Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

אישונים להערכת תחושה שמיעתית בשרקנים

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

פיפילומטריה, טכניקה פשוטה ולא פולשנית, מוצעת כשיטה לקביעת ספי שמיעה ברעש בבעלי חיים שומעים רגילים ובמודלים של בעלי חיים של פתולוגיות שמיעתיות שונות.

Abstract

חשיפה לרעש היא גורם מוביל לאובדן שמיעה תחושתי-עצבי. מודלים של בעלי חיים של ליקוי שמיעה כתוצאה מרעש יצרו תובנה מכניסטית לגבי הפתולוגיות האנטומיות והפיזיולוגיות הבסיסיות של אובדן שמיעה. עם זאת, הקשר בין ליקויים התנהגותיים שנצפו בבני אדם עם ליקוי שמיעה לבין ליקויים התנהגותיים במודלים של בעלי חיים נותר מאתגר. כאן, אישונים מוצע כשיטה שתאפשר השוואה ישירה של נתוני התנהגות של בעלי חיים ובני אדם. השיטה מבוססת על פרדיגמת מוזרות שונה - הרגלת הנושא להצגה חוזרת ונשנית של גירוי והצגה לסירוגין של גירוי סוטה השונה באופן פרמטרי כלשהו מהגירוי החוזר. הנחת היסוד היא שאם השינוי בין הגירוי החוזר לסוטה מזוהה על ידי הנבדק, הוא יעורר תגובת התרחבות אישונים גדולה יותר מזו שמעורר הגירוי החוזר. גישה זו מודגמת באמצעות מטלת סיווג קול בשרקנים, מודל בעל חיים הנמצא בשימוש נרחב במחקר שמיעתי, כולל במחקרי ליקוי שמיעה. על ידי הצגת קולות מקטגוריית קול אחת כגירויים סטנדרטיים וקטגוריה שנייה כגירויים אי-זוגיים המוטבעים ברעש ביחסי אות לרעש שונים, הוכח כי גודל התרחבות האישונים בתגובה לקטגוריית ה-oddball משתנה באופן מונוטוני עם יחס האות לרעש. לאחר מכן ניתן להשתמש בניתוחי עקומות גדילה כדי לאפיין את מהלך הזמן ואת המובהקות הסטטיסטית של תגובות התרחבות האישונים הללו. בפרוטוקול זה מתוארים נהלים מפורטים להסתגלות שרקנים להתקנה, ביצוע אישונים והערכה/ניתוח נתונים. למרות שטכניקה זו מודגמת בשרקנים בעלי שמיעה תקינה בפרוטוקול זה, ניתן להשתמש בשיטה כדי להעריך את ההשפעות החושיות של צורות שונות של ליקוי שמיעה בכל נבדק. השפעות אלה עשויות להיות מתואמות עם אמצעים אלקטרופיזיולוגיים במקביל ותצפיות אנטומיות פוסט-הוק.

Introduction

קוטר האישון (PD) יכול להיות מושפע ממספר רב של גורמים, והמדידה של PD המשתנה עם הזמן ידועה בשם אישונים. מחלת פרקינסון נשלטת על ידי שריר הסוגר הקשתית (המעורב בהתכווצות) ושריר מרחיב הקשתית (המעורב בהתרחבות). שריר ההתכווצות עצבני על ידי המערכת הפאראסימפתטית וכולל הקרנות כולינרגיות, בעוד שמרחיב הקשתית עצבני על ידי המערכת הסימפתטית הכוללת הקרנות נוראדרנרגיות וכולינרגיות 1,2,3. הגירוי הידוע ביותר לגרימת שינויים בפרקינסון הוא התכווצות הארה ותגובות התרחבות של האישון יכולות להיווצר על ידי שינויים בעוצמת האור הסביבתי2. PD משתנה גם כפונקציה של מרחק מוקד2. עם זאת, ידוע מזה עשרות שנים כי PD מראה גם תנודות שאינן קשורות להארה 4,5,6,7. לדוגמה, שינויים במצבים מנטליים פנימיים יכולים לעורר שינויים חולפים בפרקינסון. האישון מתרחב בתגובה לגירויים טעונים רגשית או עולה עם עוררות 4,5,8,9. הרחבת אישונים יכולה להיות קשורה גם למנגנונים קוגניטיביים אחרים, כגון מאמץ מנטלי מוגבר או תשומת לב10,11,12,13. בגלל הקשר הזה בין שינויים בגודל האישונים לבין מצבים נפשיים, שינויים בפרקינסון נחקרו כסמן להפרעות קליניות כגון סכיזופרניה 14,15, חרדה 16,17,18, מחלת פרקינסון 19,20 ואלצהיימר 21 בין היתר., אצל בעלי חיים, שינויים בפרקינסון עוקבים אחר מצבים התנהגותיים פנימיים ומתואמים עם רמות הפעילות העצבית באזורים בקליפת המוח22,23,24,25. קוטר האישון הוכח גם כאינדיקטור אמין למצב השינה בעכברים26. שינויים אלה הקשורים לעוררות ולמצב הפנימי מתרחשים בדרך כלל בסקאלות זמן ארוכות בסדר גודל של כמה עשרות שניות.

בתחום חקר השמיעה, בשמיעה תקינה כמו גם בנבדקים לקויי שמיעה, מאמץ ההאזנה והתפיסה השמיעתית הוערכו באמצעות אישונים. מחקרים אלה כוללים בדרך כלל נבדקי מחקר מאומנים27,28,29,30 המבצעים סוגים שונים של משימות זיהוי או זיהוי. בגלל הקשר הנ"ל בין עוררות ופרקינסון, מעורבות מוגברת במשימות ומאמץ הקשבה נמצאו בקורלציה עם תגובות מוגברות להרחבת אישונים 30,31,32,33,34,35. לפיכך, נעשה שימוש באישונים כדי להראות כי מאמץ האזנה מוגבר מושקע כדי לזהות דיבור פגום ספקטרלית אצל מאזינים בעלי שמיעה רגילה29,36. בקרב מאזינים לקויי שמיעה, כגון בני אדם עם ליקוי שמיעה הקשור לגיל 27,30,37,38,39,40,41 ומשתמשי שתל שבלול 42,43, תגובות האישונים גדלו גם הן עם ירידה בהבנת הדיבור; עם זאת, מאזינים לקויי שמיעה הראו התרחבות אישונים גדולה יותר בתנאי האזנה קלים יותר בהשוואה לנבדקי שמיעה רגילים 27,30,37,38,39,40,41,42,43. אבל ניסויים הדורשים מהמאזין לבצע משימת זיהוי אינם תמיד אפשריים - למשל, אצל תינוקות, או בכמה מודלים של בעלי חיים. לפיכך, תגובות אישונים שאינן קשורות להארה המתעוררות על ידי גירויים אקוסטיים יכולות להיות שיטה חלופית בת קיימא להערכת זיהוי שמיעתי במקרים אלה44,45. מחקרים קודמים הדגימו הרחבת אישון חולפת וקשורה לגירוי כחלק מרפלקס הכיוון46. מחקרים מאוחרים יותר הדגימו שימוש בהתרחבות אישונים הקשורה לגירוי כדי לגזור עקומות רגישות לתדר אצל ינשופים47,48. לאחרונה הותאמו שיטות אלה להערכת רגישות תגובת הרחבת האישונים בתינוקות אנושיים48. בדיקת אישונים הוכחה כגישה אמינה ולא פולשנית להערכת ספי זיהוי והבחנה שמיעתיים בשפני ניסיונות (GPs) בהאזנה פסיבית באמצעות מגוון רחב של גירויים פשוטים (צלילים) ומורכבים (קולות GP)49. שינויים אלה הקשורים לגירוי PD מתרחשים בדרך כלל בסקאלות זמן מהירות יותר בסדר גודל של מספר שניות וקשורים לתזמון הגירוי. כאן, אישונים של שינויים הקשורים לגירוי PD מוצע כשיטה לחקר השפעות התנהגותיות של סוגים שונים של ליקויי שמיעה במודלים של בעלי חיים. בפרט, פרוטוקולים pupillometry לשימוש GPs, מודל מבוסס היטב של בעלי חיים של סוגים שונים של פתולוגיות שמיעתיות 50,51,52,53,54,55,56 (ראה גם הפניה 57 לסקירה מקיפה) מתואר.

למרות שטכניקה זו מודגמת אצל רופאי משפחה בעלי שמיעה רגילה, ניתן להתאים שיטות אלה בקלות למודלים אחרים של בעלי חיים ולמודלים של בעלי חיים של פתולוגיות שמיעתיות שונות. חשוב לציין, ניתן לשלב אישונים עם מדידות לא פולשניות אחרות כגון EEG, כמו גם עם רישומים אלקטרופיזיולוגיים פולשניים על מנת לחקור את המנגנונים העומדים בבסיס זיהוי קול אפשרי וליקויים בתפיסה. לבסוף, גישה זו יכולה לשמש גם כדי ליצור קווי דמיון רחבים בין מודלים של בני אדם ובעלי חיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

עבור כל הליכי הניסוי, יש לקבל אישור מהוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) ולדבוק בהנחיות NIH לטיפול ושימוש בחיות מעבדה. בארצות הברית של אמריקה, רופאי משפחה כפופים בנוסף לתקנות משרד החקלאות של ארצות הברית (USDA). כל הנהלים בפרוטוקול זה אושרו על ידי IACUC של אוניברסיטת פיטסבורג ועמדו בהנחיות NIH לטיפול ושימוש בחיות מעבדה. לניסוי זה נעשה שימוש בשלושה רופאי משפחה זכרים בעלי פיגמנטציה בגילאי 4 עד 10 חודשים, במשקל ~600-1,000 גרם.

1. הליך כירורגי

  1. בצע את כל ניסויי האישונים ברופאי משפחה ערניים, קבועי ראש ומקשיבים פסיבית. אמת שמיעה תקינה בנבדקים ניסיוניים באמצעות הקלטות תגובה שמיעתית בגזע המוח (ABR) בקליקים וצלילים טהורים58.
    הערה: למרות שרכישת נתוני אישונים כשלעצמה אינה פולשנית, ניתוח פולשני לאחר השתלת ראש משמש בפרוטוקול זה לשיתוק ראשו של בעל החיים במהלך ההליך. החלופות מוצגות בחלק הדיון.
  2. ראשית, השתילו את כל חיות הניסוי בעמוד ראש מפלדת אל-חלד לקיבוע הרדמה איזופלורנית. השתמש בטכניקות כירורגיות אספטיות כדי לעגן את עמוד הראש לגולגולת באמצעות שילוב של ברגי עצם ואקריליק דנטלי58.
  3. לספק לבעלי החיים טיפול לאחר הניתוח, כולל ניהול משככי כאבים מערכתיים ומקומיים. לאחר תקופת החלמה של שבועיים, התאקלמו בהדרגה בעלי חיים למערך הניסוי.
    הערה: ההליך הכירורגי מבוסס על שיטות שפורסמו בעבר ב- GPs58 וכן במינים אחרים59,60, ואינו המוקד של פרוטוקול זה.

2. הסתגלות בעלי חיים למערך הניסוי

הערה: ניסויים מתבצעים בדרך כלל בתא או תא עם קול מוחלש (ראה טבלת חומרים). הזמן הנדרש להכרת בעל חיים למערך משתנה מנושא לנושא. זמני התאקלמות אופייניים מצוינים להלן. בעל חיים מאוקלם היטב יסבול קיבוע ראש עם תנועת גוף מינימלית, ויביא למדידות טובות יותר של קוטר האישונים.

  1. לאחר תקופת החלמה של שבועיים, יש להכיר תחילה את בעלי החיים לטיפול ולהובלה (2-3 ימים). הסתגלות זו חיונית להפחתת מתח וחרדה. כדי להכיר את בעל החיים לטיפול, הניחו את בעל החיים במיכל ההובלה שלו לפרקי זמן הולכים וגדלים (10-30 דקות), וטפלו בבעל החיים לפרקי זמן הולכים וגדלים (10-30 דקות).
  2. לאחר מכן, הרגילו את החיה למערך הניסוי (2-3 ימים) על-ידי הצבת החיה במתחם למשך 10-45 דקות (איור 1A). המתחם חייב לאפשר שינויי יציבה קטנים לנוחות החיה במהלך הניסוי. אפשרו שינויי יציבה קטנים לנוחות החיה במהלך הניסוי. עם זאת, ידוע כי התרחבות האישונים קודמת לתנועה49. לכן, מדדו את התנועה של החיה וקחו בחשבון את התנועה הזו בניתוח הנתונים (איור 1C).
  3. כחלק מההתאקלמות הזו, טפלו ידנית בעמוד הראש המושתל, כאילו החיה עומדת להיות מקובעת בראש. החזק את עמוד הראש לפרקי זמן הולכים וגדלים (10-60 שניות).
  4. לאחר התאקלמות ידנית ובהתאם להתנהגות בעלי החיים, נסו לקבע את הראש למסגרת קשיחה באמצעות מחזיק השתל.
  5. הגדילו לאט את משך קיבוע הראש (10-45 דקות) עד שבעל החיים רגוע ודומם יחסית בזמן שהוא מקובע עם הראש (2-3 ימים).
  6. הרגילו את בעל החיים לנוכחות המצלמה, מקור אור IR ומקור אור לבן (1-2 ימים). הפעל את האור הלבן, בהדרגה להגדיל את משך (10 דקות עד 30 דקות).
  7. הרגילו את בעל החיים לגירוי אקוסטי על ידי השמעת מגוון צלילים (למשל, צלילים טהורים, קליקים, קולות) ברמות צליל שונות (1-2 ימים, במקביל לשלב 2.6). כדי למזער את ההתרגלות לגירויים ניסיוניים, השתמשו בצלילים שונים מאלה המתוכננים לניסויי האישונים בשלב זה.

3. כיול מצלמת האישון

הערה: המצלמה המשמשת לבדיקת אישונים מפיקה וידאו באמצעות USB לחבילת תוכנות האישונים. מסרטון זה, קוטר האישון מופק באמצעות התאמת אליפסה וערך סף מתכוונן על-ידי חבילת תוכנות האישונים (ראה טבלת חומרים). לאחר מכן התוכנה מתממשקת עם כרטיס דיגיטלי לאנלוגי. הכרטיס מפיק ערך מתח אנלוגי פרופורציונלי לקוטר האישון. יש צורך בכיול כדי להמיר ערך מתח זה בחזרה לקוטר האישון ביחידות אורך.

  1. הניחו דף נייר המכיל תמונות של דיסקים שחורים בקוטר ידוע באותו מקום שבו העין של רופא המשפחה תהיה ממוקמת במהלך האישונים. עבור רופאי משפחה, PD הוא בטווח של 4 מ"מ. לכן, בצע כיול באמצעות דיסקים של 3 מ"מ, 4 מ"מ ו- 5 מ"מ.
  2. מקמו את מצלמת האישונים (ראו טבלת חומרים) באותו מרחק (25 ס"מ) שבו יבוצעו הניסויים. כוונן את מפתח הצמצם והמיקוד של המצלמה עד לקבלת תמונה ממוקדת בחדות של דיסק בקוטר ידוע.
  3. בתוכנה לרכישת אישונים (ראה טבלת חומרים), כוונן את הסף כך שקווי המתאר של האליפסה יתאימו באופן הדוק לדיסק המצולם, ורשום את ערך מתח היציאה האנלוגי ואת קנה המידה.
  4. חזור על הליך זה עבור דיסקים בגודל 3 מ"מ, 4 מ"מ ו- 5 מ"מ. לאחר מכן, ערוך טבלה של ערכי הקוטר בפועל (במ"מ) המתאימים לערכי מתח היציאה האנלוגיים.

4. רכישת נתוני אישונים

  1. בצע את כל הניסויים בתא או תא מוחלש קול, כאשר הקירות הפנימיים מכוסים בקצף הדהוד.
  2. להעברת גירוי בשדה חופשי, הרכיבו רמקול מכויל על קיר התא מוחלש הקול, בגובה שווה למיקום שבו תוצב החיה.
    הערה: בחירת הרמקול תלויה במינים הנחקרים ובגירויים המתוכננים. עבור קולות GP, השתמש ברמקול דרייבר לטווח מלא בעל תגובת תדרים שטוחה יחסית (±3 dB) בתחום תדרי הקול של 0.5-3 קילוהרץ (איור 1A).
  3. מקמו את החיה במתחם כדי לוודא שתנועות גוף גדולות אינן אפשריות (איור 1A). קבעו את ראש החיה למסגרת הקשיחה כפי שמתואר בשלב 2 (איור 1A).
  4. הניחו חיישן פיאזואלקטרי מתחת למתחם כדי לזהות ולתעד תנועות של חיות (איור 1A).
  5. כדי להגדיר את נשיפה האוויר, השתמש מחזיק מחובר לשולחן כדי להניח קצה פיפטה ב ~ 15 ס"מ לפני החוטם של החיה. חבר צינור סיליקון (~ 3 מ"מ קוטר) לקצה פיפטה וחבר את הצינור לגליל אוויר מוסדר.
  6. שמור על לחץ האוויר של הצילינדר בין 20 ל -25 psi. העבר את הצינור דרך שסתום צביטה כדי לשלוט בתזמון ובמשך של נשיפה באוויר באמצעות ממסר הנשלט על ידי מחשב.
  7. להאיר את העין עם מערך LED אינפרא אדום הממוקם במרחק ~ 10 ס"מ. השתמש בתאורת LED לבנה בעוצמה של ~2,000 cd/m2 כדי להאיר את העין המצולמת ולהביא את PD קו הבסיס ל~3.5 מ"מ. שמור על תנאי תאורה קבועים בחדר הניסוי לאורך מפגשי הניסוי.
    הערה: בתאורת מעבדה רגילה (~ 500 cd/m2), אישון GP מורחב למדי, ואינו מאפשר תצפית של התרחבות נוספת הקשורה לגירוי. על ידי שימוש בתאורה נוספת, האישון מובא לקוטר בסיס של ~3.5 מ"מ, המאפשר טווח דינמי מספיק כדי לצפות בהתרחבות הקשורה לגירוי. זה גם מבטיח קווי בסיס עקביים בין הפעלות ונושאים.
  8. פתח את תוכנת רכישת האישון וקבל את הווידאו (ב- 90 fps) של האישון באמצעות מצלמה עם עדשת 16 מ"מ (רזולוציה מרחבית של זווית ראייה של 0.15°) ומסנן אינפרא אדום (IR) הממוקם במרחק של 25 ס"מ מהעין המצולמת. ודא שהעין ממורכזת באזור התמונה.
  9. לווסת את הצמצם והמיקוד של המצלמה, כמו גם את רמת האינפרא-אדום עד שקווי המתאר של האישון המצולם יהיו בפוקוס חד.
  10. בתוכנה לרכישת אישון, הגדר את תחום העניין המכיל את האישון על ידי בחירת אזור מלבני עם העכבר.
  11. השתמש בלוח הבקרה של תוכנת רכישת התלמידים כדי להתאים את הבהירות והניגודיות של הווידאו שנרכש. הגדר את צפיפות הסריקה ל- 5 וכוונן את הסף כך שהתאמת האליפסה תתאים באופן הדוק לקו המתאר של האישון בסרטון.
  12. באמצעות תוכנת מעבד הממשק העצבי, רכוש ושמור את האות האנלוגי ממעקב PD, את עקבות המתח מתנועת הקלטת החיישן הפיזואלקטרי, את זמני אספקת הגירוי ואת זמני אספקת נשיפה האוויר.

5. זיהוי רעשי קריאה ואפליה קטגורית באמצעות פרדיגמת מוזרות שונה

הערה: הגירויים לניסויי אישונים כללו קולות GP שתועדו במושבת בעלי חיים58. ניתן למצוא את דגימות הקול במאגר הבא: https://github.com/vatsunlab/CaviaVOX. בפרט, נעשה שימוש בקריאות יבבה ויבבה כדי לעורר את תגובות התלמידים המוצגות בתוצאות המייצגות. מכל קטגוריה, בחר קולות שאורכם שווה בקירוב. כדי להסביר את ההבדלים באמפליטודת ההקלטה ובמעטפות הטמפורליות של הקולות, נרמלו את הקולות לפי אמפליטודות הריבוע הממוצע השורשי שלהם (r.m.s.), במידת הצורך.

  1. הציגו את הגירויים השמיעתיים באמצעות MATLAB בקצב דגימה מתאים. עבור רופאי משפחה, שהם בעלי חיים בעלי שמיעה בתדר נמוך, קצב דגימה של 100 קילוהרץ מספיק.
  2. בחר שמונה דוגמאות שונות של קולות GP באורכים דומים משתי קטגוריות שונות של קולות (למשל, קריאות יבבה וקריאות יבבה). קטגוריה אחת (שמונה דוגמאות) תשמש כגירויים סטנדרטיים, והקטגוריה השנייה (שמונה דוגמאות) תשמש כגירויים מוזרים או סוטים (איור 2A).
  3. כדי ליצור גירויים סטנדרטיים וחריגים באורך של 1 שניות המוטבעים ברעש ברמות שונות של יחס אות לרעש (SNR), הוסף רעש לבן באורך שווה לקריאות (רעש מגודר). טווח ה-SNR שנדגם בניסוי זה הוא בין -24 dB SNR ל-+40 dB SNR.
  4. באמצעות עיצוב בלוקים, בכל סשן ניסוי (~ 12 דקות), לרכוש נתונים המתאימים לרמת SNR יחידה. בכל מפגש, השתמש בשמונה דוגמאות של קטגוריית קול אחת ב- SNR מסוים כגירויים סטנדרטיים, ובשמונה דוגמאות של קטגוריית הקול האחרת באותה רמת SNR כגירויים סוטים.
    הערה: בלוק ניסיוני טיפוסי נמשך ~ 12 דקות. בהתאם להתנהגות החיה והתרגלות תגובות התלמידים, ייתכן שניתן יהיה לרכוש נתונים עבור 3-4 בלוקים בכל יום (~ 45 - 60 דקות). במהלך תקופה זו, לפקח על החיה מקרוב באמצעות וידאו האישון, עקבות התנועה, כמו גם ישירות בין בלוקים.
  5. עבור כל מפגש, הכינו רצף הצגת גירוי פסאודו-אקראי המכיל גירויים סטנדרטיים >90% מהזמן. ודאו שבין גירויים סוטים יש לפחות 20 ניסויים עם גירויים סטנדרטיים (איור 2B).
    הערה: בהתאם לניסוי, סדר הגירויים הסוטים בתוך רצף הצגת הגירוי יכול לאמץ עיצוב ריבועי לטיני כדי להבטיח שכל גירוי סוטה ייחודי יתפוס מיקום רציף ייחודי בכל מפגש. ממוצע על פני כל המפגשים יכול אפוא למזער את ההשפעה של מיקום הגירוי הסוטה בתוך רצף הגירוי הכולל.
  6. השתמש בעוצמת גירוי קבועה (לדוגמה, 85 dB SPL) עבור כל הצגת גירוי.
    הערה: השתמש בממיר דיגיטלי-לאנלוגי מתאים כדי להפיק אות שמע, להחליש אותו לרמת הצליל הרצויה באמצעות מנחת הניתן לתכנות, להגביר את האות בעוצמה ולהעביר את האות באמצעות רמקול מכויל (לדוגמה, חומרה, ראה טבלת חומרים).
  7. הצג את הגירויים עם סדירות טמפורלית גבוהה (גירוי של 1 שניות ואחריו 3 שניות של שתיקה כפי שמוצג בתוצאות המייצגות).
    הערה: תגובות התרחבות האישונים איטיות, בדרך כלל מגיעות לשיא של 1 שניות לאחר תחילת הגירוי ולוקח בערך 5 שניות לחזור לקו הבסיס49. קצב הצגת התמריצים חייב להיות נמוך מספיק כדי להסביר את טווחי הזמן האיטיים האלה. סדירות הזמן חשובה מכיוון שייתכן שהפרעה לדפוס העיתוי יכולה לשמש עצמה כגירוי סוטה.
  8. כדי לשמור על המעורבות של בעל החיים עם הגירויים ולמזער את ההרגלה, יש לספק נשיפה קצרה (100 מילישניות) לאחר הגירוי הסוטה. ודא שתחילת נשיפת האוויר מופרדת מספיק ממשך הגירוי (2.5 שניות מתחילת הגירוי), כך שתגובות התרחבות האישונים המעוררות גירוי יגיעו לשיא לפני שנשיפת האוויר גרמה למצמוץ.
    הערה: בפרדיגמת ה-oddball הקלאסית, לא נעשה שימוש בחיזוקים חיוביים או שליליים. מכיוון שנשיפה אווירית משמשת כאן כחיזוק מרתיע מעט כדי לשמור על המעורבות של החיה עם הגירויים השמיעתיים, הפרדיגמה מכונה פרדיגמת אי-זוגיות.

6. ניתוח וסטטיסטיקה

הערה: כל הניתוחים בוצעו באמצעות קוד מותאם אישית שנכתב ב-MATLAB (זמין ב-https://github.com/vatsunlab/GP_Pupil). מתוארות שתי שיטות ניתוח עיקריות, המתייחסות למהימנות ולמהלך הזמן של תגובות התלמידים, בהתאמה. הבחירה באחת השיטות או בשתיהן תוכתב על ידי תכנון ניסיוני.

  1. זיהוי תנועה ואי-הכללת ניסיון
    1. באמצעות הקוד pupil_avg_JOVE.m, בצע זיהוי תנועה ואי הכללת ניסיון עבור כל הפעלה. לשם כך, הפעל את הקוד ובחר את קובץ הנתונים מהפעלה אחת בתיבת הדו-שיח הקופצת.
    2. בטל באופן ליניארי את המגמה של מעקב PD והמיר את היחידות ממתח למיקרומטר באמצעות טבלת הכיול שנגזרת קודם לכן (ראה שלב 3). כמו כן, בטל באופן ליניארי את מעקב התנועה לאורך כל סשן ההקלטה (~ 12 דקות).
    3. בדוק את נתוני ההפעלה על-ידי התוויית מעקב האישון (איור 1B - שורה עליונה) ומעקב התנועה הליניארי (איור 1B- שורה תחתונה) לאורך משך ההפעלה (~12 דקות), בשכבת-על על סמני ניסוי.
    4. מדוד את סטיית התקן (SD) של מעקב התנועה. השג את הזמנים של שיאי מעקב תנועה באמצעות הפונקציה findpeaks ב- MATLAB. חשבו על הפסגות שחצו סף של 5 SDs ונפרדות מפסגות אחרות בשנייה אחת לפחות כאירוע תנועה49 (איור 1B - למטה).
    5. בטל כל ניסוי (סטנדרטי וחריג) של התרחבות אישונים המתרחשת בתוך 7 שניות מאירוע תנועתי. אם יותר ממחצית ממספר הניסויים הסוטים נמחק עקב התרחבות אישונים הקשורה לתנועה, השליכו את כל הפגישה וחזרו עליה.
  2. עיבוד מקדים ותצוגה חזותית של נתונים
    1. השתמש בקוד pupil_avg_JOVE.m, כדי להסיר מצמוץ עיניים, לעבד מראש את הנתונים, ולקבל את הרחבת האישונים הממוצעת לכל גירוי על פני הפעלות. לשם כך, הפעל את הקוד ובחר את כל קבצי הנתונים לניתוח בתיבת הדו-שיח הקופצת.
    2. זהה מצמוצי עיניים (שינויי PD העולים על 400 מיקרומטר/שנייה) והסר אותם על-ידי אינטרפולציה ליניארית של מעקב PD בחלון זמן של 200 אלפיות השנייה הממורכז בזמן המצמוץ שזוהה. מחק את נתוני ההפעלה אם יותר ממחצית ממספר הניסויים הסוטים מכילים מצמוץ עיניים בין הופעת הגירוי להופעת נשיפה באוויר.
    3. דגימת הפחתה של נתוני PD מקצב דגימת רכישה של 1,000 הרץ עד 10 הרץ.
    4. חלץ עקבות PD בחלון המתחיל 1 שניות לפני תחילת הגירוי ונמשך 5 שניות לאחר קיזוז הגירוי. חשב את PD הבסיסי הממוצע עבור כל גירוי בחלון של 500 אלפיות השנייה ממש לפני תחילת הגירוי. הפחת את PD הבסיסי מהעקבות האלה כדי לקבל את השינוי המעורר גירוי בפרקינסון.
    5. ממוצע השינויים בפרקינסון המעוררים על ידי גירוי עבור כל תנאי גירוי בין מפגשים בתוך כל חיה, ולאחר מכן בין חיות כדי ליצור את תגובת התרחבות האישונים הממוצעת לכל תנאי גירוי (לדוגמה, איור 3A).
  3. ניתוח עקומת גדילה (GCA) לכימות מהלך הזמן של שינויים בפרקינסון
    הערה: שיטת ניתוח זו קובעת את הגודל ואת מהלך הזמן של תגובות התרחבות האישונים ושימשה במחקרים אישונים בבני אדם 27,36,40 וכן בשרקנים 49.
    1. שרשר אנכית את כל היציאות מ- pupil_avg_JOVE.m עבור כל ההפעלות, בעלי החיים, SNR והנחתות כדי לבנות מטריצה המכילה את העמודות הבאות: animalID, SNR, רמת קול וקוטר אישון (1-50). באמצעות הקוד pupil_LME_JOVE.m, בצע את ניתוח עקומת הצמיחה (GCA)27,36,40,49.
    2. התאם מודלים ליניאריים של אפקטים מעורבים עם יירוטים ברמת הנושא כאפקטים אקראיים, ופולינומי זמן אורתוגונליים מסדר שניים כאפקטים קבועים, כאשר כל SNR סוטה מטופל כקבוצה נפרדת, לשלב העולה של עקבת קוטר האישון (0.1 עד 2.1 שניות לאחר תחילת הגירוי).
    3. מודל השלב העולה של מעקב האישון באמצעות הנוסחה הבאה36,49:
      התרחבות אישונים = (יירוט + תנאי) + זמן1 * (β זמן1 + זמן β 1: תנאי) + זמן2* (β זמן2+β זמן2: תנאי) + r (subjectlevelintercept)
      כאשר, time1 ו- time2 מתאימים לפולינומי זמן אורתוגונליים ליניאריים וריבועיים, ו - βs מתאימים למשקלים.
    4. הערך משקלים ממוצעים (βs) ואת שגיאות התקן שלהם באמצעות הפונקציה fitlme ב- MATLAB. להעריך את המובהקות הסטטיסטית של המשקולות באמצעות פונקציית coeftest.
    5. עבור כל SNR, התווה את המשקולות המתאימות למונחים היירוט, הליניארי והריבועי כדי להמחיש את התוצאות (איור 3B, C).
  4. ניתוח ניסויים שהראו התרחבות אישונים מובהקת סטטיסטית
    הערה: שיטת ניתוח זו קובעת את שיעור הניסויים הסוטים שבהם נצפתה תגובת התרחבות אישונים מובהקת סטטיסטית ומתאימה לאמינות תגובות התרחבות האישונים.
    1. בחר חלון ניתוח מתאים (0.5-1 שניות) המרוכז סביב שיא תגובת האישון (בדרך כלל ~ 1.5 שניות לאחר תחילת הגירוי). חשב את ממוצע PD בחלון ניתוח זה עבור כל הניסויים הסטנדרטיים והחריגים.
    2. קבע אם ממוצע PD עבור כל אחד מהניסויים הסוטים גדול מ- 2.33 שגיאות תקן של ההתפלגות המאוגמת של ערכי PD ממוצעים עבור ניסויים סטנדרטיים. ספרו את הניסויים הסוטים החורגים מסף זה כניסויים המראים התרחבות אישונים משמעותית.
    3. חלק את מספר הניסויים הסוטים המראים התרחבות אישונים משמעותית במספר הכולל של ניסויים סוטים (עבור כל תנאי) כדי לכמת את שבריר הניסויים המראים עלייה מובהקת סטטיסטית במחלת פרקינסון בהשוואה לניסויי גירוי סטנדרטיים.
    4. שים את כל אחוז הניסויים מבחינת הפעלה עם שינויי אישונים משמעותיים בכל תא במערך תאים, שבו התאים מסודרים מ- SNR נמוך לגבוה יותר. באמצעות הקוד pupil_threshold_estimate_JOVE.m, הערך את סף סיווג ההתקשרות לרעש.
    5. שרטט את שבריר הניסויים שמראים עלייה מובהקת סטטיסטית בפרקינסון כפונקציה של SNR (איור 3D). לנתונים אלה, השתמש בפונקציה fitnlm MATLAB (בארגז הכלים לסטטיסטיקה) כדי להתאים לפונקציות פסיכומטריות של טופס61:
      Ψ(x; α, β, λ) = (1 -λ) * F(x; α, β)
      כאשר, F היא פונקציית Weibull, המוגדרת כ
      F(x; α, β) = Equation 1, α הוא פרמטר ההזזה, β הוא פרמטר השיפוע ו- λ הוא קצב ההזזה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בדיקת אישונים בוצעה בשלושה רופאי משפחה גברים בעלי פיגמנטציה, במשקל ~600-1,000 גרם במהלך הניסויים. כפי שמתואר בפרוטוקול זה, כדי להעריך את ספי סיווג הקריאות לרעש, נעשה שימוש בפרדיגמת oddball להצגת גירויים. בפרדיגמת ה-oddball, קריאות השייכות לקטגוריה אחת (יבבות) המשובצות ברעש לבן ב-SNR נתון שימשו כגירויים סטנדרטיים (איור 2A), וקריאות מקטגוריה אחרת (wheeks) המוטמעות ברעש לבן באותו SNR (איור 2A) כגירויים סוטים. גירויים סטנדרטיים וחריגים נבחרו באופן אקראי, עם דגימה מחדש, מתוך שמונה דוגמאות מכל קטגוריה. בכל מפגש ניסויי הוצגו גירויים עם סדירות טמפורלית גבוהה (איור 2B), עם לפחות 20 מצגות של גירויים סטנדרטיים בין גירויים סוטים. הנתונים נרכשו בהתאם לרמת SNR מסוימת בכל מפגש ניסוי. לאורך הפעלות נדגמו מגוון רחב של SNR נקיים ורועשים (-24, -18, -12, -6, -3, 0, 3, 6, 12, 40 dB SNR).

השינויים בפרקינסון בגירויים הסטנדרטיים לא היו שונים באופן משמעותי מקו הבסיס (הקו הכחול באיור 3A). הגירויים הסוטים עוררו שינויים חזקים וגדולים משמעותית בפרקינסון מאלה שעוררו הגירויים הסטנדרטיים (קווים אפורים באיור 3A), המשקפים אפליה בקטגוריות שיחות. גודל התגובה ואחוז הניסויים עם תגובות אישונים מובהקות סטטיסטית היו הגבוהים ביותר ב-SNR הנקי ביותר וירדו בהדרגה עם הירידה ב-SNR (איור 3A,B). באמצעות GCA, תגובות האישונים לגירויים סוטים נמצאו מובהקות סטטיסטית ב-SNR מעל -18 dB (איור 3C), שנלקח כסף סיווג הקריאה לרעש (הקו הירוק באיור 3A). אחוז הניסויים המשמעותיים בכל רמת SNR שנבדקה התאים היטב לפונקציה פסיכומטרית (איור 3D). רמת SNR הדרושה כדי להגיע לחצי המקסימום של העקומה הפסיכומטרית הייתה בערך -20 dB SNR (איור 3D). באופן אנקדוטלי, במקרה זה, המדדים מבוססי המהימנות ומבוססי מסלול הזמן הניבו ערכים דומים של ספי סיווג קריאה לרעש.

Figure 1
איור 1: הגדרת אישונים, ושינויים בפרקינסון המעוררים גירויים וקשורים לתנועה. (A) הגדרת האישונים עם תמונות מסגרת וידאו של התרחבות אישונים מעוררת צליל (למעלה). PD הבסיסי מוצג באמצעות עיגולים ירוקים מקווקוים. (B) עקבות PD לדוגמה (למעלה) ועקבות תנועה לדוגמה (למטה) ממפגש ניסויי יחיד. קווים שחורים אנכיים מתאימים למצגות גירוי של סטיית זמן התחלה. קרציות אדומות מתאימות לאירועי תנועה שזוהו באופן אוטומטי. קו מקווקו אופקי אפור מתאים לסף 5 SD. (C) השינויים בפרקינסון (ΔPD) המתעוררים על-ידי גירוי סוטה (למעלה) וקשורים לאירועי תנועה (למטה) ממפגש ניסויי אחד. תחילת הגירוי מוצגת על ידי קו שחור אנכי; אירוע זיהוי התנועה מוצג על ידי קו אדום אנכי. שימו לב שתחילת התרחבות האישונים קודמת לתחילת התנועה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: ספקטוגרמות קריאות ומבנה פרדיגמת סיווג קריאות לרעש. (A) ספקטוגרמות מייצגות של שרקן מיילל ומייבב, בתנאים נקיים וב-SNR של 0 ו-18-dB, בהתאמה. שיחות רועשות הושגו על ידי הוספת רעש לבן. (B) מבנה פרדיגמת ה-oddball המשמשת להערכת ספי סיווג קריאות לרעש. קריאות יבבה נבחרו באופן אקראי מתוך שמונה דוגמאות ושימשו כגירויים סטנדרטיים. קריאות הוויק נבחרו באופן אקראי מתוך שמונה דוגמאות ושימשו כסוטים. בכל מפגש ניסוי, הרעש נוסף ברמת SNR שונה (-24, -18, -12, -6, -3, 0, 3, 6, 12 dB SNR). אורך השיחות הוא 1 שניות והזמן בין הגירויים הוא 3 שניות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: אומדני אישונים של זיהויי קריאות לרעש וספי קטגוריזציה . (A) ממוצע תגובות האישונים של שלוש חיות. תגובות אישונים ממוצעות לגירויי יבבה סטנדרטיים מיוצגות על ידי קו כחול, והצללה מתאימה לשגיאת תקן ±1 של ממוצע (s.e.m). קווים אפורים והצללה תואמים ממוצע ו ±1 s.e.m. של תגובות אישונים המתעוררות על ידי גירויים סוטים. עוצמת הצללה אפורה תואמת ל- SNR. הקו הירוק וההצללה תואמים למעקב אישונים ממוצע בסף SNR (כ-18 dB SNR). קו אנכי אדום מתאים להופעת גירוי; קו אנכי כתום מתאים להופעת נשיפה באוויר; קווים מקווקווים בצבע כחול מתאימים לחלון GCA (PD משנה את השלב העולה). (B) GCA מתאים לשלב העולה של שינויי PD. נקודות הן קוטר אישון ממוצע בפחי זמן של 100 מילישניות, שפם מתאים ל- ±1 s.e.m. קווים אחידים תואמים להתאמות מודל עם אפקטים מעורבים. צבעי קו כמו ב- A. (C) אומדני משקל GCA. משקלי היירוט הם בכחול, השיפוע באדום והתאוצה בסגול. שפם מתאים ±1 s.e.m. כוכביות מראות משקלי רגרסיה מובהקים סטטיסטית (מבחן השערה ליניארית על מקדמי מודל רגרסיה ליניארית). (D) הפונקציה הפסיכומטרית מתאימה לאחוז הניסויים עם שינויים משמעותיים בפרקינסון הנובעים מהגירוי הסוטה כפונקציה של SNR. שפם מתאים ±1 s.e.m. שים לב כי 50% מהמקסימום מושג בערך -20 dB SNR (קו מקווקו ירוק). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

פרוטוקול זה מדגים את השימוש באישונים כשיטה לא פולשנית ואמינה להערכת ספי שמיעה בבעלי חיים המאזינים באופן פסיבי. בהתאם לפרוטוקול המתואר כאן, הוערכו ספי סיווג הקריאה לרעש אצל רופאי שמיעה תקינים. ערכי סף שהוערכו באמצעות אישונים נמצאו עקביים עם אלה שהתקבלו באמצעות אימון אופרנטי62. עם זאת, בהשוואה לאימון אופרנטי, פרוטוקול האישונים היה פשוט יחסית ומהיר להגדרה ולרכישת נתונים. כל מפגש איסוף נתונים (לפי רמת SNR) נמשך כ-12 דקות, מה שהביא ל-1-2 שעות של הפעלות ניסוי (ברמות SNR) לכל חיה ליום49. ניתן להשלים את איסוף הנתונים תוך 7-10 ימים (בהתאם למספר רמות SNR בשימוש). אף על פי שפרדיגמת ה-oddball שימשה להערכת סף סיווג קריאה ברעש בכתב יד זה, פרוטוקול אישונים זה יכול להיות מותאם לגרסאות קלות יותר של פרדיגמות אי-זוגיות, שבהן נעשה שימוש בדוגמה אחת בלבד, או לפרדיגמות גירוי אחרות המשתמשות במגוון רחב של גירויים מורכבים או פשוטים49.

השיטה אינה נטולת חסרונות. ראשית, הפרוטוקול הנוכחי דורש השתלה של עמוד ראש כדי לתקן את הראש במהלך ניסויים אלה. ניתוח ראש לאחר השתלה והחלמה יוסיפו מינימום של שבועיים לציר הזמן של פרוטוקול הניסוי. ייתכן שניתן להימנע מצעד זה על ידי שימוש בשיטות אחרות של שיתוק לא פולשני של בעלי חיים ערים במהלך ניסויים - למשל, על ידי שימוש בקסדות מותאמות אישית המודפסות בתלת-ממד63 או תרמופלסטיות מעוותות64. יש צורך בניסויים נוספים כדי לחקור פתרונות אלה. שנית, בעלי חיים יכולים להתרגל במהירות גם לגירויים סוטים, וכתוצאה מכך להפחית את תגובות הרחבת האישונים במהלך סשן ניסוי. ניתן למזער השפעה זו על ידי הגבלת מפגשי הניסוי לפרקי זמן קצרים (~ 12 דקות) והצגת מספר מוגבל בלבד (8) של גירויים סוטים. יתר על כן, נשיפה באוויר המועברת לאחר הגירויים הסוטים יכולה להבטיח שבעלי החיים יישארו מעורבים בגירויים השמיעתיים. שלישית, בגלל ההתרגלות המהירה הזו, ייתכן שיידרשו מספר ימים כדי להשלים את איסוף הנתונים. על ידי בדיקת ערכי SNR בלבד הדוגלים בצפיפות את החלקים התלולים ביותר של העקומה הפסיכומטרית, ניתן למזער את המספר הכולל של ימי הניסוי. רביעית, בעלי חיים אינם רשאים להישאר במקום במהלך ניסויים, או למצמץ יתר על המידה או לעצום את עיניהם במהלך ניסויים. גורמים אלה הם פונקציה של מינים והתאקלמות ומראים רמה גבוהה של שונות אישית. רופאי משפחה הם צייתנים מטבעם, ועל ידי התאקלמותם היטב למערך הניסוי, ניתן למזער את התנועה ואת מצמוץ הממצאים. מצמוצים ספונטניים וסקאדות הם בדרך כלל נדירים למדי אצל שרקנים49, אבל זה יכול להיות גם פונקציה של המין. לבסוף, כפי שהוזכר קודם לכן, דינמיקת אישונים בבני אדם נקשרה למספר הפרעות נוירופסיכיאטריות. בעוד שחיות הניסוי המשמשות כאן מניחות שהן נוירוטיפיקליות, יש לזכור אזהרה זו בעת פירוש התוצאות.

בעוד יישום חומרה אחד של אישונים מתואר כאן (באמצעות מעקב עיניים זמין מסחרית ומערכת רכישת נתונים עצביים), הציוד הנדרש הוא יקר ולא חסכוני להרחבה. עם זאת, קיימים פתרונות מותאמים אישית אחרים המבוססים על אותו עיקרון בסיסי של מעקב עיניים מבוסס אינפרא אדום שהם חסכוניים יותר. לדוגמה, מחקר אחד השתמש ברכיבים מותאמים אישית ובאלגוריתמים מותאמים אישית לעיבוד וידאו כדי לחלץ את קוטר האישון מהסרטון המוקלט22,25. אלגוריתמים של למידה עמוקה שפותחו לאחרונה מסוגלים גם לחלץ את קוטר האישון מנתונים גרפיים65,66. פתרונות אלה יכולים להפחית יותר ממחצית את העלות של אסדות אישונים. הפשרה כאן היא בין הוצאה לזמן - בעוד שפתרונות מסחריים יקרים יותר, הם פתרונות מוכנים לשימוש שניתן להשתמש בהם מחוץ לקופסה. מצד שני, פתרונות מותאמים אישית הם חסכוניים ומדרגיים, אך דורשים מומחיות להגדרה, ואת הזמן הדרוש לפיתוח צינורות ניתוח מותאמים אישית.

למרות שהפרוטוקול המפורט כאן בוצע אצל רופאי שמיעה רגילים, אישונים יכולים להיות קלים יחסית לשימוש במודלים אחרים של בעלי חיים של לקות שמיעה עם שינויים מתאימים בסוג הגירוי ובפרמטרים שלו. זה יאפשר לאפיין את ההשפעות של ליקוי שמיעה על פני מגוון של סוגי גירויים ומינים, אשר עשויים להניב תצפיות חדשות. מכיוון שהאישונים הם טכניקה לא פולשנית שנעשה בה שימוש נרחב גם בבני אדם, על ידי שימוש באותם גירויים המשמשים לנבדקים בבעלי חיים, ניתן להשתמש באישונים כדי להשוות את ההשפעות של פתולוגיות שמיעתיות שונות בין מינים. לדוגמה, מטא-אנליזה שנערכה לאחרונה בבני אדם הראתה כי ליקויים בתפיסת דיבור בתוך רעש הנובעים מחשיפה לרעש מתונה נצפו בצורה הטובה ביותר כאשר נעשה שימוש בגירויים מורכבים ומשתנים זמנית67. האומדן של ספי סיווג קריאות לרעש על ידי אישונים שהודגם כאן יכול לשמש כמשימה אחת כזו באמצעות גירויים מורכבים כדי להעריך את ההשפעות של חשיפה לרעש אצל רופאי משפחה. הערכת שמיעה ברמה התנהגותית באמצעות שיטות אלה תשלים שיטות אלקטרופיזיולוגיות ואנטומיות ויכולה להיות חלק מארגז הכלים הסטנדרטי להערכת הפרעות שמיעה ידועות שונות.

לסיכום, הנקודות הבאות הן קריטיות לרכישה מוצלחת של נתונים אישונים. ראשית, כדי להבטיח תפוקת נתונים גבוהה, קריטי להכיר היטב את בעלי החיים למערך הניסוי. חוסר סבלנות בשלב זה עלול לפגוע באיכות הנתונים המתקבלים בסופו של דבר או לחייב חזרה על מספר מפגשים כדי לפצות על המפגשים האבודים. שנית, כדי להימנע משינויים הקשורים ל-PD הקשורים להארה, חשוב לבצע ניסויים בתנאי תאורה קבועים, ולשמור על תנאים אלה בין המפגשים והנבדקים ככל האפשר. שלישית, כדי למזער את מספר הפעלות הניסוי הדרושות, חשוב לבצע ניסויי פיילוט לזיהוי טווחי פרמטרים קריטיים לדגימה צפופה. רביעית, כדי למזער את ההתרגלות של בעלי החיים לגירויים, חשוב לבצע ניסויים במפגשים קצרים המכילים רק כמה מצגות של גירויים סוטים. ניתן להשתמש גם בנשיפה אווירית כדי לשמור על מעורבות גבוהה עם הגירויים השמיעתיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי NIH (R01DC017141), קרן מחקר השמיעה של פנסילבניה ליונס, וכספים מהמחלקות לאף אוזן גרון ונוירוביולוגיה, אוניברסיטת פיטסבורג.

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

מדעי המוח גיליון 191
אישונים להערכת תחושה שמיעתית בשרקנים
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