Den här artikeln beskriver den halvautomatiska mätningen av amplituderna och latenserna för de första fem topparna och dalarna i den auditiva hjärnstammens responsvågform. En ytterligare rutin sammanställer och kommenterar data till ett kalkylblad för experimentanalys. Dessa gratis datorrutiner körs med hjälp av statistikpaketet R med öppen källkod.
Många rapporter under de senaste 15 åren har bedömt förändringar i vågformen för hörselhjärnstamsrespons (ABR) efter förolämpningar som bullerexponering. Vanliga förändringar inkluderar minskningar av topp 1-amplituden och de relativa latenserna för de senare topparna, liksom ökad central förstärkning, vilket återspeglas av en relativ ökning av amplituderna för de senare topparna jämfört med amplituden för topp 1. Många experimenterare identifierar toppar och dalar visuellt för att bedöma deras relativa höjder och latenser, vilket är en mödosam process när vågformerna samlas in i steg om 5 dB i hela hörselområdet för varje frekvens och tillstånd. Detta dokument beskriver fria rutiner som kan köras i öppen källkodsplattform R med RStudio-gränssnittet för att halvautomatisera mätningarna av toppar och dalar av auditiva hjärnstamsrespons (ABR) vågformer. Rutinerna identifierar amplituder och latenser för toppar och dalar, visar dessa på en genererad vågform för inspektion, sammanställer och kommenterar resultaten i ett kalkylblad för statistisk analys och genererar genomsnittliga vågformer för siffror. I de fall då den automatiserade processen felaktigt identifierar ABR-vågformen finns det ett extra verktyg för att hjälpa till med korrigering. Målet är att minska den tid och ansträngning som krävs för att analysera ABR-vågformen så att fler forskare kommer att inkludera dessa analyser i framtiden.
Det auditiva hjärnstamssvaret (ABR) används ofta för att bestämma hörseltrösklar hos djurförsökspersoner och mänskliga spädbarn. Eftersom ABR är ett elektroencefalogram (EEG) register över nervsystemets första svar på hörselstimuli, bär den ytterligare information som återspeglar den samordnade avfyrningen av cochleära spiral ganglionneuroner och tidig signalbehandling i den auditiva hjärnstammen, inklusive bilateral bearbetning1. Dessa svar kan påverkas av bullertrauma. Till exempel kan bullerexponering som är tillräcklig för att inducera en tillfällig tröskelförskjutning hos möss också permanent minska amplituden för ABR-topp 12. Dessutom kan sådant trauma minska interpeak-latenserna och öka de relativa amplituderna för de senare topparna3, möjligen på grund av en förlust av hämmande reglering4. Utöver dessa fynd har specifika genetiska mutationer visat sig förändra ABR-vågformen i frånvaro av trauma 5,6,7. Således kan rutinanalysen av ABR-vågformer ge insikt i hörselsystemet i experimentella modeller.
Det har också funnits intresse för att använda ABR-vågformer som ett diagnostiskt verktyg för patienter. Tidigare rapporter har bedömt om ABR topp 1 är reducerad hos humana patienter efter bullerexponering eller hos tinnituspatienter 8,9. I synnerhet har migränattacker rapporterats tillfälligt öka interpeak-latenserna i flera veckor, varefter ABR-vågformen återgår till det normala hos drabbade individer10. COVID-19 har rapporterats driva långsiktiga förändringar i ABR-interpeak-latenser 11,12, även om en annan studie rapporterade olika resultat13. Hörselnedsättning är ofta komorbid med demens i åldrande, och individer med större hörselnedsättning tenderar att uppleva demens som går snabbare14. Forskare har undersökt ABR-vågformsförändringar vid neurodegenerativa sjukdomar, såsom Parkinsons sjukdom (granskad i Jafari et al.15) och Alzheimers sjukdom (granskad i Swords et al.16), liksom vid normalt åldrande 17. I takt med att fler forskare och kliniker undersöker sensoriska brister som biomarkörer för vanliga sjukdomar vid åldrande kan tekniker som ABR bli rutin inom vården.
En undersökning av metodavsnitten i litteraturen visar att labb ofta skriver anpassade skript i MatLab för att analysera ABR-vågformer. ABR-plattformen tillverkad av Intelligent Hearing Systems har en funktion för vågformsanalys, men det kräver att en operatör manuellt väljer toppar och dalar. Här har vi skrivit halvautomatiska analysrutiner för den öppna källkoden, fritt tillgänglig statistikmiljö R och RStudio-gränssnittet. Denna rapport jämför de data som erhållits med hjälp av våra rutiner med de data som erhållits genom att låta en experimenterare manuellt identifiera toppar och dalar och visar att data från de två metoderna är starkt korrelerade. Viktigt är att rutinerna innehåller en bländande funktion, där metadata för proverna placeras i en separat fil som inte införlivas förrän i slutet. Dessa funktioner har strömlinjeformad vågformsanalys för vårt labb.
Protokollet som beskrivs i denna publikation bör hjälpa till att effektivisera insamlingen av data som beskriver spänningsamplitudförhållanden och latensintervall för ABR till klick och tonpips. Genom att använda enstaka kommandon i RStudio kan en experimenterare extrahera, kompilera och visa denna information i ett enda dokument för statistisk analys. Genom att göra denna analys rutin hoppas vi att fältet kommer att upptäcka nya sätt att ABR kan förändras i utveckling, åldrande eller genom förolämpning hos olika arter. Sådan information kan vara värdefull för att identifiera viktiga mekanismer som liknar synaptopati från buller2. De unga mössen som användes för detta experiment hade mycket varierande svar, troligen för att den auditiva hjärnstammen fortfarande mognar vid denna ålderav 20. De två kvantifieringsmetoderna visade dock mycket starka samband (figur 2).
Skriptet använder en fil som heter “Time.csv” för att ställa in intervall i data för toppidentifiering. Kortfattat är en maximal spänningsamplitud som förekommer i ett angivet tidsintervall märkt “topp 1”, ett spänningsminimum som förekommer i följande intervall är märkt “tråg 1” och så vidare. Vi valde intervallen för att omfatta latenserna för både klick- och tonpipsvaren för CBA/CaJ-möss i åldern 1 månad till 12 månader med frekvenser som sträcker sig från 8 kHz till 32 kHz. Vi använde framgångsrikt verktyget för att även mäta tonpipsvar hos möss. Andra arter, inklusive människor, har också ABR-svar inom liknande fönster, och vi förväntar oss att detta verktyg också kan användas för data från andra arter. Vi rekommenderar att du använder den nya parallella ABR-metoden för människor21, som ger utmärkta vågformer. Tidsintervallbegränsningen begränsar användningen av detta verktyg till att bedöma omedelbara ABR-svar. Vi noterar dock att intervalldata i den här filen kan ändras av användare för att automatisera mätningarna av ABR-svar på tal eller av händelserelaterade potentialer (ERP) som karakteristiskt uppträder vid olika tidpunkter som svar på ljud.
Vissa funktioner i den statistiska behandlingen av dessa data är värda att lyfta fram. Såvitt vi vet har fältet ingen standardiserad behandling för att urskilja amplitudprogressioner. Tidiga studier använde ANOVA22,23. Data från klickserien här (figur 2) var icke-parametriska, vilket ledde till användningen av Kruskal-Wallis rank sum test. I likhet med ANOVA bedömer Kruskal-Wallis rangsummetest skillnader i de värden som erhållits vid en given nivå av en stimulans; det vill säga det jämför linjerna som erhållits i diagrammet. Men andra behandlingar är också möjliga. Biologiskt återspeglar amplitudprogressioner den ytterligare rekryteringen av neuroner med högre tröskel när stimulansnivån ökar. Detta tyder på att arean under kurvan, som representerar linjernas integraler, kan vara det mer relevanta måttet. Generaliserade skattningsekvationer (GEE) kan användas för att modellera individuella data för en integralanalys, som i Patel et al.5. I synnerhet kan GEE-analys ta hänsyn till utformningen av dessa experiment med upprepade åtgärder. När fler forskare diskuterar dataanalysmetoderna förväntar vi oss uppkomsten av konsensus om bästa praxis.
Sammanfattningsvis presenterar detta dokument gratis och lättanvända verktyg för att mäta, kompilera och visualisera ABR-vågformer. Dessa verktyg kan användas av nybörjare i RStudio genom att följa detta protokoll, och de innehåller ett bländande steg för förbättrad noggrannhet och reproducerbarhet. Vi förutser att rutinmässig ABR-vågformsanalys kommer att möjliggöra upptäckt av förolämpningar, genetiska varianter och andra behandlingar som kan påverka hörselfunktionen.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av två bidrag från NIDCD till PW: R01 DC018660 och ett administrativt tilläggsbidrag, 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. |