッサ</td><td>Ripple Neuro, Salt Lake City, UT</td><td>SCOUT</td><td></td></tr><tr><td>圧電モーションセンサ</td><td>SparkFun Electronics, Niwot, CO</td><td>SEN-10293</td><td></td></tr><tr><td>ピンチバルブ&nbsp;</td><td>Cole-Palmer Instrument Co., Vernon Hills, IL</td><td>EW98302-02</td><td></td></tr><tr><td>Programmable attenator</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>音響減衰チャンバー</td><td>IAC Acoustics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Speaker フルレンジ ドライバー</td><td>Tang Band Speaker, 台北, 台湾</td><td>W4-1879</td><td></td></tr><tr><td>ステレオアンプ</td><td>Tucker-Davis Technologies、アラチュア、フロリダ州</td><td>SA1</td><td></td></tr><tr><td>卓上 - CleanTop光学</td><td>TMC振動制御/ Ametek、ピーボディ、マサチューセッツ州</td><td></td><td></td></tr><tr><td>視点ソフトウェア</td><td>ViewPoint、アーリントンリサーチ、スコッツデール、アリゾナ</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>州

モルモットの聴覚を評価するための瞳孔測定

Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs

騒音曝露は感音難聴の主な原因です。騒音性難聴の動物モデルは、難聴の根底にある解剖学的および生理学的病理への機構的洞察を生み出しました。しかし、難聴のあるヒトで観察された行動障害を動物モデルの行動障害に関連付けることは依然として困難です。ここでは、動物と人間の行動データの直接比較を可能にする方法として、瞳孔測定法が提案されています。この方法は、修正された奇妙なパラダイムに基づいています-刺激の繰り返しの提示に被験者を慣れさせ、繰り返される刺激からいくつかのパラメトリックな方法で変化する逸脱した刺激を断続的に提示します。基本的な前提は、繰り返し刺激と逸脱刺激の間の変化が被験者によって検出された場合、それは繰り返し刺激によって誘発されるものよりも大きな瞳孔拡張反応を引き起こすということです。このアプローチは、難聴研究を含む聴覚研究で広く使用されている動物モデルであるモルモットの発声分類タスクを使用して実証されています。ある発声カテゴリーの発声を標準刺激として、第2のカテゴリーの発声を雑音に埋め込まれた奇数刺激として様々な信号対雑音比で提示することにより、奇数眼カテゴリーに応じた瞳孔拡張の大きさが信号対雑音比によって単調に変化することを示す。次に、成長曲線分析を使用して、これらの瞳孔拡張応答の時間経過と統計的有意性を特徴付けることができます。このプロトコルでは、モルモットをセットアップに順応させ、瞳孔測定を実施し、データを評価/分析するための詳細な手順について説明します。この技術は、このプロトコルの正常聴覚モルモットで実証されていますが、この方法は、各被験者内のさまざまな形態の難聴の感覚効果を評価するために使用できます。これらの効果は、同時の電気生理学的測定および事後の解剖学的観察と相関している可能性があります。

瞳孔測定は、実験の過程で体重が~600-1,000 gの3つの男性の色素性GPで実施されました。このプロトコルで説明されているように、コールインノイズ分類閾値を推定するために、刺激提示に奇妙なパラダイムが使用されました。オッドボールパラダイムでは、特定のSNRでホワイトノイズに埋め込まれた1つのカテゴリ(泣き声)に属する呼び出しを標準刺激として使用し(図2A)、同じSNRでホワイトノイズに埋め込まれた別のカテゴリ(喘鳴)からの呼び出し(図2A)を逸脱刺激として使用しました。標準刺激と逸脱刺激は、各カテゴリーの8つの例からリサンプリングしながら無作為に選択しました。各実験セッションでは、刺激は高い時間的規則性で提示され(図2B)、逸脱刺激の間に少なくとも20の標準刺激が提示されました。データは、各実験セッションにおける特定のSNRレベルに対応する取得された。セッション全体で、広範囲のクリーンでノイズの多いSNR(-24、-18、-12、-6、-3、0、3、6、1...

単純で非侵襲的な技術である瞳孔測定は、正常な聴覚動物およびさまざまな聴覚病理の動物モデルにおける騒音聴力閾値を決定する方法として提案されています。

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

瞳孔測定は、複雑な音認識閾値を推定するために使用でき、他の方法と組み合わせて、それらの閾値に対する様々な形態の難聴の影響を決定することができる。この手法は、ヒトおよび訓練を受けていない動物からの同じモダリティのデータを特徴付けるために使用することができる。セットアップは比較的簡単で、侵襲性は最小限です。行動と知覚の尺度は、難聴の動物モデルでは取得が困難です。この方法は、動物の複雑な音認識行動を定量化する1つの方法です。私たちがすべての動物行動実験を行うように、忍耐が鍵です。時間をかけて動物を実験のセットアップに順応させてください。実験セッションを短くし、動物を注意深く監視します。開始するには、キャリブレーションされたスピーカーを、動物が配置される位置と同じ高さで減衰したチャンバーの壁に取り付けます。自由野刺激を与えるには、大きな体の動きができないように動物を囲いの中に置き、動物の頭を剛性フレームに固定します。動物の動きを検出して記録するために、エンクロージャーの下に圧電センサーを配置します。次に、瞳孔イメージングカメラを被写体の目から25センチメートルの距離に配置します。エアパフをセットアップするには、卓上に取り付けられたホルダーを使用して、動物の鼻の前に約15センチメートルのピペットチップを配置します。直径約3mmのシリコンチューブをピペットチップに接続し、チューブを調整されたエアシリンダーに接続します。シリンダーの空気圧を20〜25psiに保ちます。また、コンピューター制御のリレーを使用して、チューブをピンチバルブに通して、エアパフのタイミングと持続時間を制御します。約10センチメートルの距離に配置された赤外線LEDアレイで目を照らします。1平方メートルあたり約2000カンデラの強度で白色LED照明を使用して、画像化された目を照らし、ベースラインの瞳孔直径を約3.5ミリメートルにします。瞳孔取得ソフトウェアを開き、視角0.15度の空間分解能を持つ16ミリレンズと、撮像された目から25センチメートルの距離に配置された赤外線フィルターを備えたカメラを使用して瞳孔のビデオを取得します。目が画像領域の中心にあることを確認します。カメラの絞りと焦点、および画像化された瞳孔の輪郭に焦点が合うまでIRレベルを調整します。瞳孔取得ソフトウェアでは、マウスで矩形領域を選択して、瞳孔を含む関心領域を定義します。次に、コントロールパネルを使用して、取得したビデオの明るさとコントラストを調整します。スキャン密度を5に設定し、楕円がビデオの瞳孔の輪郭と密接に一致するようにしきい値を調整します。ニューラルインタフェースプロセッサソフトウェアを使用して、瞳孔径またはPDトレースからのアナログ信号、圧電センサからの電圧トレースの記録モーション、刺激の配信時間、およびエアパフの配信時間を

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Neuroscience

神経科学

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出典:Lee, D., et.alです。マウスの騒音性難聴の実験条件の変更と、聴覚機能と外有毛細胞の損傷の評価。J. Vis.

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学ぶモルモットの聴覚評価法。瞳孔測定を用いて雑音下での音認識閾値を定量化し、聴覚障害の影響を評価する非侵襲的アプローチです。神経科学と行動研究に応用可能です。

モルモットの聴覚を評価するための瞳孔測定

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