Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

قياس الحدقة لتقييم الإحساس السمعي في خنازير غينيا

Published: January 6, 2023 doi: 10.3791/64581
Automatic Translation
1,2, 1,2,4, 1,2,6, 1,2,3,4,5
1Department of Neurobiology, University of Pittsburgh, 2Center for Neuroscience, University of Pittsburgh, 3Department of Bioengineering, University of Pittsburgh, 4Center for Neural Basis of Cognition, University of Pittsburgh, 5Department of Communication Science and Disorders, University of Pittsburgh, 6Department of Transfer and Innovation, USC University Hospital Complex (CHUS), University of Santiago de Compostela

Summary

يقترح قياس الحدقة ، وهو تقنية بسيطة وغير جراحية ، كطريقة لتحديد عتبات السمع في الضوضاء في السمع الطبيعية والنماذج الحيوانية لمختلف الأمراض السمعية.

Abstract

التعرض للضوضاء هو السبب الرئيسي لفقدان السمع الحسي العصبي. ولدت النماذج الحيوانية لفقدان السمع الناجم عن الضوضاء نظرة ثاقبة ميكانيكية في الأمراض التشريحية والفسيولوجية الأساسية لفقدان السمع. ومع ذلك ، فإن ربط العجز السلوكي الذي لوحظ في البشر الذين يعانون من فقدان السمع بالعجز السلوكي في النماذج الحيوانية لا يزال يمثل تحديا. هنا ، يقترح قياس الحدقة كطريقة تمكن من المقارنة المباشرة للبيانات السلوكية الحيوانية والبشرية. تعتمد الطريقة على نموذج غريب المعدل - تعويد الموضوع على العرض المتكرر للحافز وتقديم حافز منحرف بشكل متقطع يختلف بطريقة بارامترية عن التحفيز المتكرر. الفرضية الأساسية هي أنه إذا تم اكتشاف التغيير بين التحفيز المتكرر والمنحرف من قبل الموضوع ، فسوف يؤدي ذلك إلى استجابة تمدد حدقة العين أكبر من تلك التي يثيرها التحفيز المتكرر. يتم إثبات هذا النهج باستخدام مهمة تصنيف النطق في خنازير غينيا ، وهو نموذج حيواني يستخدم على نطاق واسع في الأبحاث السمعية ، بما في ذلك في دراسات فقدان السمع. من خلال تقديم أصوات من فئة نطق واحدة كمحفزات قياسية وفئة ثانية كمحفزات غريبة مضمن في الضوضاء بنسب إشارة إلى ضوضاء مختلفة ، ثبت أن حجم اتساع حدقة العين استجابة لفئة الكرة الغريبة يختلف بشكل رتيب مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء. يمكن بعد ذلك استخدام تحليلات منحنى النمو لتوصيف المسار الزمني والأهمية الإحصائية لاستجابات اتساع حدقة العين هذه. في هذا البروتوكول ، يتم وصف الإجراءات التفصيلية لتأقلم خنازير غينيا مع الإعداد ، وإجراء قياس الحدقة ، وتقييم / تحليل البيانات. على الرغم من أن هذه التقنية موضحة في خنازير غينيا ذات السمع الطبيعي في هذا البروتوكول ، يمكن استخدام الطريقة لتقييم الآثار الحسية لأشكال مختلفة من فقدان السمع داخل كل موضوع. قد ترتبط هذه التأثيرات بعد ذلك بالتدابير الفيزيولوجية الكهربية المتزامنة والملاحظات التشريحية اللاحقة.

Introduction

يمكن أن يتأثر قطر التلميذ (PD) بعدد كبير من العوامل ويعرف قياس PD الذي يتغير بمرور الوقت باسم قياس حدقة العين. يتم التحكم في مرض باركنسون بواسطة العضلة العاصرة للقزحية (المشاركة في الانقباض) والعضلة الموسعة للقزحية (المشاركة في التمدد). يتم تعصيب عضلة الانقباض بواسطة الجهاز السمبتاوي وتتضمن إسقاطات كولينية ، في حين أن موسع القزحية يعصب بالجهاز الودي الذي يتضمن إسقاطات نورادرينالية وكولينية1،2،3. الحافز الأكثر شهرة للحث على تغييرات PD هو انقباض النصوع ويمكن أن تنتج استجابات التمدد للتبؤذ عن طريق الاختلافات في شدة الضوء المحيط2. يتغير PD أيضا كدالة للبعدالبؤري 2. ومع ذلك ، فقد كان معروفا منذ عقود أن PD يظهر أيضا تقلبات غير مرتبطة بالنصوع4،5،6،7. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي التغييرات في الحالات العقلية الداخلية إلى تغييرات عابرة في مرض باركنسون. يتوسع التلميذ استجابة للمنبهات المشحونة عاطفيا أو يزداد مع الإثارة4،5،8،9. يمكن أن يرتبط اتساع حدقة العين أيضا بآليات معرفية أخرى ، مثل زيادة الجهد العقلي أو الانتباه10،11،12،13. بسبب هذه العلاقة بين اختلافات حجم حدقة العين والحالات العقلية ، تم استكشاف تغييرات PD كعلامة على الاضطرابات السريرية مثل الفصام 14،15 ، والقلق 16،17،18 ، ومرض باركنسون 19،20 ، ومرض الزهايمر21 ، من بين أمور أخرى. في الحيوانات ، تتعقب تغييرات PD الحالات السلوكية الداخلية وترتبط بمستويات النشاط العصبي في المناطق القشرية22،23،24،25. كما ثبت أن قطر التلميذ مؤشر موثوق لحالة النوم في الفئران26. عادة ما تحدث تغييرات PD المتعلقة بالإثارة والحالة الداخلية على نطاقات زمنية طويلة بترتيب عدة عشرات من الثواني.

في مجال أبحاث السمع ، في السمع العادي وكذلك في الأشخاص ضعاف السمع ، تم تقييم جهد الاستماع والإدراك السمعي باستخدام قياس الحدقة العينية. تتضمن هذه الدراسات عادة موضوعات بحثية مدربة27،28،29،30 تؤدي أنواعا مختلفة من مهام الكشف أو التعرف. بسبب العلاقة المذكورة أعلاه بين الإثارة و PD ، فقد تبين أن زيادة مشاركة المهام وجهد الاستماع مرتبطان بزيادة استجابات اتساع حدقة العين 30،31،32،33،34،35. وبالتالي ، تم استخدام قياس الحدقة لإثبات أن جهد الاستماع المتزايد يبذل للتعرف على الكلام المتدهور طيفيا في مستمعي السمع الطبيعي29,36. في المستمعين ضعاف السمع ، مثل البشر الذين يعانون من فقدان السمع المرتبط بالعمر27،30،37،38،39،40،41 ومستخدمي غرسة القوقعةالصناعية 42،43 ، زادت استجابات التلاميذ أيضا مع انخفاض وضوح الكلام. ومع ذلك ، أظهر المستمعون ضعاف السمع توسعا أكبر في حدقة العين في ظروف استماع أسهل مقارنة بالأشخاص العاديين الذين يخاضعون للسمع27،30،37،38،39،40،41،42،43. لكن التجارب التي تتطلب من المستمع أداء مهمة التعرف ليست ممكنة دائما - على سبيل المثال ، عند الرضع ، أو في بعض النماذج الحيوانية. وبالتالي ، يمكن أن تكون استجابات التلميذ غير المرتبطة بالإنارة التي تثيرها المحفزات الصوتية طريقة بديلة قابلة للتطبيق لتقييم الكشف السمعي في هذه الحالات44,45. أظهرت الدراسات السابقة تمدد حدقة العين العابر والمرتبط بالتحفيز كجزء من منعكس التوجيه46. أظهرت الدراسات اللاحقة استخدام توسعات حدقة العين المرتبطة بالتحفيز لاشتقاق منحنيات حساسية التردد في البوم47,48. في الآونة الأخيرة ، تم تكييف هذه الأساليب لتقييم حساسية استجابة اتساع حدقة العين عند الرضع48. لقد ثبت أن قياس الحدقة هو نهج موثوق وغير جراحي لتقدير عتبات الكشف السمعي والتمييز في الاستماع السلبي لخنازير غينيا (GPs) باستخدام مجموعة واسعة من المحفزات البسيطة (النغمات) والمعقدة (أصوات GP)49. تحدث هذه التغييرات المرتبطة بالتحفيز عادة في نطاقات زمنية أسرع بعدة ثوان وترتبط بتوقيت التحفيز. هنا ، يقترح قياس حدقة العين لتغيرات PD المرتبطة بالتحفيز كطريقة لدراسة التأثيرات السلوكية لأنواع مختلفة من ضعف السمع في النماذج الحيوانية. على وجه الخصوص ، يتم وصف بروتوكولات قياس الحدقة للاستخدام في الأطباء العامين ، وهو نموذج حيواني راسخ لأنواع مختلفة من الأمراض السمعية 50،51،52،53،54،55،56 (انظر أيضا المرجع 57 للحصول على مراجعة شاملة).

على الرغم من أن هذه التقنية موضحة في الممارسين العامين ذوي السمع الطبيعي ، إلا أنه يمكن تكييف هذه الأساليب بسهولة مع النماذج الحيوانية الأخرى والنماذج الحيوانية لمختلف الأمراض السمعية. الأهم من ذلك ، يمكن دمج قياس الحدقة مع قياسات أخرى غير جراحية مثل EEG ، وكذلك مع التسجيلات الفيزيولوجية الكهربية الغازية من أجل دراسة الآليات الكامنة وراء الكشف عن الصوت المحتمل وعجز الإدراك. أخيرا ، يمكن أيضا استخدام هذا النهج لإنشاء أوجه تشابه واسعة بين النماذج البشرية والحيوانية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

بالنسبة لجميع الإجراءات التجريبية ، احصل على موافقة من اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوانات (IACUC) والالتزام بإرشادات المعاهد الوطنية للصحة لرعاية واستخدام المختبر. في الولايات المتحدة الأمريكية ، يخضع الممارسون العامون بالإضافة إلى ذلك للوائح وزارة الزراعة الأمريكية (USDA). تمت الموافقة على جميع الإجراءات الواردة في هذا البروتوكول من قبل جامعة بيتسبرغ IACUC والتزمت بإرشادات المعاهد الوطنية للصحة لرعاية واستخدام المختبر. في هذه التجربة ، تم استخدام ثلاثة ذكور من النوع البري ، والأطباء العامين المصطبغين الذين تتراوح أعمارهم بين 4 و 10 أشهر ، مع ~ 600-1000 غرام من الوزن.

1. الإجراء الجراحي

  1. قم بإجراء جميع تجارب قياس حدقة العين في الأطباء العامين المصطبغين المستيقظين والثابتين بالرأس والمستمعين بشكل سلبي. تحقق من السمع الطبيعي في الموضوعات التجريبية باستخدام نقرات وتسجيلات استجابة جذع الدماغ السمعية النقية (ABR)58.
    ملاحظة: على الرغم من أن الحصول على بيانات قياس الحدقة في حد ذاته غير جراحي ، إلا أنه يتم استخدام جراحة ما بعد زرع الرأس الغازية في هذا البروتوكول لشل حركة رأس الحيوان أثناء العملية. يتم عرض البدائل في قسم المناقشة.
  2. أولا ، زرع جميع التجارب بعمود رأس من الفولاذ المقاوم للصدأ لتثبيت الرأس تحت تخدير الأيزوفلوران. استخدم التقنيات الجراحية المعقمة لتثبيت عمود الرأس في الجمجمة باستخدام مزيج من مسامير العظام وأكريليك الأسنان58.
  3. تزويد الحيوانات برعاية ما بعد الجراحة ، بما في ذلك إدارة المسكنات الجهازية والموضعية. بعد فترة نقاهة لمدة 2 أسبوع ، تتأقلم الحيوانات تدريجيا مع الإعداد التجريبي.
    ملاحظة: يعتمد الإجراء الجراحي على الأساليب المنشورة مسبقا في GPs58 بالإضافة إلى الأنواع الأخرى59,60 ، وليس محور هذا البروتوكول.

2. تأقلم الحيوان مع الإعداد التجريبي

ملاحظة: تجرى التجارب عادة في غرفة أو كشك مخفف للصوت (انظر جدول المواد). يختلف الوقت اللازم لتعريف بالإعداد من موضوع إلى آخر. أوقات التأقلم النموذجية مذكورة أدناه. سوف يتحمل الحيوان المتأقلم جيدا تثبيت الرأس بأقل حركة للجسم ، ويؤدي إلى قياسات أفضل لقطر التلميذ.

  1. بعد فترة نقاهة لمدة أسبوعين ، قم أولا بتعريف الحيوانات بالمناولة والنقل (2-3 أيام). هذا التأقلم ضروري للحد من التوتر والقلق. لتعريف الحيوان بالمناولة ، ضع الحيوان في حاوية النقل الخاصة به لفترات زمنية متزايدة (10-30 دقيقة) ، وتعامل مع الحيوان لفترات زمنية متزايدة (10-30 دقيقة).
  2. بعد ذلك ، تأقلم الحيوان مع الإعداد التجريبي (2-3 أيام) عن طريق وضع الحيوان في حاوية لمدة 10-45 دقيقة (الشكل 1 أ). يجب أن تسمح العلبة بتحولات وضعية صغيرة لراحة الحيوان أثناء التجربة. السماح بتحولات وضعية صغيرة لراحة الحيوان أثناء التجربة. ومع ذلك ، من المعروف أن اتساع حدقة العين يسبق الحركة49. لذلك ، قم بقياس حركة الحيوان وحساب هذه الحركة في تحليل البيانات (الشكل 1C).
  3. كجزء من هذا التأقلم ، تعامل يدويا مع عمود الرأس المزروع ، كما لو كان الحيوان سيكون ثابتا في الرأس. امسك عمود الرأس لفترات متزايدة (10-60 ثانية).
  4. بعد التأقلم اليدوي واعتمادا على سلوك الحيوان ، حاول تثبيت الحيوان في إطار صلب باستخدام حامل الزرع.
  5. قم بزيادة مدة تثبيت الرأس ببطء (10-45 دقيقة) حتى يصبح الحيوان هادئا وثابتا نسبيا أثناء تثبيت الرأس (2-3 أيام).
  6. تعويد الحيوان على وجود الكاميرا ومصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء ومصدر الضوء الأبيض (1-2 أيام). قم بتشغيل الضوء الأبيض ، مع زيادة المدة تدريجيا (10 دقائق إلى 30 دقيقة).
  7. تعويد الحيوان على التحفيز الصوتي من خلال تشغيل مجموعة متنوعة من الأصوات (على سبيل المثال ، النغمات النقية ، والنقرات ، والأصوات) بمستويات صوتية مختلفة (1-2 أيام ، بالتزامن مع الخطوة 2.6). لتقليل التعود على المحفزات التجريبية ، استخدم أصواتا مختلفة عن تلك المخطط لها لتجارب قياس الحدقة في هذه الخطوة.

3. معايرة كاميرا التلميذ

ملاحظة: تقوم الكاميرا المستخدمة في قياس حدقة العين بإخراج مقطع فيديو عبر USB إلى مجموعة برامج قياس حدقة العين. من هذا الفيديو ، يتم استخراج قطر التلميذ باستخدام ملاءمة القطع الناقص وقيمة عتبة قابلة للتعديل من قبل المستخدم بواسطة مجموعة برامج قياس الحدقة (انظر جدول المواد). ثم يتفاعل البرنامج مع بطاقة رقمية إلى تناظرية. تنتج البطاقة قيمة جهد تناظري تتناسب مع قطر التلميذ. هناك حاجة إلى المعايرة لتحويل قيمة الجهد هذه مرة أخرى إلى قطر التلميذ بوحدات الطول.

  1. ضع ورقة تحتوي على صور لأقراص سوداء ذات قطر معروف في نفس المكان الذي ستوجد فيه عين الطبيب أثناء قياس حدقة العين. بالنسبة للأطباء العامين ، يكون PD في نطاق 4 مم. لذلك ، قم بإجراء المعايرة باستخدام أقراص 3 مم و 4 مم و 5 مم.
  2. ضع كاميرا قياس الحدقة (انظر جدول المواد) على نفس المسافة (25 سم) التي سيتم إجراء التجارب عليها. اضبط فتحة الكاميرا والتركيز البؤري حتى يتم الحصول على صورة مركزة بشكل حاد لقرص بقطر معروف.
  3. في برنامج اقتناء قياس الحدقة (انظر جدول المواد) ، اضبط العتبة بحيث يتطابق مخطط القطع الناقص بشكل وثيق مع القرص المصور ، وقم بتدوين قيمة جهد الخرج التناظري والقياس.
  4. كرر هذا الإجراء للأقراص مقاس 3 مم و 4 مم و 5 مم. بعد ذلك ، قم بجدولة قيم القطر الفعلية (بالملليمتر) المقابلة لقيم جهد الخرج التناظري.

4. الحصول على بيانات قياس الحدقة

  1. قم بإجراء جميع التجارب في كشك أو غرفة مخففة للصوت ، مع تغطية الجدران الداخلية برغوة عديمة الصدى.
  2. لتوصيل التحفيز الحر ، قم بتركيب مكبر صوت معاير على جدار الغرفة الموهن بالصوت ، على ارتفاع مساو للموضع الذي سيتم وضع الحيوان فيه.
    ملاحظة: يعتمد اختيار مكبر الصوت على الأنواع التي تتم دراستها والمحفزات المخطط لها. بالنسبة لأصوات GP ، استخدم مكبر صوت تشغيل كامل النطاق له استجابة تردد مسطحة نسبيا (±3 ديسيبل) في نطاق تردد النطق من 0.5-3 كيلو هرتز (الشكل 1 أ).
  3. ضع الحيوان في العلبة للتأكد من أن حركات الجسم الكبيرة غير ممكنة (الشكل 1 أ). ثبت رأس الحيوان على الإطار الصلب كما هو موضح في الخطوة 2 (الشكل 1 أ).
  4. ضع مستشعرا كهرضغطية أسفل العلبة لاكتشاف وتسجيل حركات الحيوانات (الشكل 1 أ).
  5. لإعداد نفخة الهواء ، استخدم حاملا متصلا بسطح الطاولة لوضع طرف ماصة عند ~ 15 سم أمام خطم الحيوان. قم بتوصيل أنبوب السيليكون (~ 3 مم القطر) بطرف الماصة وقم بتوصيل الأنبوب بأسطوانة هواء منظمة.
  6. حافظ على ضغط هواء الأسطوانة بين 20 و 25 رطل / بوصة مربعة. مرر الأنبوب عبر صمام قرصة للتحكم في توقيت ومدة نفخة الهواء باستخدام مرحل يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر.
  7. أضيء العين باستخدام مجموعة LED بالأشعة تحت الحمراء موضوعة على مسافة ~ 10 سم. استخدم إضاءة LED البيضاء بكثافة ~ 2000 شمعة / م2 لإضاءة العين المصورة وإحضار خط الأساس PD إلى ~ 3.5 مم. الحفاظ على ظروف إضاءة ثابتة في الغرفة التجريبية عبر الجلسات التجريبية.
    ملاحظة: في الإضاءة المختبرية العادية (~ 500 شمعة / م2) ، يكون تلميذ GP متوسعة تماما ، ولا يسمح بملاحظة المزيد من التمدد المرتبط بالتحفيز. باستخدام إضاءة إضافية ، يتم إحضار التلميذ إلى قطر خط الأساس ~ 3.5 مم ، مما يسمح بنطاق ديناميكي كاف لمراقبة التمدد المرتبط بالتحفيز. وهذا يضمن أيضا اتساق خطوط الأساس عبر الجلسات والموضوعات.
  8. افتح برنامج اكتساب التلميذ واحصل على الفيديو (بمعدل 90 إطارا في الثانية) للتلميذ باستخدام كاميرا بعدسة 16 مم (دقة مكانية تبلغ 0.15 درجة بزاوية بصرية) ومرشح الأشعة تحت الحمراء (IR) موضوعة على مسافة 25 سم من العين المصورة. تأكد من تمركز العين في المنطقة المصورة.
  9. قم بتنظيم فتحة العدسة والتركيز البؤري للكاميرا ، بالإضافة إلى مستوى الأشعة تحت الحمراء حتى يصبح مخطط التلميذ المصور في تركيز بؤري حاد.
  10. في برنامج اكتساب التلميذ ، حدد منطقة الاهتمام التي تحتوي على التلميذ عن طريق تحديد منطقة مستطيلة باستخدام الماوس.
  11. استخدم لوحة التحكم في برنامج اكتساب التلميذ لضبط سطوع وتباين الفيديو الذي تم الحصول عليه. اضبط كثافة المسح الضوئي على 5 واضبط الحد بحيث يتطابق القطع الناقص بشكل وثيق مع مخطط التلميذ في الفيديو.
  12. باستخدام برنامج معالج الواجهة العصبية ، احصل على الإشارة التناظرية واحفظها من تتبع PD ، وتتبع الجهد من حركة تسجيل مستشعر كهرضغطية ، وأوقات تسليم التحفيز ، وأوقات تسليم نفخة الهواء.

5. الكشف عن الضوضاء والتمييز القاطع باستخدام نموذج غريب الأطوار معدل

ملاحظة: تألفت محفزات تجارب قياس الحدقة من أصوات GP التي تم تسجيلها في مستعمرة حيوانية58. يمكن العثور على عينات النطق في المستودع التالي: https://github.com/vatsunlab/CaviaVOX. على وجه الخصوص ، تم استخدام نداءات الأنين والأنين لاستنباط استجابات التلاميذ الموضحة في النتائج التمثيلية. من كل فئة ، اختر الأصوات التي تكون أطوالها متساوية تقريبا. لحساب الاختلافات في سعة التسجيل والمغلفات الزمنية للأصوات ، قم بتطبيع الأصوات من خلال سعات الجذر المتوسط المربع (r.m.s) ، إذا لزم الأمر.

  1. تقديم المحفزات السمعية باستخدام MATLAB بمعدل أخذ عينات مناسب. بالنسبة للأطباء العامين ، وهي منخفضة السمع التردد ، يكفي معدل أخذ العينات البالغ 100 كيلو هرتز.
  2. حدد ثمانية نماذج مختلفة لأصوات GP ذات الأطوال المتشابهة من فئتين مختلفتين من الأصوات (على سبيل المثال ، مكالمات الأزيز ومكالمات الأنين). ستكون فئة واحدة (ثمانية نماذج) بمثابة محفزات قياسية ، وستكون الفئة الأخرى (ثمانية نماذج) بمثابة محفزات غريبة أو منحرفة (الشكل 2 أ).
  3. لتوليد محفزات قياسية ومنحرفة بطول 1 ثانية مضمنة في الضوضاء عند مستويات مختلفة من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ، أضف ضوضاء بيضاء متساوية الطول إلى المكالمات (ضوضاء بوابة). يتراوح نطاق SNRs التي تم أخذ عينات منها في هذه التجربة بين -24 ديسيبل SNR و +40 ديسيبل SNR.
  4. باستخدام تصميم كتلة ، في كل جلسة تجريبية (~ 12 دقيقة) ، احصل على البيانات المقابلة لمستوى SNR واحد. في كل جلسة ، استخدم ثمانية نماذج لفئة نطق واحدة في SNR معين كمحفزات قياسية ، وثمانية نماذج لفئة النطق الأخرى في نفس مستوى SNR مثل المنبهات المنحرفة.
    ملاحظة: كتلة تجريبية نموذجية تستمر ~ 12 دقيقة. اعتمادا على سلوك الحيوان واعتياد استجابات التلميذ ، قد يكون من الممكن الحصول على بيانات لمدة 3-4 كتل كل يوم (~ 45 - 60 دقيقة). طوال هذه المدة ، راقب الحيوان عن كثب عبر فيديو التلميذ ، وتتبع الحركة ، وكذلك مباشرة بين الكتل.
  5. لكل جلسة ، قم بإعداد تسلسل عرض تحفيز شبه عشوائي يحتوي على محفزات قياسية >90٪ من الوقت. تأكد من أنه بين المحفزات المنحرفة ، هناك ما لا يقل عن 20 تجربة مع المحفزات القياسية (الشكل 2B).
    ملاحظة: اعتمادا على التجربة ، يمكن أن يعتمد ترتيب المنبهات المنحرفة داخل تسلسل عرض التحفيز تصميم مربع لاتيني لضمان أن كل حافز منحرف فريد يحتل موقعا تسلسليا فريدا في كل جلسة. وبالتالي ، يمكن أن يؤدي حساب المتوسط خلال جميع الجلسات إلى تقليل تأثير موضع التحفيز المنحرف ضمن تسلسل التحفيز العام.
  6. استخدم شدة تحفيز ثابتة (على سبيل المثال ، 85 ديسيبل SPL) لجميع عروض التحفيز.
    ملاحظة: استخدم محولا رقميا إلى تناظريا مناسبا لتوليد إشارة صوتية، وتخفيفها إلى مستوى الصوت المطلوب باستخدام مخفف قابل للبرمجة، وتضخيم الإشارة بالطاقة وتوصيل الإشارة باستخدام مكبر صوت تمت معايرته (على سبيل المثال، الأجهزة، انظر جدول المواد).
  7. قدم المحفزات بانتظام زمني مرتفع (1 ثانية من التحفيز متبوعا ب 3 ثوان من الصمت كما هو موضح في النتائج التمثيلية).
    ملاحظة: استجابات اتساع حدقة العين بطيئة ، وعادة ما تبلغ ذروتها حوالي 1 ثانية بعد بداية التحفيز وتستغرق حوالي 5 ثوان للعودة إلى خط الأساس49. يجب أن يكون معدل عرض التحفيز منخفضا بما يكفي لتفسير هذه الجداول الزمنية البطيئة. الانتظام الزمني مهم لأنه من الممكن أن يكون مقاطعة نمط التوقيت في حد ذاته بمثابة حافز منحرف.
  8. للحفاظ على تفاعل الحيوان مع المنبهات وتقليل التعود ، قم اختياريا بتوصيل نفخة هواء قصيرة (100 مللي ثانية) بعد التحفيز المنحرف. تأكد من فصل بداية نفخة الهواء بشكل كاف عن مدة التحفيز (2.5 ثانية من بداية التحفيز) بحيث تصل استجابات اتساع حدقة العين المستحثة بالتحفيز إلى ذروتها قبل أن تحدث نفخة الهواء المستحثة بطرف.
    ملاحظة: في النموذج الكلاسيكي غريب الأطوار ، لا يتم استخدام تعزيزات إيجابية أو سلبية. نظرا لاستخدام نفخة الهواء هنا كتعزيز مكروه بشكل معتدل للحفاظ على تفاعل الحيوان مع المنبهات السمعية ، يشار إلى النموذج على أنه نموذج غريب الأطوار معدل.

6. التحليل والإحصاءات

ملاحظة: تم إجراء جميع التحليلات باستخدام رمز مخصص مكتوب في MATLAB (متوفر في https://github.com/vatsunlab/GP_Pupil). تم وصف طريقتين رئيسيتين للتحليل ، والتي تتناول الموثوقية والمسار الزمني لاستجابات التلاميذ ، على التوالي. سيتم إملاء اختيار إحدى الطريقتين أو كليهما من خلال التصميم التجريبي.

  1. كشف الحركة واستبعاد المحاكمة
    1. باستخدام الكود pupil_avg_JOVE ، قم بإجراء اكتشاف الحركة واستبعاد التجربة لكل جلسة. للقيام بذلك ، قم بتشغيل الكود وحدد ملف البيانات من جلسة واحدة في مربع الحوار المنبثق.
    2. قم بإلغاء توجيه تتبع PD خطيا وتحويل الوحدات من الجهد إلى الميكرومتر باستخدام جدول المعايرة المشتق مسبقا (انظر الخطوة 3). أيضا ، قم بإلغاء اتجاه تتبع الحركة خطيا خلال جلسة التسجيل بأكملها (~ 12 دقيقة).
    3. افحص بيانات الجلسة عن طريق رسم تتبع التلميذ (الشكل 1B - الصف العلوي) وتتبع الحركة غير المتجه خطيا (الشكل 1B - الصف السفلي) خلال مدة الجلسة (~ 12 دقيقة) ، متراكبة على علامات التجربة.
    4. قياس الانحراف المعياري (SD) لتتبع الحركة. احصل على أوقات قمم تتبع الحركة باستخدام وظيفة findpeaks في MATLAB. ضع في اعتبارك القمم التي تجاوزت عتبة 5 SDs والتي تكون منفصلة عن القمم الأخرى بمقدار 1 ثانية على الأقل كحدث حركة49 (الشكل 1B - أسفل).
    5. تجاهل أي تجارب (قياسية ومنحرفة) لاتساع حدقة العين التي تحدث في غضون 7 ثوان من حدث الحركة. إذا تم تجاهل أكثر من نصف عدد التجارب المنحرفة بسبب اتساع حدقة العين المرتبط بالحركة ، فتجاهل الجلسة بأكملها وكررها.
  2. المعالجة المسبقة للبيانات والتصور
    1. استخدم الكود pupil_avg_JOVE صباحا ، لإزالة القطع الأثرية لوميض العين ، ومعالجة البيانات مسبقا ، والحصول على متوسط اتساع حدقة العين لكل حافز عبر الجلسات. للقيام بذلك ، قم بتشغيل الكود وحدد جميع ملفات البيانات المراد تحليلها في مربع الحوار المنبثق.
    2. كشف وميض العين (تغيرات PD تتجاوز 400 ميكرومتر / مللي ثانية) وإزالتها عن طريق الاستيفاء الخطي لتتبع PD في نافذة زمنية مدتها 200 مللي ثانية تتمركز في وقت الوميض المكتشف. تجاهل بيانات الجلسة إذا كان أكثر من نصف عدد التجارب المنحرفة تحتوي على غمضة عين بين بداية التحفيز وبداية نفخة الهواء.
    3. اختزال بيانات PD من معدل أخذ عينات الاستحواذ من 1000 هرتز إلى 10 هرتز.
    4. استخراج آثار PD في نافذة تبدأ 1 ثانية قبل بداية التحفيز وتستمر 5 ثوان بعد إزاحة التحفيز. احسب متوسط خط الأساس PD لكل حافز في نافذة 500 مللي ثانية قبل بداية التحفيز مباشرة. اطرح PD الأساسي من هذه الآثار للحصول على التغيير المستحث بالتحفيز في PD.
    5. متوسط تغيرات PD المستحثة بالتحفيز لكل حالة تحفيز عبر الجلسات داخل كل ، ثم عبر الحيوانات لتوليد متوسط استجابة اتساع حدقة العين لكل حالة تحفيز (على سبيل المثال ، الشكل 3 أ).
  3. تحليل منحنى النمو (GCA) لتحديد المسار الزمني لتغيرات PD
    ملاحظة: تحدد طريقة التحليل هذه الحجم والمسار الزمني لاستجابات اتساع حدقة العين وقد استخدمت في دراسات قياس الحدقة للمواضيع البشرية27،36،40 وكذلك في خنازير غينيا49.
    1. قم بتسلسل جميع المخرجات عموديا من الساعة pupil_avg_JOVE صباحا لجميع الجلسات والحيوانات و SNRs والتوهين لإنشاء مصفوفة تحتوي على الأعمدة التالية: معرف الحيوان ، SNR ، مستوى الصوت ، وقيم قطر التلميذ (1-50). باستخدام الكود pupil_LME_JOVE m ، قم بإجراء تحليل منحنى النمو (GCA)27,36,40,49.
    2. تناسب النماذج الخطية ذات التأثير المختلط مع الاعتراضات على مستوى الموضوع كتأثيرات عشوائية ، وكثيرات الحدود الزمنية المتعامدة التي تصل إلى الترتيب اثنين كتأثيرات ثابتة ، مع معاملة كل SNR منحرفة كمجموعة منفصلة ، إلى المرحلة الصاعدة لتتبع قطر التلميذ (0.1 إلى 2.1 ثانية بعد بداية التحفيز).
    3. قم بنمذجة المرحلة الصاعدة لتتبع التلميذ باستخدام الصيغة التالية36,49:
      اتساع نطاق التلميذ = (اعتراض + شرط) + وقت1 * (β مرة1 + β وقت1: شرط) + وقت2* (β وقت2+ βوقت2: شرط) + r (تقاطع المستوى الشخصي)
      حيث ، الوقت 1 والوقت 2 يتوافقان مع كثيرات الحدود الزمنية الخطية والتربيعية المتعامدة ، و βs تتوافق مع الأوزان.
    4. تقدير متوسط الأوزان (βs) وأخطائها المعيارية باستخدام دالة fitlme في MATLAB. تقدير الدلالة الإحصائية للأوزان باستخدام دالة coeftest.
    5. لكل SNR ، ارسم الأوزان المقابلة للحدود المتقاطعة والخطية والتربيعية لتصور النتائج (الشكل 3B ، C).
  4. تحليل التجارب التي تظهر توسعات ذات دلالة إحصائية في حدقة العين
    ملاحظة: تحدد طريقة التحليل هذه جزء التجارب المنحرفة التي لوحظت فيها استجابة توسع حدقة العين ذات دلالة إحصائية وتتوافق مع موثوقية استجابات توسع حدقة العين.
    1. اختر نافذة تحليل مناسبة (0.5-1 ثانية) تتمحور حول ذروة استجابة التلميذ (عادة ~ 1.5 ثانية بعد بداية التحفيز). احسب متوسط PD في نافذة التحليل هذه لجميع التجارب القياسية والمنحرفة.
    2. تحديد ما إذا كان متوسط بيانات الأداء لكل تجربة من التجارب المنحرفة أكبر من 2.33 خطأ معياري للتوزيع المجمع لمتوسط قيم بيانات الأداء للتجارب القياسية. عد التجارب المنحرفة التي تتجاوز هذه العتبة كتجارب تظهر توسعا كبيرا في حدقة العين.
    3. قسم عدد التجارب المنحرفة التي تظهر توسعا كبيرا في حدقة العين على العدد الإجمالي للتجارب المنحرفة (لكل حالة) لتحديد جزء التجارب التي تظهر زيادات ذات دلالة إحصائية في مرض باركنسون مقارنة بتجارب التحفيز القياسية.
    4. ضع كل النسبة المئوية للجلسة من التجارب مع تغييرات كبيرة في حدقة العين في كل خلية من صفيف الخلايا ، حيث يتم ترتيب الخلايا من نسبة الإشارة إلى الضوضاء الأدنى إلى الأعلى. باستخدام الكود pupil_threshold_estimate_JOVE m ، قم بتقدير عتبة تصنيف ضوضاء الاستدعاء.
    5. ارسم جزء التجارب التي تظهر زيادة ذات دلالة إحصائية في PD كدالة SNR (الشكل 3D). لهذه البيانات ، استخدم وظيفة fitnlm MATLAB (في صندوق أدوات الإحصاءات) لتناسب وظائف القياس النفسي للنموذج61:
      Ψ(x; α, β, λ) = (1 -λ) * F(x; α, β)
      حيث ، F هي دالة Weibull ، وتعرف بأنها
      F (x ؛ α ، β) = Equation 1، α هي معلمة الإزاحة ، β هي معلمة الميل ، و λ هي معدل الانقضاء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم إجراء قياس حدقة العين في ثلاثة أطباء عامين مصطبغين من الذكور ، ووزنهم ~ 600-1000 جم على مدار التجارب. كما هو موضح في هذا البروتوكول ، لتقدير عتبات تصنيف الاستدعاء في الضوضاء ، تم استخدام نموذج غريب الأطوار لعرض التحفيز. في نموذج الكرة الغريبة ، تم استخدام المكالمات التي تنتمي إلى فئة واحدة (الأنين) المضمنة في الضوضاء البيضاء عند نسبة الإشارة إلى الضوضاء كمحفزات قياسية (الشكل 2 أ) ، والمكالمات من فئة أخرى (wheeks) المضمنة في الضوضاء البيضاء في نفس نسبة الإشارة إلى الضوضاء (الشكل 2 أ) كمحفزات منحرفة. تم اختيار المحفزات القياسية والمنحرفة عشوائيا ، مع إعادة أخذ العينات ، من ثمانية نماذج من كل فئة. في كل جلسة تجريبية ، تم تقديم المحفزات بانتظام زمني مرتفع (الشكل 2 ب) ، مع ما لا يقل عن 20 عرضا للمنبهات القياسية بين المنبهات المنحرفة. تم الحصول على البيانات المقابلة لمستوى معين من SNR في كل جلسة تجريبية. عبر الجلسات ، تم أخذ عينات من SNRs النظيفة والصاخبة (-24 ، -18 ، -12 ، -6 ، -3 ، 0 ، 3 ، 6 ، 12 ، 40 ديسيبل SNR).

لم تختلف تغييرات PD في المحفزات القياسية اختلافا كبيرا عن خط الأساس (الخط الأزرق في الشكل 3A). أثارت المحفزات المنحرفة تغييرات قوية وأكبر بكثير في PD من تلك التي أثارتها المحفزات القياسية (الخطوط الرمادية في الشكل 3A) ، مما يعكس التمييز بين فئة النداء. كان حجم الاستجابة والنسبة المئوية للتجارب ذات الدلالة الإحصائية لاستجابات التلاميذ أعلى في أنظف نسبة SNR وانخفضت تدريجيا مع انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (الشكل 3 أ ، ب). باستخدام GCA ، وجد أن استجابات التلاميذ للمنبهات المنحرفة ذات دلالة إحصائية عند SNRs فوق -18 ديسيبل (الشكل 3C) ، والتي تم اعتبارها عتبة تصنيف النداء في الضوضاء (الخط الأخضر في الشكل 3 أ). كانت النسبة المئوية للتجارب المهمة في كل مستوى من مستويات SNR المختبرة مناسبة تماما من خلال وظيفة القياس النفسي (الشكل 3D). كان مستوى SNR اللازم للوصول إلى نصف الحد الأقصى لمنحنى القياس النفسي حوالي -20 ديسيبل SNR (الشكل 3D). من الناحية القصصية ، في هذه الحالة ، أسفرت المقاييس القائمة على الموثوقية والقائمة على الدورة الزمنية عن قيم مماثلة لعتبات تصنيف الاستدعاء في الضوضاء.

Figure 1
الشكل 1: إعداد قياس الحدقة ، وتغيرات PD المستحثة والمرتبطة بالحركة. (أ) إعداد قياس الحدقة مع صور إطار الفيديو لاتساع حدقة العين المستثار (أعلى). يظهر PD الأساسي بواسطة دوائر خضراء متقطعة. (ب) تتبع PD نموذجي (أعلى) وتتبع حركة نموذجي (أسفل) من جلسة تجريبية واحدة. تتوافق الخطوط السوداء العمودية مع عروض التحفيز المنحرفة في وقت البداية. تتوافق العلامات الحمراء مع أحداث الحركة المكتشفة تلقائيا. خط متقطع أفقي رمادي يتوافق مع عتبة 5 SD. (C) تغيرات PD (ΔPD) التي أثارها التحفيز المنحرف (أعلى) والمتعلقة بأحداث الحركة (أسفل) من جلسة تجريبية واحدة. تظهر بداية التحفيز بخط أسود عمودي. يظهر اكتشاف حدث الحركة بخط أحمر عمودي. لاحظ أن بداية اتساع حدقة العين تسبق بداية الحركة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: مخططات الطيف للمكالمات وهيكل نموذج تصنيف النداء في الضوضاء . (أ) مخططات طيفية تمثيلية لأنين خنزير غينيا وأزيزه ، في ظروف نظيفة وعند نسبة الإشارة إلى الضوضاء 0 و -18 ديسيبل ، على التوالي. تم الحصول على مكالمات صاخبة عن طريق إضافة ضوضاء بيضاء. (ب) هيكل نموذج الكرة الغريبة المستخدم لتقدير عتبات تصنيف النداء في الضوضاء. تم اختيار مكالمات الأنين بشكل عشوائي من ثمانية نماذج واستخدامها كمحفزات قياسية. تم اختيار مكالمات Wheek عشوائيا من ثمانية نماذج واستخدامها كمنحرفين. في كل جلسة تجريبية ، تمت إضافة الضوضاء على مستوى SNR مختلف (-24 ، -18 ، -12 ، -6 ، -3 ، 0 ، 3 ، 6 ، 12 ديسيبل SNR). المكالمات طويلة 1 ثانية والوقت بين المحفزات 3 ثوان. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: تقديرات قياس الحدقة لاكتشافات الاستدعاء في الضوضاء وعتبات التصنيف. أ: متوسط استجابات التلاميذ من ثلاثة. يتم تمثيل متوسط استجابات التلميذ لمحفزات الأنين القياسية بخط أزرق ، ويتوافق التظليل مع ±1 خطأ معياري للمتوسط (s.e.m.). تتوافق الخطوط الرمادية والتظليل مع المتوسط و ±1 s.e.m. من استجابات التلميذ التي أثارتها محفزات الأزيز المنحرفة. تتوافق شدة التظليل الرمادي مع SNR. يتوافق الخط الأخضر والتظليل مع متوسط تتبع التلميذ عند عتبة SNR (حوالي -18 ديسيبل SNR). الخط العمودي الأحمر يتوافق مع بداية التحفيز ؛ الخط العمودي البرتقالي يتوافق مع بداية نفخة الهواء ؛ تتوافق الخطوط المتقطعة البط البري مع نافذة GCA (PD يغير مرحلة الارتفاع). (ب) ملاءمة GCA للمرحلة الصاعدة لتغييرات PD. النقاط هي متوسط قطر التلميذ في صناديق الوقت 100 مللي ثانية ، والشعيرات تتوافق مع ±1 s.e.m. تتوافق الخطوط الصلبة مع ملاءمة نموذج التأثيرات المختلطة. ألوان الخط كما في تقديرات وزن GCA (C). أوزان الاعتراض باللون الأزرق ، والميل باللون الأحمر ، والتسارع باللون الأرجواني. شعيرات تتوافق مع ±1 s.e.m. تظهر العلامات النجمية أوزان انحدار ذات دلالة إحصائية (اختبار الفرضيات الخطية على معاملات نموذج الانحدار الخطي). (د) تتناسب الدالة السيكومترية مع النسبة المئوية للتجارب التي حدثت تغيرات كبيرة في مرض باركنسون التي يثيرها المثير المنحرف كدالة لنسبة الإشارة إلى التباين البيني. شعيرات تتوافق مع ±1 s.e.m. لاحظ أنه يتم الوصول إلى 50٪ من الحد الأقصى عند حوالي -20 ديسيبل SNR (خط متقطع أخضر). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

يوضح هذا البروتوكول استخدام قياس الحدقة كطريقة غير جراحية وموثوقة لتقدير العتبات السمعية في الحيوانات التي تستمع بشكل سلبي. باتباع البروتوكول الموضح هنا ، تم تقدير عتبات تصنيف الاستدعاء في الضوضاء في الممارسين العامين العاديين. تم العثور على العتبات المقدرة باستخدام قياس الحدقة لتكون متسقة مع تلك التي تم الحصول عليها باستخدام التدريب الفعال62. ومع ذلك ، مقارنة بالتدريب الفعال ، كان بروتوكول قياس الحدقة واضحا نسبيا وسريعا في إعداد البيانات والحصول عليها. استغرقت كل جلسة اكتساب بيانات (لكل مستوى SNR) حوالي 12 دقيقة ، مما أدى إلى 1-2 ساعة من الجلسات التجريبية (عبر مستويات SNR) لكل في اليوم49. يمكن إكمال الحصول على البيانات في حوالي 7-10 أيام (اعتمادا على عدد مستويات SNR المستخدمة). على الرغم من استخدام نموذج الكرة الغريبة لتقدير عتبة تصنيف الاستدعاء في الضوضاء في هذه المخطوطة ، يمكن تكييف بروتوكول قياس الحدقة هذا مع إصدارات أسهل من نماذج الكرة الغريبة ، حيث يتم استخدام نموذج استدعاء واحد فقط ، أو لنماذج تحفيز أخرى باستخدام مجموعة واسعة من المحفزات المعقدة أو البسيطة49.

الطريقة لا تخلو من العيوب. أولا ، يتطلب البروتوكول الحالي زرع عمود رأس لإصلاح الرأس أثناء هذه التجارب. جراحة ما بعد زرع الرأس والانتعاش ستضيف ما لا يقل عن 2 أسابيع إلى الجدول الزمني للبروتوكول التجريبي. من الممكن تجنب هذه الخطوة باستخدام طرق أخرى لشل حركة الحيوانات المستيقظة بشكل غير جراحي أثناء التجارب - على سبيل المثال ، باستخدام خوذات مطبوعة 3D مخصصة63 أو لدائن حرارية قابلة للتشوه64. من الضروري إجراء المزيد من التجارب لاستكشاف هذه الحلول. ثانيا ، يمكن للحيوانات أن تعتاد بسرعة على المنبهات المنحرفة أيضا ، مما يؤدي إلى تقليل استجابات اتساع حدقة العين على مدار الجلسة التجريبية. يمكن تقليل هذا التأثير عن طريق تقييد الجلسات التجريبية لفترات قصيرة (~ 12 دقيقة) وتقديم عدد محدود فقط (8) من المحفزات المنحرفة. علاوة على ذلك ، يمكن أن تضمن نفخة الهواء التي يتم تسليمها بعد المنبهات المنحرفة بقاء الحيوانات منخرطة في المنبهات السمعية. ثالثا ، بسبب هذا التعود السريع ، قد تكون هناك حاجة إلى عدة أيام لإكمال الحصول على البيانات. من خلال اختبار قيم SNR فقط التي تأخذ عينات كثيفة من الأجزاء الأكثر انحدارا من المنحنى النفسي ، يمكن تقليل العدد الإجمالي للأيام التجريبية. رابعا ، قد لا تبقى الحيوانات ثابتة أثناء التجارب ، أو ترمش بشكل مفرط أو تغلق أعينها أثناء التجارب. هذه العوامل هي دالة للأنواع والتأقلم وتظهر درجة عالية من التباين الفردي. الممارسون العامون سهل الانقياد بشكل طبيعي ، ومن خلال التأقلم جيدا مع الإعداد التجريبي ، يمكن تقليل القطع الأثرية للحركة والوميض. عادة ما تكون الوميضات والأكياس العفوية نادرة جدا في خنازيرغينيا 49 ، ولكن هذا قد يكون دالة للأنواع أيضا. أخيرا ، كما ذكرنا سابقا ، ارتبطت ديناميكيات التلميذ لدى البشر بعدد من الاضطرابات العصبية والنفسية. بينما يفترض أن التجارب المستخدمة هنا هي النمط العصبي ، يجب وضع هذا التحذير في الاعتبار أثناء تفسير النتائج.

في حين يتم وصف أحد تطبيقات الأجهزة لقياس الحدقة هنا (باستخدام جهاز تعقب العين المتاح تجاريا ونظام الحصول على البيانات العصبية) ، فإن المعدات المطلوبة باهظة الثمن وليست اقتصادية لتوسيع نطاقها. ومع ذلك ، تتوفر حلول مخصصة أخرى تستند إلى نفس المبدأ الأساسي لتتبع العين القائم على الأشعة تحت الحمراء والتي تكون أكثر فعالية من حيث التكلفة. على سبيل المثال ، استخدمت إحدى الدراسات مكونات مخصصة وخوارزميات معالجة فيديو مخصصة لاستخراج قطر التلميذ من الفيديو المسجل22,25. خوارزميات التعلم العميق المطورة حديثا قادرة أيضا على استخراج قطر التلميذ من بيانات الفيديو65,66. يمكن لهذه الحلول أن تخفض تكلفة منصات قياس الحدقة إلى أكثر من النصف. المفاضلة هنا هي بين النفقات والوقت - في حين أن الحلول التجارية أكثر تكلفة ، فهي حلول جاهزة يمكن استخدامها خارج الصندوق. من ناحية أخرى ، فإن الحلول المخصصة فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير ، ولكنها تتطلب خبرة لإعدادها ، والوقت اللازم لتطوير خطوط أنابيب التحليل المخصصة.

على الرغم من أن البروتوكول المفصل هنا تم إجراؤه في الممارسين العامين العاديين ، إلا أن قياس الحدقة يمكن أن يكون سهل الاستخدام نسبيا في النماذج الحيوانية الأخرى لضعف السمع مع التغييرات المناسبة لنوع التحفيز والمعلمات. وهذا من شأنه أن يسمح بتوصيف آثار فقدان السمع عبر مجموعة من أنواع وأنواع التحفيز ، والتي يمكن أن تسفر عن ملاحظات جديدة. نظرا لأن قياس الحدقة هو تقنية غير جراحية تم استخدامها أيضا على نطاق واسع في البشر ، باستخدام نفس المحفزات المستخدمة في الحيوانات ، يمكن استخدام قياس الحدقة لمقارنة تأثيرات الأمراض السمعية المختلفة عبر الأنواع. على سبيل المثال ، أظهر تحليل تلوي حديث في البشر أن أوجه القصور في إدراك الكلام في الضوضاء الناشئة عن التعرض المعتدل للضوضاء يمكن ملاحظتها بشكل أفضل عند استخدام محفزات معقدة ومتغيرة زمنيا67. يمكن استخدام تقدير عتبات تصنيف الاستدعاء في الضوضاء بواسطة قياس الحدقة الموضح هنا كإحدى هذه المهام باستخدام المحفزات المعقدة لتقييم آثار التعرض للضوضاء في الأطباء العامين. إن تقييم السمع على المستوى السلوكي باستخدام هذه الأساليب من شأنه أن يكمل الأساليب الفيزيولوجية الكهربية والتشريحية ويمكن أن يكون جزءا من مجموعة الأدوات القياسية لتقييم مختلف اضطرابات السمع المعروفة.

في الختام ، النقاط التالية حاسمة لنجاح الحصول على بيانات قياس الحدقة . أولا ، لضمان إنتاجية عالية للبيانات ، من الأهمية بمكان تعريف الحيوانات جيدا بالإعداد التجريبي. قد يؤدي قلة الصبر في هذه الخطوة إلى تدهور جودة البيانات التي يتم الحصول عليها في النهاية أو يستلزم تكرار عدة جلسات للتعويض عن الجلسات المفقودة. ثانيا، لتجنب تغيرات PD المرتبطة بالإضاءة، من المهم إجراء تجارب في ظروف إضاءة ثابتة، والحفاظ على هذه الظروف بين الجلسات والموضوعات قدر الإمكان. ثالثا ، لتقليل عدد الجلسات التجريبية اللازمة ، من المهم إجراء تجارب تجريبية لتحديد نطاقات المعلمات الحرجة لأخذ العينات الكثيفة. رابعا ، لتقليل تعود الحيوانات على المنبهات ، من المهم إجراء تجارب في جلسات قصيرة تحتوي فقط على عدد قليل من العروض التقديمية للمنبهات المنحرفة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام نفخة الهواء للحفاظ على تفاعل عال مع المنبهات السمعية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للكشف عنه.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R01DC017141) ، ومؤسسة بنسلفانيا ليونز لأبحاث السمع ، وأموال من أقسام طب الأنف والأذن والحنجرة وعلم الأعصاب ، جامعة بيتسبرغ.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Analog output board Measurement Computing Corporation, Norton, MA PCI-DDA02/12
Anechoic foam Sonex One, Pinta Acoustic, Minneapolis, MN
Condenser microphone Behringer, Willich, Germany C-2
Free-field microphone Bruel & Kjaer, Denmark)  Type 4940 
Matlab Mathworks, Inc., Natick, MA 2018a version
Monocular remote camera and illuminator system Arrington Research, Scottsdale, AZ MCU902 Infrared LED array + camera with infrared filter
Multifunction I/O Device  National Instruments, Austin, TX PCI-6229
Neural interface processor Ripple Neuro, Salt Lake City, UT SCOUT
Piezoelectric motion sensor SparkFun Electronics, Niwot, CO SEN-10293
Pinch valve  Cole-Palmer Instrument Co., Vernon Hills, IL EW98302-02
Programmable attenuator Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL PA5
Silicon Tubing Cole-Parmer ~3 mm
Sound attenuating chamber IAC Acoustics
Speaker full-range driver Tang Band Speaker, Taipei, Taiwan W4-1879
Stereo Amplifier Tucker-Davis Technologies, Alachua, FL SA1
Tabletop - CleanTop Optical TMC vibration control / Ametek, Peabody, MA
Viewpoint software ViewPoint, Arrington Research, Scottsdale, AZ

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Strauch, C., Wang, C. A., Einhäuser, W., Vander Stigchel, S., Naber, M. Pupillometry as an integrated readout of distinct attentional networks. Trends in Neurosciences. 45 (8), 635-647 (2022).
  3. Turnbull, P. R., Irani, N., Lim, N., Phillips, J. R. Origins of Pupillary Hippus in the autonomic nervous system. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 58 (1), 197-203 (2017).
  4. Bradley, M. M., Miccoli, L., Escrig, M. A., Lang, P. J. The pupil as a measure of emotional arousal and autonomic activation. Psychophysiology. 45 (4), 602-607 (2008).
  5. Oliva, M., Anikin, A. Pupil dilation reflects the time course of emotion recognition in human vocalizations. Scientific Reports. 8 (1), 4871 (2018).
  6. Privitera, C. M., Renninger, L. W., Carney, T., Klein, S., Aguilar, M. Pupil dilation during visual target detection. Journal of Vision. 10 (10), 3 (2010).
  7. Zekveld, A. A., Koelewijn, T., Kramer, S. E. The pupil dilation response to auditory stimuli: Current state of knowledge. Trends in Hearing. 22, 2331216518777174 (2018).
  8. Alamia, A., VanRullen, R., Pasqualotto, E., Mouraux, A., Zenon, A. Pupil-linked arousal responds to unconscious surprisal. The Journal of Neuroscience. 39 (27), 5369-5376 (2019).
  9. Wang, C. A., et al. Arousal effects on pupil size, heart rate, and skin conductance in an emotional face task. Frontiers in Neurology. 9, 1029 (2018).
  10. Hess, E. H., Polt, J. M. Pupil size in relation to mental activity during simple problem-solving. Science. 143 (3611), 1190-1192 (1964).
  11. Kahneman, D., Beatty, J. Pupil diameter and load on memory. Science. 154 (3756), 1583-1585 (1966).
  12. Lisi, M., Bonato, M., Zorzi, M. Pupil dilation reveals top-down attentional load during spatial monitoring. Biological Psychology. 112, 39-45 (2015).
  13. Zhao, S., Bury, G., Milne, A., Chait, M. Pupillometry as an objective measure of sustained attention in young and older listeners. Trends in Hearing. 23, 2331216519887815 (2019).
  14. Steinhauer, S. R., Hakerem, G. The pupillary response in cognitive psychophysiology and schizophrenia. Annals of the New York Academy of Sciences. 658, 182-204 (1992).
  15. Thakkar, K. N., et al. Reduced pupil dilation during action preparation in schizophrenia. International Journal of Psychophysiology. 128, 111-118 (2018).
  16. Bitsios, P., Szabadi, E., Bradshaw, C. M. Relationship of the 'fear-inhibited light reflex' to the level of state/trait anxiety in healthy subjects. International Journal of Psychophysiology. 43 (2), 177-184 (2002).
  17. Burkhouse, K. L., Siegle, G. J., Gibb, B. E. Pupillary reactivity to emotional stimuli in children of depressed and anxious mothers. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 55 (9), 1009-1016 (2014).
  18. Nagai, M., Wada, M., Sunaga, N. Trait anxiety affects the pupillary light reflex in college students. Neuroscience Letters. 328 (1), 68-70 (2002).
  19. Giza, E., Fotiou, D., Bostantjopoulou, S., Katsarou, Z., Karlovasitou, A. Pupil light reflex in Parkinson's disease: evaluation with pupillometry. International Journal of Neuroscience. 121 (1), 37-43 (2011).
  20. You, S., Hong, J. H., Yoo, J. Analysis of pupillometer results according to disease stage in patients with Parkinson's disease. Scientific Reports. 11 (1), 17880 (2021).
  21. Fountoulakis, K. N., St Kaprinis, G., Fotiou, F. Is there a role for pupillometry in the diagnostic approach of Alzheimer's disease? a review of the data. Journal of the American Geriatrics Society. 52 (1), 166-168 (2004).
  22. McGinley, M. J., David, S. V., McCormick, D. A. Cortical membrane potential signature of optimal states for sensory signal detection. Neuron. 87 (1), 179-192 (2015).
  23. McGinley, M. J., et al. Waking state: Rapid variations modulate neural and behavioral responses. Neuron. 87 (6), 1143-1161 (2015).
  24. Schwartz, Z. P., Buran, B. N., David, S. V. Pupil-associated states modulate excitability but not stimulus selectivity in primary auditory cortex. Journal of Neurophysiology. 123 (1), 191-208 (2020).
  25. Vinck, M., Batista-Brito, R., Knoblich, U., Cardin, J. A. Arousal and locomotion make distinct contributions to cortical activity patterns and visual encoding. Neuron. 86 (3), 740-754 (2015).
  26. Yüzgeç, Ö, Prsa, M., Zimmermann, R., Huber, D. Pupil size coupling to cortical states protects the stability of deep sleep via parasympathetic modulation. Current Biology. 28 (3), 392-400 (2018).
  27. Kuchinsky, S. E., et al. Pupil size varies with word listening and response selection difficulty in older adults with hearing loss. Psychophysiology. 50 (1), 23-34 (2013).
  28. Winn, M. B., Wendt, D., Koelewijn, T., Kuchinsky, S. E. Best practices and advice for using pupillometry to measure listening effort: An introduction for those who want to get started. Trends in Hearing. 22, 2331216518800869 (2018).
  29. Zekveld, A. A., Kramer, S. E. Cognitive processing load across a wide range of listening conditions: insights from pupillometry. Psychophysiology. 51 (3), 277-284 (2014).
  30. Zekveld, A. A., Kramer, S. E., Festen, J. M. Cognitive load during speech perception in noise: the influence of age, hearing loss, and cognition on the pupil response. Ear and Hearing. 32 (4), 498-510 (2011).
  31. Koelewijn, T., Zekveld, A. A., Festen, J. M., Kramer, S. E. Pupil dilation uncovers extra listening effort in the presence of a single-talker masker. Ear and Hearing. 33 (2), 291-300 (2012).
  32. McCloy, D. R., Lau, B. K., Larson, E., Pratt, K. A. I., Lee, A. K. C. Pupillometry shows the effort of auditory attention switching. The Journal of the Acoustical Society of America. 141 (4), 2440 (2017).
  33. Piquado, T., Isaacowitz, D., Wingfield, A. Pupillometry as a measure of cognitive effort in younger and older adults. Psychophysiology. 47 (3), 560-569 (2010).
  34. Reilly, J., Kelly, A., Kim, S. H., Jett, S., Zuckerman, B. The human task-evoked pupillary response function is linear: Implications for baseline response scaling in pupillometry. Behavior Research Methods. 51 (2), 865-878 (2019).
  35. Zekveld, A. A., Kramer, S. E., Festen, J. M. Pupil response as an indication of effortful listening: the influence of sentence intelligibility. Ear and Hearing. 31 (4), 480-490 (2010).
  36. Winn, M. B., Edwards, J. R., Litovsky, R. Y. The impact of auditory Spectral Resolution on Listening Effort Revealed by Pupil Dilation. Ear and Hearing. 36 (4), 153-165 (2015).
  37. Ayasse, N. D., Wingfield, A. A Tipping point in listening effort: Effects of linguistic complexity and age-related hearing loss on sentence comprehension. Trends in Hearing. 22, 2331216518790907 (2018).
  38. Koelewijn, T., Versfeld, N. J., Kramer, S. E. Effects of attention on the speech reception threshold and pupil response of people with impaired and normal hearing. Hearing Research. 354, 56-63 (2017).
  39. Kramer, S. E., Kapteyn, T. S., Festen, J. M., Kuik, D. J. Assessing aspects of auditory handicap by means of pupil dilatation. Audiology. 36 (3), 155-164 (1997).
  40. Kuchinsky, S. E., et al. Speech-perception training for older adults with hearing loss impacts word recognition and effort. Psychophysiology. 51 (10), 1046-1057 (2014).
  41. Wendt, D., Hietkamp, R. K., Lunner, T. Impact of noise and noise reduction on processing effort: A pupillometry study. Ear and Hearing. 38 (6), 690-700 (2017).
  42. Winn, M. B. Rapid release from listening effort resulting from semantic context, and effects of spectral degradation and cochlear implants. Trends in Hearing. 20, 2331216516669723 (2016).
  43. Winn, M. B., Moore, A. N. Pupillometry reveals that context benefit in speech perception can be disrupted by later-occurring sounds, especially in listeners with Cochlear implants. Trends in Hearing. 22, 2331216518808962 (2018).
  44. Selezneva, E., Brosch, M., Rathi, S., Vighneshvel, T., Wetzel, N. Comparison of pupil dilation responses to unexpected sounds in monkeys and humans. Frontiers in Psychology. 12, 754604 (2021).
  45. Wetzel, N., Buttelmann, D., Schieler, A., Widmann, A. Infant and adult pupil dilation in response to unexpected sounds. Developmental Psychobiology. 58 (3), 382-392 (2016).
  46. Sokolov, E. N. Higher nervous functions; the orienting reflex. Annual Review of Physiology. 25, 545-580 (1963).
  47. Bala, A. D., Takahashi, T. T. Pupillary dilation response as an indicator of auditory discrimination in the barn owl. Journal of Comparative Physiology A. 186 (5), 425-434 (2000).
  48. Bala, A. D. S., Whitchurch, E. A., Takahashi, T. T. Human auditory detection and discrimination measured with the pupil dilation Response. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 21 (1), 43-59 (2020).
  49. Montes-Lourido, P., Kar, M., Kumbam, I., Sadagopan, S. Pupillometry as a reliable metric of auditory detection and discrimination across diverse stimulus paradigms in animal models. Scientific Reports. 11 (1), 3108 (2021).
  50. Coomber, B., et al. Neural changes accompanying tinnitus following unilateral acoustic trauma in the guinea pig. European Journal of Neuroscience. 40 (2), 2427-2441 (2014).
  51. Fan, L., et al. Pre-exposure to lower-level noise mitigates cochlear synaptic loss induced by high-level noise. Frontiers in Systems Neuroscience. 14, 25 (2020).
  52. Furman, A. C., Kujawa, S. G., Liberman, M. C. Noise-induced cochlear neuropathy is selective for fibers with low spontaneous rates. Journal of Neurophysiology. 110 (3), 577-586 (2013).
  53. Hickman, T. T., Hashimoto, K., Liberman, L. D., Liberman, M. C. Synaptic migration and reorganization after noise exposure suggests regeneration in a mature mammalian cochlea. Scientific Reports. 10 (1), 19945 (2020).
  54. Huetz, C., Guedin, M., Edeline, J. M. Neural correlates of moderate hearing loss: time course of response changes in the primary auditory cortex of awake guinea-pigs. Frontiers in Systems Neuroscience. 8, 65 (2014).
  55. Lin, H. W., Furman, A. C., Kujawa, S. G., Liberman, M. C. Primary neural degeneration in the Guinea pig cochlea after reversible noise-induced threshold shift. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 12 (5), 605-616 (2011).
  56. Shi, L., et al. Ribbon synapse plasticity in the cochleae of Guinea pigs after noise-induced silent damage. PLoS One. 8 (12), 81566 (2013).
  57. Naert, G., Pasdelou, M. P., Le Prell, C. G. Use of the guinea pig in studies on the development and prevention of acquired sensorineural hearing loss, with an emphasis on noise. The Journal of the Acoustical Society of America. 146 (5), 3743 (2019).
  58. Montes-Lourido, P., Kar, M., Pernia, M., Parida, S., Sadagopan, S. Updates to the guinea pig animal model for in-vivo auditory neuroscience in the low frequency regime. Hearing Research. 424, 108603 (2022).
  59. Gao, L., Wang, X. Intracellular neuronal recording in awake nonhuman primates. Nature Protocols. 15 (11), 3615-3631 (2020).
  60. Lu, T., Liang, L., Wang, X. Neural representations of temporally asymmetric stimuli in the auditory cortex of awake primates. Journal of Neurophysiology. 85 (6), 2364-2380 (2001).
  61. Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: I. Fitting, sampling, and goodness of fit. Perception & psychophysics. 63 (8), 1293-1313 (2001).
  62. Kar, M., et al. Vocalization categorization behavior explained by a feature-based auditory categorization model. bioRxiv. , 483596 (2022).
  63. Schaeffer, D. J., Liu, C., Silva, A. C., Everling, S. Magnetic resonance imaging of marmoset monkeys. ILAR Journal. 61 (2-3), 274-285 (2020).
  64. Drucker, C. B., Carlson, M. L., Toda, K., DeWind, N. K., Platt, M. L. Non-invasive primate head restraint using thermoplastic masks. Journal of Neuroscience Methods. 253, 90-100 (2015).
  65. Meyer, A. F., O'Keefe, J., Poort, J. Two distinct types of eye-head coupling in freely moving mice. Current Biology. 30 (11), 2116-2130 (2020).
  66. Nath, T., et al. Using DeepLabCut for 3D markerless pose estimation across species and behaviors. Nature Protocols. 14 (7), 2152-2176 (2019).
  67. DiNino, M., Holt, L. L., Shinn-Cunningham, B. G. Cutting through the noise: Noise-Induced cochlear synaptopathy and individual differences in speech understanding among listeners with normal audiograms. Ear and Hearing. 43 (1), 9-22 (2022).

Tags

علم الأعصاب ، العدد 191 ،
قياس الحدقة لتقييم الإحساس السمعي في خنازير غينيا
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pernia, M., Kar, M., Montes-Lourido, … More

Pernia, M., Kar, M., Montes-Lourido, P., Sadagopan, S. Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs. J. Vis. Exp. (191), e64581, doi:10.3791/64581 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter