Waiting
로그인 처리 중...

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

Neuroscience

Pupillometri til vurdering af auditiv fornemmelse hos marsvin

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

Pupillometri, en simpel og ikke-invasiv teknik, foreslås som en metode til bestemmelse af høretærskler i støj hos normale høredyr og dyremodeller af forskellige auditive patologier.

Abstract

Støjeksponering er en førende årsag til sensorineuralt høretab. Dyremodeller for støjinduceret høretab har skabt mekanistisk indsigt i høretabets underliggende anatomiske og fysiologiske patologier. Imidlertid er det stadig udfordrende at relatere adfærdsmæssige underskud observeret hos mennesker med høretab til adfærdsmæssige underskud i dyremodeller. Her foreslås pupillometri som en metode, der muliggør direkte sammenligning af dyre- og menneskelige adfærdsdata. Metoden er baseret på et modificeret oddball-paradigme - vænner emnet til den gentagne præsentation af en stimulus og intermitterende præsenterer en afvigende stimulus, der varierer på en vis parametrisk måde fra den gentagne stimulus. Den grundlæggende forudsætning er, at hvis ændringen mellem den gentagne og afvigende stimulus detekteres af emnet, vil det udløse et pupiludvidelsesrespons, der er større end det, der fremkaldes af den gentagne stimulus. Denne tilgang demonstreres ved hjælp af en vokaliseringskategoriseringsopgave hos marsvin, en dyremodel, der i vid udstrækning anvendes i auditiv forskning, herunder i høretabsundersøgelser. Ved at præsentere vokaliseringer fra en vokaliseringskategori som standardstimuli og en anden kategori som oddball-stimuli indlejret i støj ved forskellige signal-støj-forhold, demonstreres det, at størrelsen af pupiludvidelse som reaktion på oddball-kategorien varierer monotont med signal-støj-forholdet. Vækstkurveanalyser kan derefter bruges til at karakterisere tidsforløbet og den statistiske signifikans af disse pupildilatationsresponser. I denne protokol beskrives detaljerede procedurer for akklimatisering af marsvin til opsætningen, udførelse af pupillometri og evaluering / analyse af data. Selvom denne teknik er demonstreret hos normalthørende marsvin i denne protokol, kan metoden bruges til at vurdere de sensoriske virkninger af forskellige former for høretab inden for hvert emne. Disse virkninger kan derefter korreleres med samtidige elektrofysiologiske målinger og post-hoc anatomiske observationer.

Introduction

Pupildiameter (PD) kan påvirkes af en lang række faktorer, og måling af PD, der ændrer sig over tid, kaldes pupillometri. PD styres af irislukkemusklen (involveret i indsnævring) og irisdilatatormusklen (involveret i udvidelse). Indsnævringsmusklen er innerveret af det parasympatiske system og involverer kolinerge fremspring, mens irisdilatatoren er innerveret af det sympatiske system, der involverer noradrenerge og kolinerge fremspring 1,2,3. Den mest kendte stimulus til at inducere PD-ændringer er luminans-indsnævring og dilatationsrespons af pupillen kan produceres ved variationer i omgivende lysintensitet2. PD ændres også som funktion af brændvidde2. Det har imidlertid været kendt i årtier, at PD også viser ikke-luminansrelaterede udsving 4,5,6,7. For eksempel kan ændringer i interne mentale tilstande fremkalde forbigående PD-ændringer. Eleven udvider sig som reaktion på følelsesladede stimuli eller øges med ophidselse 4,5,8,9. Pupiludvidelse kan også være relateret til andre kognitive mekanismer, såsom øget mental indsats eller opmærksomhed10,11,12,13. På grund af dette forhold mellem pupilstørrelsesvariationer og mentale tilstande er PD-ændringer blevet undersøgt som en markør for kliniske lidelser som skizofreni 14,15, angst 16,17,18, Parkinsons sygdom 19,20 og Alzheimers sygdom 21 , blandt andre. Hos dyr sporer PD-ændringer interne adfærdstilstande og er korreleret med neuronale aktivitetsniveauer i kortikale områder22,23,24,25. Pupildiameter har også vist sig at være en pålidelig indikator for søvntilstanden hos mus26. Disse PD-ændringer relateret til ophidselse og den interne tilstand forekommer typisk på lange tidsskalaer i størrelsesordenen flere titalls sekunder.

Inden for høreforskning, ved normal hørelse såvel som hos hørehæmmede forsøgspersoner er lytteanstrengelse og auditiv opfattelse blevet vurderet ved hjælp af pupillometri. Disse undersøgelser involverer typisk uddannede forskningsemner27,28,29,30, der udfører forskellige former for detektions- eller genkendelsesopgaver. På grund af det førnævnte forhold mellem ophidselse og PD har øget opgaveengagement og lytteindsats vist sig at være korreleret med øgede pupiludvidelsesresponser 30,31,32,33,34,35. Således er pupillometri blevet brugt til at demonstrere, at der bruges øget lytteindsats til at genkende spektralt forringet tale hos normalthørende lyttere 29,36. Hos hørehæmmede lyttere, såsom mennesker med aldersrelateret høretab 27,30,37,38,39,40,41 og cochlear implantatbrugere 42,43, steg pupillens respons også med faldende taleforståelighed; Imidlertid viste hørehæmmede lyttere større pupiludvidelse under lettere lytteforhold sammenlignet med normale hørepersoner 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Men eksperimenter, der kræver, at lytteren udfører en genkendelsesopgave, er ikke altid mulige - for eksempel hos spædbørn eller i nogle dyremodeller. Således kan ikke-luminansrelaterede pupilresponser fremkaldt af akustiske stimuli være en levedygtig alternativ metode til vurdering af auditiv detektion i disse tilfælde44,45. Tidligere undersøgelser viste en forbigående og stimulus-bundet pupiludvidelse som en del af orienteringsrefleksen46. Senere undersøgelser har vist brugen af stimulus-bundne pupildilatationer til at udlede frekvensfølsomhedskurver hos ugler47,48. For nylig er disse metoder blevet tilpasset til at vurdere følsomheden af pupildilatationsresponsen hos spædbørn48. Pupillometri har vist sig at være en pålidelig og ikke-invasiv tilgang til estimering af auditiv detektion og diskriminationstærskler hos passivt lyttende marsvin (GP'er) ved hjælp af en bred vifte af enkle (toner) og komplekse (GP-vokaliseringer) stimuli49. Disse stimulusrelaterede PD-ændringer forekommer typisk på hurtigere tidsskalaer i størrelsesordenen flere sekunder og er knyttet til stimulustiming. Her foreslås pupillometri af stimulusrelaterede PD-ændringer som en metode til at studere adfærdsmæssige virkninger af forskellige former for hørenedsættelse i dyremodeller. Især pupillometriprotokoller til brug i praktiserende læger, en veletableret dyremodel af forskellige typer auditive patologier 50,51,52,53,54,55,56 (se også reference 57 for en udtømmende gennemgang) beskrives.

Selvom denne teknik er demonstreret hos normalthørende læger, kan disse metoder let tilpasses andre dyremodeller og dyremodeller af forskellige auditive patologier. Det er vigtigt, at pupillometri kan kombineres med andre ikke-invasive målinger såsom EEG samt med invasive elektrofysiologiske optagelser for at studere mekanismerne bag mulige lyddetekterings- og opfattelsesunderskud. Endelig kan denne tilgang også bruges til at etablere brede ligheder mellem menneske- og dyremodeller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

For alle eksperimentelle procedurer skal du opnå godkendelse fra Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) og overholde NIH-retningslinjerne for pleje og brug af forsøgsdyr. I USA er praktiserende læger desuden underlagt reglerne fra USA's landbrugsministerium (USDA). Alle procedurer i denne protokol blev godkendt af University of Pittsburgh IACUC og overholdt NIH-retningslinjerne for pleje og brug af forsøgsdyr. Til dette eksperiment blev der anvendt tre mandlige vildtype, pigmenterede læger mellem 4 og 10 måneder med ~ 600-1.000 g vægt.

1. Kirurgisk indgreb

  1. Udfør alle pupillometrieksperimenter i vågen, hovedfikseret og passivt lyttende pigmenterede læger. Kontroller normal hørelse hos forsøgspersoner ved hjælp af klik- og rentoneoptagelser af auditiv hjernestammerespons (ABR)58.
    BEMÆRK: Selvom indsamling af pupillometridata i sig selv er ikke-invasiv, anvendes en invasiv hovedoperation efter implantat i denne protokol til immobilisering af dyrets hoved under proceduren. Alternativer præsenteres i afsnittet Diskussion.
  2. Først implanteres alle forsøgsdyrene med en hovedstolpe i rustfrit stål til hovedfiksering under isofluranbedøvelse. Brug aseptiske kirurgiske teknikker til at forankre hovedstolpen til kraniet ved hjælp af en kombination af knogleskruer og dental akryl58.
  3. Giv dyrene postkirurgisk pleje, herunder administration af systemiske og topiske analgetika. Efter en 2-ugers genopretningsperiode akklimatiserer dyrene gradvist til forsøgsopsætningen.
    BEMÆRK: Den kirurgiske procedure er baseret på tidligere offentliggjorte metoder i GPs58 samt andre arter59,60, og er ikke fokus for denne protokol.

2. Dyrs akklimatisering til forsøgsopstillingen

BEMÆRK: Eksperimenter finder typisk sted i et lyddæmpet kammer eller kabine (se Materialetabel). Den tid, det tager at gøre et dyr bekendt med opsætningen, varierer fra emne til emne. Typiske akklimatiseringstider er angivet nedenfor. Et velakklimatiseret dyr vil tolerere hovedfiksering med minimal kropsbevægelse og resultere i bedre pupildiametermålinger.

  1. Efter en 2-ugers genopretningsperiode skal du først gøre dyrene bekendt med håndtering og transport (2-3 dage). Denne akklimatisering er afgørende for at reducere stress og angst. For at gøre dyret bekendt med håndteringen skal du placere dyret i dets transportbeholder i stigende tid (10-30 min) og håndtere dyret i stigende tid (10-30 min).
  2. Derefter akklimatiseres dyret til forsøgsopstillingen (2-3 dage) ved at placere dyret i et anlæg i 10-45 minutter (figur 1A). Anlægget skal give mulighed for små forskydninger i stillingen af hensyn til dyrets komfort under forsøget. Tillad små posturale skift for dyrets komfort under eksperimentet. Imidlertid er pupiludvidelse kendt for at gå forud for bevægelse49. Mål derfor dyrets bevægelse og tag højde for denne bevægelse i dataanalysen (figur 1C).
  3. Som en del af denne akklimatisering skal du manuelt håndtere den implanterede hovedstolpe, som om dyret skal fastgøres med hovedet. Hold hovedstolpen i stigende varigheder (10-60 s).
  4. Efter manuel akklimatisering og afhængigt af dyrets adfærd skal du prøve at fastgøre dyret til en stiv ramme ved hjælp af implantatholderen.
  5. Forøg langsomt hovedfikseringsvarigheden (10-45 min), indtil dyret er roligt og relativt stille, mens det er hovedfikseret (2-3 dage).
  6. Væn dyret til tilstedeværelsen af kameraet, IR-lyskilden og den hvide lyskilde (1-2 dage). Tænd for det hvide lys, og øg gradvist varigheden (10 min til 30 min).
  7. Væn dyret til akustisk stimulering ved at afspille en række lyde (f.eks. rene toner, klik, vokaliseringer) på forskellige lydniveauer (1-2 dage samtidig med trin 2.6). For at minimere tilvænning til eksperimentelle stimuli skal du bruge lyde, der er forskellige fra dem, der er planlagt til pupillometrieksperimenterne i dette trin.

3. Kalibrering af pupilkamera

BEMÆRK: Det kamera, der bruges til pupillometri, udsender en video via USB til pupillometri-softwarepakken. Fra denne video ekstraheres pupildiameteren ved hjælp af en ellipsetilpasning og brugerjusterbar tærskelværdi af pupillometri-softwarepakken (se materialetabel). Softwaren grænseflader derefter med et digital-til-analog-kort. Kortet udsender en analog spændingsværdi, der er proportional med pupildiameteren. Kalibrering er nødvendig for at konvertere denne spændingsværdi tilbage til pupildiameter i længdeenheder.

  1. Placer et ark papir med billeder af sorte skiver med kendt diameter på samme sted, hvor lægens øje vil være placeret under pupillometri. For praktiserende læger er PD i området 4 mm. Udfør derfor kalibrering ved hjælp af 3 mm, 4 mm og 5 mm skiver.
  2. Anbring pupillometrikameraet (se materialetabel) i samme afstand (25 cm), som forsøgene skal udføres i. Juster kameraets blænde og fokus, indtil der opnås et skarpt fokuseret billede af en disk med kendt diameter.
  3. I elevlometrioptagelsessoftwaren (se materialetabel) skal du justere tærsklen, så ellipsens omrids passer nøje til den afbildede disk, og notere den analoge udgangsspændingsværdi og skalering.
  4. Gentag denne procedure for skiverne 3 mm, 4 mm og 5 mm. Derefter tabuleres de faktiske diameterværdier (i mm) svarende til de analoge udgangsspændingsværdier.

4. Indsamling af Pupillometri

  1. Udfør alle eksperimenterne i en lyddæmpet kabine eller et kammer, hvor de indre vægge er dækket af lyddødt skum.
  2. For stimuluslevering i frit felt monteres en kalibreret højttaler på den lyddæmpede kammervæg i samme højde som den position, hvor dyret skal placeres.
    BEMÆRK: Valget af højttaler afhænger af den art, der undersøges, og de planlagte stimuli. Til GP-vokaliseringer skal du bruge en fuldtonehøjttaler, der har et relativt fladt (±3 dB) frekvensrespons i vokaliseringsfrekvensområdet på 0,5-3 kHz (figur 1A).
  3. Anbring dyret i anlægget, og sørg for, at store kropsbevægelser ikke er mulige (figur 1A). Fastgør dyrets hoved til den stive ramme som beskrevet i trin 2 (figur 1A).
  4. Der anbringes en piezoelektrisk sensor under anlægget for at detektere og registrere dyrenes bevægelser (figur 1A).
  5. For at sætte luftpustet op skal du bruge en holder, der er fastgjort til bordpladen, til at placere en pipettespids på ~ 15 cm foran dyrets tryne. Tilslut et siliciumrør (~3 mm diameter) til pipettespidsen, og tilslut røret til en reguleret luftcylinder.
  6. Hold cylinderens lufttryk mellem 20 og 25 psi. Før røret gennem en klemmeventil for at styre timingen og varigheden af luftpustet ved hjælp af et computerstyret relæ.
  7. Oplys øjet med et infrarødt LED-array placeret i ~10 cm afstand. Brug hvid LED-belysning med en intensitet på ~2.000 cd/m2 til at belyse det afbildede øje og bringe basislinjen PD op på ~3,5 mm. Oprethold konstante belysningsforhold i forsøgskammeret på tværs af eksperimentelle sessioner.
    BEMÆRK: I normal laboratoriebelysning (~ 500 cd / m2) er GP-eleven ret udvidet og tillader ikke observation af yderligere stimulusbundet udvidelse. Ved hjælp af yderligere belysning bringes pupillen til en basislinjediameter på ~ 3,5 mm, hvilket giver mulighed for et tilstrækkeligt dynamisk område til at observere stimulusbundet udvidelse. Dette sikrer også ensartede basislinjer på tværs af sessioner og emner.
  8. Åbn elevoptagelsessoftwaren, og hent videoen (ved 90 fps) af eleven ved hjælp af et kamera med et 16 mm objektiv (rumlig opløsning på 0,15° visuel vinkel) og infrarødt (IR) filter placeret i en afstand af 25 cm fra det afbildede øje. Sørg for, at øjet er centreret i det afbildede område.
  9. Reguler kameraets blænde og fokus samt IR-niveauet, indtil omridset af den afbildede pupil er i skarpt fokus.
  10. I elevoptagelsessoftwaren skal du definere det interesseområde, der indeholder eleven, ved at vælge et rektangulært område med musen.
  11. Brug kontrolpanelet til elevoptagelsessoftware til at justere lysstyrken og kontrasten for den erhvervede video. Indstil scanningstætheden til 5, og juster tærsklen, så ellipsetilpasningen nøje svarer til pupillens kontur i videoen.
  12. Brug den neurale interfaceprocessorsoftware til at erhverve og gemme det analoge signal fra PD-sporet, spændingssporet fra den piezoelektriske sensor, der registrerer bevægelse, stimulusleveringstiderne og leveringstiderne for luftpust.

5. Call-in-noise-detektion og kategorisk diskrimination ved hjælp af et modificeret oddball-paradigme

BEMÆRK: Stimuli for pupillometriforsøg bestod af GP-vokaliseringer, der blev optaget i en dyrekoloni58. Vokaliseringsprøverne findes i følgende lager: https://github.com/vatsunlab/CaviaVOX. Især blev hvæsende og hvinende opkald brugt til at fremkalde elevernes svar, der blev vist i de repræsentative resultater. Fra hver kategori skal du vælge vokaliseringer, hvis længder er omtrent ens. For at tage højde for forskelle i vokaliseringernes optagelsesamplitude og tidsmæssige konvolutter skal du normalisere vokaliseringerne med deres gennemsnitlige kvadratamplituder (r.m.s.), hvis det er nødvendigt.

  1. Præsenter de auditive stimuli ved hjælp af MATLAB med en passende samplinghastighed. For praktiserende læger, som er lavfrekvente hørende dyr, er en samplingshastighed på 100 kHz tilstrækkelig.
  2. Vælg otte forskellige eksempler på GP-vokaliseringer af samme længde fra to forskellige kategorier af vokaliseringer (f.eks. wheek calls og whine calls). Den ene kategori (otte eksempler) vil tjene som standardstimuli, og den anden kategori (otte eksempler) vil tjene som oddball eller afvigende stimuli (figur 2A).
  3. For at generere 1 s lange standard og afvigende stimuli indlejret i støj ved forskellige signal-støj-forhold (SNR) niveauer, tilføj hvid støj af samme længde til opkaldene (gated noise). Intervallet af SNR'er i stikprøven i dette eksperiment er mellem -24 dB SNR og +40 dB SNR.
  4. Ved hjælp af et blokdesign skal du i hver eksperimentel session (~ 12 minutters varighed) erhverve data svarende til et enkelt SNR-niveau. I hver session skal du bruge otte eksempler på en vokaliseringskategori på en bestemt SNR som standardstimuli og otte eksempler på den anden vokaliseringskategori på samme SNR-niveau som afvigende stimuli.
    BEMÆRK: En typisk eksperimentel blok varer ~ 12 minutter. Afhængigt af dyrets adfærd og tilvænning af pupillens reaktioner kan det være muligt at indhente data for 3-4 blokke hver dag (~ 45 - 60 minutter). I hele denne varighed skal du overvåge dyret nøje via elevvideoen, bevægelsessporet samt direkte mellem blokke.
  5. For hver session skal du forberede en pseudorandom stimuluspræsentationssekvens, der indeholder standardstimuli >90% af tiden. Sørg for, at der mellem afvigende stimuli er mindst 20 forsøg med standardstimuli (figur 2B).
    BEMÆRK: Afhængigt af eksperimentet kan rækkefølgen af afvigende stimuli inden for stimuluspræsentationssekvensen vedtage et latinsk firkantet design for at sikre, at hver unik afvigende stimulus indtager en unik sekventiel position i hver session. Gennemsnit over alle sessioner kan således minimere effekten af den afvigende stimulusposition inden for den samlede stimulussekvens.
  6. Brug en fast stimulusintensitet (for eksempel 85 dB SPL) til al stimuluspræsentation.
    BEMÆRK: Brug en passende digital-til-analog-konverter til at generere et lydsignal, dæmpe det til det ønskede lydniveau ved hjælp af en programmerbar dæmper, effektforstærke signalet og levere signalet ved hjælp af en kalibreret højttaler (for eksempel hardware, se materialetabel).
  7. Præsenter stimuli med høj tidsmæssig regelmæssighed (1 s stimulus efterfulgt af 3 s stilhed som vist i de repræsentative resultater).
    BEMÆRK: pupildilatationsresponserne er langsomme og topper typisk ca. 1 s efter stimulusdebut og tager ca. 5 s at vende tilbage til baseline49. Stimuluspræsentationshastigheden skal være lav nok til at tage højde for disse langsomme tidsskalaer. Tidsmæssig regelmæssighed er vigtig, fordi det er muligt, at afbrydelse af timingmønsteret i sig selv kan fungere som en afvigende stimulus.
  8. For at opretholde dyrets engagement med stimuli og for at minimere tilvænning, skal du eventuelt levere et kort luftpust (100 ms) efter den afvigende stimulus. Sørg for, at begyndelsen af luftpustet er tilstrækkeligt adskilt fra stimulusvarigheden (2,5 s fra stimulusdebut), så stimulusfremkaldte pupiludvidelsesresponser når et højdepunkt, før luftpustinducerede blinkartefakter.
    BEMÆRK: I det klassiske oddball-paradigme anvendes ingen positive eller negative forstærkninger. Da et luftpust her bruges som en mildt aversiv forstærkning for at opretholde dyrets engagement i de auditive stimuli, kaldes paradigmet et modificeret oddball-paradigme.

6. Analyse og statistik

BEMÆRK: Alle analyserne blev udført ved hjælp af brugerdefineret kode skrevet i MATLAB (tilgængelig på https://github.com/vatsunlab/GP_Pupil). Der beskrives to hovedanalysemetoder, som omhandler henholdsvis elevsvarenes pålidelighed og tidsforløb. Valget af en eller begge metoder vil blive dikteret af eksperimentelt design.

  1. Bevægelsesregistrering og udelukkelse af forsøg
    1. Brug koden pupil_avg_JOVE.m til at udføre bevægelsesregistrering og prøveekskludering for hver session. For at gøre det skal du køre koden og vælge datafilen fra en enkelt session i popup-dialogboksen.
    2. Lineært detrend PD-sporingen og konvertere enhederne fra spænding til mikrometer ved hjælp af kalibreringstabellen afledt tidligere (se trin 3). Også lineært detrend bevægelsessporingen over hele optagelsessessionen (~ 12 min).
    3. Undersøg sessionsdataene ved at plotte pupilsporingen (figur 1B - øverste række) og den lineært forringede bevægelsessporing (figur 1B - nederste række) over sessionens varighed (~ 12 min), overlejret på prøvemarkører.
    4. Mål bevægelsessporingens standardafvigelse (SD). Få tiderne for bevægelsessporingstoppe ved hjælp af findpeaks-funktionen i MATLAB. Overvej de toppe, der krydsede en tærskel på 5 SD'er, og som er adskilt fra andre toppe med mindst 1 s som en bevægelseshændelse49 (figur 1B - nederst).
    5. Kassér eventuelle forsøg (både standard og afvigende) med pupiludvidelse, der forekommer inden for 7 s efter en bevægelseshændelse. Hvis mere end halvdelen af antallet af afvigende forsøg kasseres på grund af bevægelsesrelateret pupiludvidelse, kasseres hele sessionen og gentages den.
  2. Forbehandling og visualisering af data
    1. Brug koden pupil_avg_JOVE.m, for at fjerne øjenblinkartefakter, forbehandle dataene og opnå den gennemsnitlige pupiludvidelse til hver stimulus på tværs af sessioner. For at gøre det skal du køre koden og vælge alle de datafiler, der skal analyseres i popup-dialogboksen.
    2. Registrer øjenblink (PD-ændringer på over 400 μm/ms), og fjern dem ved lineært interpolering af PD-sporingen i et tidsvindue på 200 ms centreret på det registrerede blinktidspunkt. Kassér sessionsdataene, hvis mere end halvdelen af antallet af afvigende forsøg indeholder et øjenblink mellem stimulusdebut og luftpust.
    3. Nedsample PD-data fra anskaffelsessamplingshastigheden på 1.000 Hz til 10 Hz.
    4. Uddrag PD-spor i et vindue, der begynder 1 s før stimulusudbruddet og varer 5 s efter stimulusforskydning. Beregn den gennemsnitlige baseline PD for hver stimulus i et 500 ms vindue lige før stimulusens begyndelse. Træk baseline PD fra disse spor for at opnå den stimulusfremkaldte ændring i PD.
    5. Gennemsnit de stimulusfremkaldte PD-ændringer for hver stimulustilstand på tværs af sessioner inden for hvert dyr og derefter på tværs af dyr for at generere det gennemsnitlige pupildilatationsrespons på hver stimulustilstand (for eksempel figur 3A).
  3. Vækstkurveanalyse (GCA) til kvantificering af tidsforløbet for PD-ændringer
    BEMÆRK: Denne analysemetode bestemmer størrelsen og tidsforløbet af pupildilatationsresponser og er blevet anvendt i pupillometriske undersøgelser af forsøgspersoner 27,36,40 samt i marsvin 49.
    1. Sammenkæd alle output fra pupil_avg_JOVE.m lodret for alle sessioner, dyr, SNR'er og dæmpninger for at konstruere en matrix, der indeholder følgende kolonner: animalID, SNR, lydniveau og pupil (1-50) diameterværdier. Brug koden pupil_LME_JOVE.m til at udføre vækstkurveanalysen (GCA)27,36,40,49.
    2. Tilpas lineære modeller med blandet effekt med skæringspunkter på motivniveau som tilfældige effekter og ortogonale tidspolynomier på op til orden to som faste effekter, hvor hver afvigende SNR behandles som en separat gruppe, til den stigende fase af pupildiametersporet (0,1 til 2,1 s efter stimulusdebut).
    3. Modellere elevsporets stigende fase ved hjælp af følgende formel36,49:
      Pupildilatation = (Skæringspunkt + Betingelse) + tid1 * (β tid1 + β tid1: Tilstand) + tid2* (β tid2+ β tid2: Tilstand) + r (emneniveauskæringspunkt)
      Hvor tid1 og tid2 svarer til ortogonale lineære og kvadratiske tidspolynomier, og βs svarer til vægte.
    4. Anslå gennemsnitsvægte (βs) og deres standardfejl ved hjælp af fitlme-funktionen i MATLAB. Anslå den statistiske signifikans af vægtene ved hjælp af coeftest-funktionen.
    5. For hver SNR plottes vægtene svarende til skæringspunktet, lineære og kvadratiske termer for at visualisere resultaterne (figur 3B, C).
  4. Analyse af forsøg, der viser statistisk signifikante pupildilatationer
    BEMÆRK: Denne analysemetode bestemmer den brøkdel af afvigende forsøg, hvor der observeres et statistisk signifikant pupildilatationsrespons, og svarer til pålideligheden af pupildilatationsresponser.
    1. Vælg et passende analysevindue (0,5-1 s) centreret omkring toppen af pupilresponsen (normalt ~ 1,5 s efter stimulusdebut). Beregn den gennemsnitlige PD i dette analysevindue for alle standardforsøg og afvigende forsøg.
    2. Bestem, om den gennemsnitlige PD for hvert af de afvigende forsøg er større end 2,33 standardfejl i den samlede fordeling af gennemsnitlige PD-værdier for standardforsøg. Tæl de afvigende forsøg, der overstiger denne tærskel, som forsøg, der viser en signifikant pupiludvidelse.
    3. Divider antallet af afvigende forsøg, der viser en signifikant pupiludvidelse, med det samlede antal afvigende forsøg (for hver tilstand) for at kvantificere den brøkdel af forsøg, der viser statistisk signifikante stigninger i PD sammenlignet med standard stimulusforsøg.
    4. Sæt hele den sessionsmæssige procentdel af forsøg med signifikante pupilændringer i hver celle i et cellearray, hvor cellerne er arrangeret fra lavere til højere SNR. Brug koden pupil_threshold_estimate_JOVE.m til at estimere grænsen for støjkategorisering.
    5. Den brøkdel af forsøg, der viser en statistisk signifikant stigning i PD som funktion af SNR (figur 3D), plottes. Til disse data skal du bruge fitnlm MATLAB-funktionen (i statistikværktøjskassen) til at tilpasse psykometriske funktioner i formular61:
      Ψ(x; α, β, λ) = (1 -λ) * F(x; α, β)
      Hvor F er Weibull-funktionen, defineret som
      F(x; α, β) = Equation 1, α er forskydningsparameteren, β er hældningsparameteren, og λ er bortfaldshastigheden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Pupillometri blev udført hos tre mandlige pigmenterede læger, der vejer ~ 600-1.000 g i løbet af forsøgene. Som beskrevet i denne protokol blev der brugt et oddball-paradigme til stimuluspræsentation for at estimere opkalds-støj-kategoriseringstærskler. I oddball-paradigmet blev kald, der tilhørte en kategori (hvin) indlejret i hvid støj ved en given SNR, anvendt som standardstimuli (figur 2A), og kald fra en anden kategori (hvæser) indlejret i hvid støj ved samme SNR (figur 2A) som afvigende stimuli. Standard og afvigende stimuli blev tilfældigt udvalgt med resampling fra otte eksempler i hver kategori. I hver eksperimentel session blev stimuli præsenteret med høj tidsmæssig regelmæssighed (figur 2B) med mindst 20 præsentationer af standardstimuli mellem afvigende stimuli. Data blev indsamlet svarende til et bestemt SNR-niveau i hver eksperimentel session. På tværs af sessioner blev der udtaget en bred vifte af rene og støjende SNR'er (-24, -18, -12, -6, -3, 0, 3, 6, 12, 40 dB SNR).

PD-ændringerne i standardstimuli adskilte sig ikke signifikant fra baseline (blå linje i figur 3A). De afvigende stimuli fremkaldte robuste og signifikant større PD-ændringer end dem, der fremkaldes af standardstimuli (grå linjer i figur 3A), hvilket afspejler opkaldskategoridiskrimination. Responsstørrelsen og procentdelen af forsøg med statistisk signifikant pupilrespons var højest ved den reneste SNR og faldt gradvist med faldende SNR (figur 3A,B). Ved hjælp af GCA viste elevresponser på afvigende stimuli sig at være statistisk signifikante ved SNR'er over -18 dB (figur 3C), hvilket blev anset for at være tærskelværdien for kategorisering af støj (grøn linje i figur 3A). Procentdelen af signifikante forsøg på hvert testet SNR-niveau passede godt med en psykometrisk funktion (figur 3D). Det SNR-niveau, der var nødvendigt for at nå det halve maksimum af den psykometriske kurve, var ca. -20 dB SNR (figur 3D). Anekdotisk gav de pålidelighedsbaserede og tidskursusbaserede målinger i dette tilfælde lignende værdier for opkalds-støj-kategoriseringstærskler.

Figure 1
Figur 1: Pupillometri opsætning, og stimulus-fremkaldte og bevægelsesrelaterede PD ændringer. (A) Pupillometriopsætningen med videorammebilleder af lydfremkaldt pupiludvidelse (øverst). Grundlinjen PD vises med stiplede grønne cirkler. (B) Et eksemplarisk PD-spor (øverst) og eksemplarisk bevægelsesspor (nederst) fra en enkelt eksperimentel session. Lodrette sorte linjer svarer til debuttid afvigende stimuluspræsentationer. Røde flueben svarer til automatisk registrerede bevægelseshændelser. Grå vandret stiplet linje svarer til 5 SD-tærskel. (C) PD-ændringerne (ΔPD) fremkaldt af afvigende stimulus (øverst) og relateret til bevægelseshændelser (nederst) fra en eksperimentel session. Stimulus debut er vist ved lodret sort linje; Registreringen af bevægelseshændelsen vises med lodret rød linje. Bemærk, at pupildilatationsdebut går forud for bevægelsens begyndelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Paradigmestruktur for kaldetogrammer og kaldet-støj-kategorisering . A) Repræsentative spektrogrammer af marsvin, der hviner og hvæser, under rene forhold og ved henholdsvis 0- og -18 dB SNR. Støjende opkald blev opnået ved at tilføje hvid støj. (B) Strukturen af oddball-paradigmet, der bruges til at estimere kategoriseringstærskler for opkald i støj. Hvinekald blev tilfældigt udvalgt blandt otte eksempler og brugt som standardstimuli. Wheek opkald blev tilfældigt valgt blandt otte eksempler og brugt som afvigere. I hver forsøgssession blev støjen tilføjet på et andet SNR-niveau (-24, -18, -12, -6, -3, 0, 3, 6, 12 dB SNR). Opkaldene er 1 s lange, og tiden mellem stimuli er 3 s. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Pupillometri estimater af opkaldsstøjdetekteringer og kategoriseringstærskler . (A) Gennemsnitlige pupilresponser fra tre dyr. Gennemsnitlige pupilresponser på standard whine stimuli er repræsenteret af blå linje, og skygge svarer til ±1 standardfejl af middel (s.e.m.). Grå linjer og skygge svarer til middelværdi og ±1 s.e.m. af elevresponser fremkaldt af afvigende hvæsenstimuli. Grå skyggeintensitet svarer til SNR. Grøn linje og skygge svarer til gennemsnitlig pupilspor ved tærskel SNR (ca. -18 dB SNR). Rød lodret linje svarer til stimulusdebut; orange lodret linje svarer til luftpustens begyndelse; blågrønne stiplede linjer svarer til GCA-vinduet (PD ændrer stigende fase). (B) GCA passer til den stigende fase af PD-ændringer. Prikker er gennemsnitlig pupildiameter i 100 ms tidsbeholdere, whiskers svarer til ±1 s.e.m. Ubrudte linjer svarer til modeltilpasninger med blandede effekter. Stregfarver som i A. (C) GCA-vægtestimater. Skæringspunktets vægte er i blåt, hældningen er i rødt, og accelerationen er i lilla. Whiskers svarer til ±1 s.e.m. Stjerner viser statistisk signifikante regressionsvægte (lineær hypotesetest på lineære regressionsmodelkoefficienter). (D) Psykometrisk funktion passer til procentdelen af forsøg med signifikante PD-ændringer fremkaldt af den afvigende stimulus som funktion af SNR. Whiskers svarer til ±1 s.e.m. Bemærk, at 50% af maksimum nås ved ca. -20 dB SNR (grøn stiplet linje). Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne protokol demonstrerer brugen af pupillometri som en ikke-invasiv og pålidelig metode til at estimere auditive tærskler hos passivt lyttende dyr. I overensstemmelse med den her beskrevne protokol blev der estimeret tærskler for kalkulering af støj hos normalthørende læger. Tærskler beregnet ved hjælp af pupillometri viste sig at være i overensstemmelse med dem, der blev opnået ved hjælp af operant træning62. Sammenlignet med operant træning var pupillometriprotokollen imidlertid relativt ligetil og hurtig at oprette og hente data. Hver dataindsamlingssession (pr. SNR-niveau) varede ca. 12 minutter, hvilket resulterede i 1-2 timers eksperimentelle sessioner (på tværs af SNR-niveauer) pr. dyr pr. dag49. Dataindsamling kan afsluttes på ca. 7-10 dage (afhængigt af antallet af anvendte SNR-niveauer). Selvom oddball-paradigmet blev brugt til kalkulationstærskelestimering i dette manuskript, kan denne pupillometriprotokol tilpasses til lettere versioner af oddball-paradigmer, hvor kun et kaldseksempel bruges, eller til andre stimulusparadigmer ved hjælp af en bred vifte af komplekse eller enkle stimuli49.

Metoden er ikke uden ulemper. For det første kræver den nuværende protokol implantatet af en hovedstolpe for at fastgøre hovedet under disse eksperimenter. Hovedoperation efter implantat og genopretning vil tilføje mindst 2 uger til tidslinjen for den eksperimentelle protokol. Det er muligt, at dette trin kan undgås ved at bruge andre metoder til ikke-invasivt immobilisering af vågne dyr under forsøg - for eksempel ved at bruge brugerdefinerede 3D-printede hjelme63 eller deformerbare termoplaster64. Yderligere eksperimenter er nødvendige for at udforske disse løsninger. For det andet kunne dyr også hurtigt vænne sig til afvigende stimuli, hvilket resulterede i faldende pupildilatationsresponser i løbet af en eksperimentel session. Denne effekt kunne minimeres ved at begrænse eksperimentelle sessioner til korte varigheder (~ 12 min) og kun præsentere et begrænset antal (8) afvigende stimuli. Desuden kan et luftpust leveret efter de afvigende stimuli sikre, at dyrene forbliver engagerede i de auditive stimuli. For det tredje kan det på grund af denne hurtige tilvænning være nødvendigt med flere dage for at gennemføre dataindsamlingen. Ved kun at teste SNR-værdier, der tæt sampler de stejleste dele af den psykometriske kurve, kan det samlede antal eksperimentelle dage minimeres. For det fjerde må dyrene ikke holde sig stille under forsøgene, blinke overdrevent eller lukke øjnene under forsøgene. Disse faktorer er en funktion af arter og akklimatisering og viser en høj grad af individuel variabilitet. Læger er naturligt føjelige, og ved at akklimatisere dem godt til den eksperimentelle opsætning kan bevægelses- og blinkartefakter minimeres. Spontane blink og saccader er typisk ret sjældne hos marsvin49, men dette kan også være en funktion af arten. Endelig har pupildynamikken hos mennesker som tidligere nævnt været forbundet med en række neuropsykiatriske lidelser. Mens de forsøgsdyr, der anvendes her, antages at være neurotypiske, skal denne advarsel huskes, når resultaterne fortolkes.

Mens en hardwareimplementering af pupillometri er beskrevet her (ved hjælp af en kommercielt tilgængelig eye tracker og neurale dataindsamlingssystem), er det nødvendige udstyr dyrt og ikke økonomisk at opskalere. Der findes dog andre tilpassede løsninger baseret på det samme underliggende princip om infrarødbaseret øjensporing, som er mere omkostningseffektive. For eksempel brugte en undersøgelse brugerdefinerede komponenter og brugerdefinerede videobehandlingsalgoritmer til at udtrække pupildiameter fra den optagede video22,25. Nyligt udviklede deep learning-algoritmer er også i stand til at udtrække elevdiameter fra videografiske data65,66. Disse løsninger kan mere end halvere omkostningerne ved pupillometririgge. Afvejningen her er mellem udgifter og tid - mens kommercielle løsninger er dyrere, er de nøglefærdige løsninger, der kan bruges ud af kassen. På den anden side er brugerdefinerede løsninger omkostningseffektive og skalerbare, men kræver ekspertise at konfigurere og den tid, der er nødvendig for at udvikle brugerdefinerede analysepipelines.

Selvom den her beskrevne protokol blev udført hos normalthørende praktiserende læger, kunne pupillometri være relativt let at bruge i andre dyremodeller for hørenedsættelse med passende ændringer i stimulustype og parametre. Dette ville gøre det muligt at karakterisere virkningerne af høretab på tværs af en række stimulustyper og arter, hvilket potentielt kunne give nye observationer. Da pupillometri er en ikke-invasiv teknik, der også er blevet brugt i vid udstrækning hos mennesker, ved at bruge de samme stimuli, der anvendes til dyreforsøgspersoner, kan pupillometri bruges til at sammenligne virkningerne af forskellige auditive patologier på tværs af arter. For eksempel viste en nylig metaanalyse hos mennesker, at tale-i-støj-opfattelsesunderskud som følge af moderat støjeksponering bedst blev observeret, når komplekse og tidsmæssigt varierende stimuli blev anvendt67. Den estimering af tærskelværdier for støjkategorisering efter pupillometri, der demonstreres her, kunne bruges som en sådan opgave ved hjælp af komplekse stimuli til at evaluere virkningerne af støjeksponering hos praktiserende læger. Vurderingen af hørelsen på adfærdsniveau ved hjælp af disse metoder ville supplere elektrofysiologiske og anatomiske metoder og kunne være en del af standardværktøjskassen til evaluering af forskellige kendte høreforstyrrelser.

Afslutningsvis er følgende punkter afgørende for en vellykket erhvervelse af pupillometriske data. For det første er det afgørende at gøre dyrene godt bekendt med forsøgsopstillingen for at sikre et højt dataudbytte. Manglende tålmodighed i dette trin kan forringe kvaliteten af data, der til sidst opnås, eller nødvendiggøre gentagelse af flere sessioner for at kompensere for de tabte sessioner. For det andet, for at undgå luminansrelaterede PD-ændringer, er det vigtigt at udføre eksperimenter under konstante belysningsforhold og opretholde disse forhold mellem sessioner og emner så meget som muligt. For det tredje er det vigtigt at udføre pilotforsøg for at identificere kritiske parameterområder for tæt prøveudtagning for at minimere antallet af nødvendige eksperimentelle sessioner. For det fjerde, for at minimere dyrenes tilvænning til stimuli, er det vigtigt at udføre eksperimenter i korte sessioner, der kun indeholder få præsentationer af afvigende stimuli. Et luftpust kan desuden bruges til at opretholde et højt engagement med de auditive stimuli.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af NIH (R01DC017141), Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation og midler fra afdelingerne for otolaryngologi og neurobiologi, University of Pittsburgh.

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

Neurovidenskab udgave 191
Pupillometri til vurdering af auditiv fornemmelse hos marsvin
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