Denne artikel beskriver den halvautomatiske måling af amplituder og latenstider for de første fem toppe og trug i den auditive hjernestammeresponsbølgeform. En yderligere rutine samler og kommenterer dataene i et regneark til eksperimentanalyse. Disse gratis computerrutiner udføres ved hjælp af open source statistisk pakke R.
Mange rapporter i de sidste 15 år har vurderet ændringer i den auditive hjernestammerespons (ABR) bølgeform efter fornærmelser som støjeksponering. Almindelige ændringer omfatter reduktioner i peak 1 amplitude og de relative latenstider af de senere toppe samt øget central forstærkning, hvilket afspejles af en relativ stigning i amplituderne af de senere toppe sammenlignet med amplituden af top 1. Mange eksperimenter identificerer toppe og trug visuelt for at vurdere deres relative højder og latenstider, hvilket er en besværlig proces, når bølgeformerne samles i trin på 5 dB i hele høreområdet for hver frekvens og tilstand. Dette papir beskriver gratis rutiner, der kan udføres i open source-platformen R med RStudio-grænsefladen for at halvautomatisere målingerne af toppe og trug af auditive hjernestammerespons (ABR) bølgeformer. Rutinerne identificerer amplituder og latenstider for toppe og trug, viser disse på en genereret bølgeform til inspektion, samler og kommenterer resultaterne i et regneark til statistisk analyse og genererer gennemsnitlige bølgeformer for tal. I tilfælde, hvor den automatiserede proces fejlidentificerer ABR-bølgeformen, er der et ekstra værktøj til at hjælpe med korrektion. Målet er at reducere den tid og kræfter, der er nødvendige for at analysere ABR-bølgeformen, så flere forskere vil inkludere disse analyser i fremtiden.
Det auditive hjernestammerespons (ABR) bruges ofte til at bestemme høretærskler hos forsøgspersoner og spædbørn. Da ABR er et elektroencefalogram (EEG) over nervesystemets første reaktioner på auditive stimuli, bærer det yderligere information, der afspejler den koordinerede affyring af cochlear spiralganglionneuroner og tidlig signalbehandling i den auditive hjernestamme, herunder bilateral behandling1. Disse reaktioner kan blive påvirket af støjtraumer. For eksempel kan støjeksponering, der er tilstrækkelig til at fremkalde et midlertidigt tærskelskift hos mus, også permanent reducere amplituden af ABR-top 12. Desuden kan sådanne traumer reducere interpeak-latenserne og øge de relative amplituder af de senere toppe3, muligvis på grund af et tab af hæmmende regulering4. Ud over disse fund har specifikke genetiske mutationer vist sig at ændre ABR-bølgeformen i fravær af traume 5,6,7. Således kan den rutinemæssige analyse af ABR-bølgeformer give indsigt i det auditive system i eksperimentelle modeller.
Der har også været interesse for at bruge ABR-bølgeformer som et diagnostisk værktøj til patienter. Tidligere rapporter har vurderet, om ABR-peak 1 er reduceret hos humane patienter efter støjeksponering eller hos tinnituspatienter 8,9. Især er migræneanfald blevet rapporteret midlertidigt at øge interpeak-latenserne i flere uger, hvorefter ABR-bølgeformen vender tilbage til normal hos berørte individer10. COVID-19 er rapporteret at drive langsigtede ændringer i ABR interpeak latenstider 11,12, selvom en anden undersøgelse rapporterede forskellige resultater13. Høretab er ofte comorbid med demens i aldring, og personer med større høretab har tendens til at opleve demens, der udvikler sig hurtigere14. Forskere har undersøgt ABR-bølgeformændringer i neurodegenerative sygdomme, såsom Parkinsons sygdom (gennemgået i Jafari et al.15) og Alzheimers sygdom (gennemgået i Swords et al.16) såvel som i normal aldring 17. Efterhånden som flere forskere og klinikere undersøger sensoriske underskud som biomarkører for almindelige sygdomme i aldring, kan teknikker som ABR blive rutine i sundhedsvæsenet.
En gennemgang af metodeafsnittene i litteraturen afslører, at laboratorier ofte skriver brugerdefinerede scripts i MatLab til analyse af ABR-bølgeformer. ABR-platformen lavet af Intelligent Hearing Systems har en funktion til bølgeformsanalyse, men det kræver, at en operatør manuelt vælger toppe og trug. Her har vi skrevet halvautomatiske analyserutiner til open source, frit tilgængeligt statistisk miljø R og RStudio-grænsefladen. Denne rapport sammenligner de data, der er opnået ved hjælp af vores rutiner, med de data, der opnås ved at få en eksperimentator til manuelt at identificere toppe og trug og viser, at dataene fra de to metoder er stærkt korrelerede. Det er vigtigt, at rutinerne indeholder en blændende funktion, hvor metadataene for prøverne placeres i en separat fil, der ikke inkorporeres før slutningen. Disse funktioner har strømlinet bølgeformsanalyse til vores laboratorium.
Den protokol, der er beskrevet i denne publikation, skal hjælpe med at strømline indsamlingen af data, der beskriver spændingsamplitudeforhold og latenstidsintervaller for ABR’er til klik og tonepips. Ved at anvende enkelte kommandoer i RStudio kan en eksperimentator udtrække, kompilere og vise disse oplysninger i et enkelt dokument til statistisk analyse. Ved at gøre denne analyse rutine håber vi, at feltet vil opdage nye måder, hvorpå ABR kan ændres i udvikling, i aldring eller ved fornærmelse i forskellige arter. Sådanne oplysninger kan være værdifulde til at identificere vigtige mekanismer svarende til synaptopati fra støj2. De unge mus, der blev brugt til dette eksperiment, havde meget varierende responser, sandsynligvis fordi den auditive hjernestamme stadig modnes i denne alder af20 år. Ikke desto mindre viste de to kvantificeringsmetoder meget stærke sammenhænge (figur 2).
Scriptet bruger en fil kaldet “Time.csv” til at indstille intervaller i dataene til peak identifikation. Kort fortalt er en maksimal spændingsamplitude, der forekommer i et bestemt tidsinterval, mærket “top 1”, et spændingsminimum, der forekommer i det følgende interval, er mærket “gennem 1” osv. Vi valgte intervallerne til at omfatte latenstiderne for både klik- og tonepipresponserne for CBA/CaJ-mus i alderen 1 måned til 12 måneder gamle ved hjælp af frekvenser fra 8 kHz til 32 kHz. Vi brugte med succes værktøjet til også at måle tone pip-respons hos mus. Andre arter, herunder mennesker, har også ABR-svar inden for lignende vinduer, og vi forventer, at dette værktøj også kan bruges til data fra andre arter. Vi vil anbefale at bruge den nye parallelle ABR-metode til mennesker21, som producerer fremragende bølgeformer. Tidsintervalbegrænsningen begrænser brugen af dette værktøj til vurdering af øjeblikkelige ABR-svar. Vi bemærker dog, at intervaldataene i denne fil kan ændres af brugerne for at automatisere målingerne af ABR-svar på tale eller af begivenhedsrelaterede potentialer (ERP’er), der karakteristisk forekommer på forskellige tidspunkter som reaktion på lyd.
Nogle funktioner i den statistiske behandling af disse data er værd at fremhæve. Så vidt vi ved, har feltet ikke en standardiseret behandling til at skelne amplitudeprogressioner. Tidlige undersøgelser anvendte ANOVA22,23. Dataene fra klikserien her (figur 2) var ikke-parametriske, hvilket førte til brugen af Kruskal-Wallis rangsumtesten. I lighed med ANOVA vurderer Kruskal-Wallis rank sum-testen forskelle i de værdier, der opnås på et givet niveau af en stimulus; det vil sige, det sammenligner de linjer, der er opnået på grafen. Andre behandlinger er dog også mulige. Biologisk afspejler amplitudeprogressioner den yderligere rekruttering af neuroner med højere tærskel, når stimulusniveauet stiger. Dette tyder på, at arealet under kurven, som repræsenterer linjernes integraler, kunne være den mere relevante foranstaltning. Generaliserede estimeringsligninger (GEE) kan bruges til at modellere individuelle data til en integreret analyse, som i Patel et al.5. Især kan GEE-analyse tage højde for de gentagne foranstaltninger, der er designet af disse eksperimenter. Efterhånden som flere forskere diskuterer dataanalysemetoderne, forventer vi, at der opstår enighed om bedste praksis.
Afslutningsvis præsenterer dette papir gratis og brugervenlige værktøjer til måling, kompilering og visualisering af ABR-bølgeformer. Disse værktøjer kan bruges af nybegyndere af RStudio ved at følge denne protokol, og de indeholder et blændende trin for forbedret stringens og reproducerbarhed. Vi forudser, at rutinemæssig ABR-bølgeformsanalyse vil muliggøre opdagelsen af fornærmelser, genetiske varianter og andre behandlinger, der kan påvirke auditiv funktion.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af to tilskud fra NIDCD til PW: R01 DC018660 og en administrativ supplerende pris, R01 DC014261-05S1.
C57BL/6J mice | Jackson Labs | 664 | |
CBA/CaJ mice | Jackson Labs | 654 | |
E-series PC | Dell | n/a (this equipment was discontinued) | This runs the IHS system. |
Mini-anechoic chamber | Industrial Acoustics Company | Special order number 104306 | This enclosure reduces noise levels for auditory testing of animals. |
Optiplex 7040 | Dell | i5-6500 | Rstudio may also be run on a Mac or Linux system. |
Universal Smart Box | Intelligent Hearing Systems | n/a (this equipment was discontinued) | Both TDT and IHS can output hearing data as ASCII files. |