Pupillometrie zur Beurteilung des Hörempfindens bei Meerschweinchen

Summary

Die Pupillometrie, eine einfache und nicht-invasive Technik, wird als Methode zur Bestimmung von Hörschwellen bei normal hörenden Tieren und Tiermodellen verschiedener auditiver Pathologien vorgeschlagen.

Abstract

Lärmbelastung ist eine der Hauptursachen für Schallempfindungsschwerhörigkeit. Tiermodelle für lärmbedingten Hörverlust haben mechanistische Einblicke in die zugrunde liegenden anatomischen und physiologischen Pathologien von Hörverlust ermöglicht. Es bleibt jedoch schwierig, Verhaltensdefizite, die bei Menschen mit Hörverlust beobachtet wurden, mit Verhaltensdefiziten in Tiermodellen in Beziehung zu setzen. Hier wird die Pupillometrie als eine Methode vorgeschlagen, die den direkten Vergleich von Verhaltensdaten von Tieren und Menschen ermöglicht. Die Methode basiert auf einem modifizierten seltsamen Paradigma – das Subjekt wird an die wiederholte Präsentation eines Stimulus gewöhnt und intermittierend ein abweichender Stimulus präsentiert, der in irgendeiner parametrischen Weise vom wiederholten Stimulus abweicht. Die grundlegende Prämisse ist, dass, wenn der Wechsel zwischen dem wiederholten und dem abweichenden Reiz vom Subjekt erkannt wird, er eine Pupillenerweiterungsreaktion auslöst, die größer ist als die, die durch den wiederholten Reiz ausgelöst wird. Dieser Ansatz wird anhand einer Vokalisationskategorisierungsaufgabe bei Meerschweinchen demonstriert, einem Tiermodell, das in der Hörforschung, einschließlich in Studien zu Hörverlust, weit verbreitet ist. Durch die Darstellung von Lautäußerungen aus einer Vokalisationskategorie als Standardreize und einer zweiten Kategorie als seltsame Reize, die in Rauschen eingebettet sind, bei verschiedenen Signal-Rausch-Verhältnissen wird gezeigt, dass das Ausmaß der Pupillenerweiterung als Reaktion auf die seltsame Kategorie monoton mit dem Signal-Rausch-Verhältnis variiert. Wachstumskurvenanalysen können dann verwendet werden, um den zeitlichen Verlauf und die statistische Signifikanz dieser Pupillenerweiterungsreaktionen zu charakterisieren. In diesem Protokoll werden detaillierte Verfahren zur Akklimatisierung von Meerschweinchen an den Aufbau, zur Durchführung der Pupillometrie und zur Auswertung/Analyse der Daten beschrieben. Obwohl diese Technik in diesem Protokoll bei normal hörenden Meerschweinchen demonstriert wird, kann die Methode verwendet werden, um die sensorischen Auswirkungen verschiedener Formen von Hörverlust bei jedem Probanden zu beurteilen. Diese Effekte können dann mit gleichzeitigen elektrophysiologischen Messungen und post-hoc anatomischen Beobachtungen korreliert werden.

Introduction

Der Pupillendurchmesser (PD) kann von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden, und die Messung der PD, die sich im Laufe der Zeit ändert, wird als Pupillometrie bezeichnet. Die Parkinson-Krankheit wird durch den Irisschließmuskel (an der Verengung beteiligt) und den Irisdilatatormuskel (an der Dilatation beteiligt) gesteuert. Der Konstriktionsmuskel wird vom Parasympathikus innerviert und beinhaltet cholinerge Projektionen, während der Irisdilatator vom sympathischen System mit noradrenergen und cholinergen Projektionen ^1,2,3 innerviert wird. Der bekannteste Stimulus zur Induktion von Parkinson-Veränderungen ist die Luminanz-Verengung, und die Dilatationsreaktionen der Pupille können durch Variationen der Umgebungslichtintensität^{hervorgerufen werden 2}. PD ändert sich auch in Abhängigkeit von Brennweite². Es ist jedoch seit Jahrzehnten bekannt, dass PD auch nicht-luminanzbedingte Schwankungen aufweist 4,5,6,7. Zum Beispiel können Veränderungen in inneren mentalen Zuständen vorübergehende Parkinson-Veränderungen hervorrufen. Die Pupille erweitert sich als Reaktion auf emotional aufgeladene Reize oder nimmt mit Erregung zu 4,5,8,9. Die Pupillenerweiterung könnte auch mit anderen kognitiven Mechanismen zusammenhängen, wie z. B. erhöhter geistiger Anstrengung oder Aufmerksamkeit^10,11,12,13. Aufgrund dieses Zusammenhangs zwischen Pupillengrößenschwankungen und psychischen Zuständen wurden Parkinson-Veränderungen als Marker für klinische Störungen wie Schizophrenie 14,15, Angstzustände 16,17,18, Parkinson ^19,20 und Alzheimer ²¹ untersucht unter anderem. Bei Tieren verfolgen Parkinson-Veränderungen interne Verhaltenszustände und korrelieren mit neuronalen Aktivitätsniveaus in kortikalen Bereichen^22,23,24,25. Es hat sich auch gezeigt, dass der Pupillendurchmesser ein zuverlässiger Indikator für den Schlafzustand bei Mäusen ist²⁶. Diese PD-Veränderungen im Zusammenhang mit Erregung und dem inneren Zustand treten typischerweise auf langen Zeitskalen in der Größenordnung von mehreren zehn Sekunden auf.

Im Bereich der Hörforschung wurden sowohl bei normalhörenden als auch bei hörgeschädigten Probanden die Höranstrengung und die Hörwahrnehmung mittels Pupillometrie erfasst. An diesen Studien sind in der Regel geschulte Probanden^27,28,29,30 beteiligt^, die verschiedene Arten von Erkennungs- oder Erkennungsaufgaben ausführen. Aufgrund des oben erwähnten Zusammenhangs zwischen Erregung und Parkinson wurde gezeigt, dass ein erhöhtes Aufgabenengagement und eine erhöhte Höranstrengung mit erhöhten Pupillenerweiterungsreaktionen korrelieren 30,31,32,33,34,35. Daher wurde die Pupillometrie verwendet, um zu zeigen, dass eine erhöhte Höranstrengung aufgewendet wird, um spektral verschlechterte Sprache bei normal hörenden Zuhörern zu erkennen^29,36. Bei hörgeschädigten Zuhörern, wie z. B. Menschen mit altersbedingtem Hörverlust 27,30,37,38,39,40,41 und Cochlea-Implantat-Trägern ^42,43, nahmen die Pupillenreaktionen mit abnehmender Sprachverständlichkeit ebenfalls zu; Hörgeschädigte Zuhörer zeigten jedoch eine größere Pupillenerweiterung bei leichteren Hörbedingungen im Vergleich zu normal hörenden Probanden 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Experimente, bei denen der Zuhörer eine Erkennungsaufgabe ausführen muss, sind jedoch nicht immer möglich – zum Beispiel bei Säuglingen oder in einigen Tiermodellen. Daher könnten nicht-luminanzbezogene Pupillenreaktionen, die durch akustische Reize hervorgerufen werden, eine praktikable alternative Methode zur Beurteilung der auditiven Detektion in diesen Fällen sein^44,45. Frühere Studien zeigten eine transiente und reizgebundene Pupillenerweiterung als Teil des Orientierungsreflexes⁴⁶. Spätere Studien haben die Verwendung von stimulusgebundenen Pupillenerweiterungen zur Ableitung von Frequenzempfindlichkeitskurven bei Eulen gezeigt^47,48. In jüngster Zeit wurden diese Methoden angepasst, um die Sensitivität der Pupillenerweiterungsreaktion bei menschlichen Säuglingen zu beurteilen⁴⁸. Die Pupillometrie hat sich als zuverlässiger und nicht-invasiver Ansatz zur Abschätzung der auditiven Erkennungs- und Unterscheidungsschwellen bei passiv hörenden Meerschweinchen (GPs) unter Verwendung einer breiten Palette einfacher (Töne) und komplexer (GP-Vokalisationen) Reize erwiesen⁴⁹. Diese stimulusbedingten PD-Änderungen treten typischerweise auf schnelleren Zeitskalen in der Größenordnung von mehreren Sekunden auf und sind mit dem Stimulus-Timing verbunden. Hier wird die Pupillometrie von stimulusbedingten Parkinson-Veränderungen als Methode vorgeschlagen, um die Verhaltensauswirkungen verschiedener Arten von Hörstörungen in Tiermodellen zu untersuchen. Insbesondere werden Pupillometrieprotokolle für den Einsatz bei Hausärzten, ein gut etabliertes Tiermodell für verschiedene Arten von Hörpathologien 50,51,52,53,54,55,56 (siehe auch Referenz ⁵⁷ für eine umfassende Übersicht) beschrieben.

Obwohl diese Technik bei normalhörenden Hausärzten demonstriert wird, können diese Methoden leicht an andere Tiermodelle und Tiermodelle verschiedener Hörpathologien angepasst werden. Wichtig ist, dass die Pupillometrie mit anderen nicht-invasiven Messungen wie EEG sowie mit invasiven elektrophysiologischen Aufzeichnungen kombiniert werden kann, um die Mechanismen zu untersuchen, die möglichen Schalldetektions- und Wahrnehmungsdefiziten zugrunde liegen. Schließlich kann dieser Ansatz auch verwendet werden, um große Ähnlichkeiten zwischen Mensch- und Tiermodellen herzustellen.

Protocol

Holen Sie für alle experimentellen Verfahren die Genehmigung des Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) ein und halten Sie sich an die NIH-Richtlinien für die Pflege und Verwendung von Labortieren. In den Vereinigten Staaten von Amerika unterliegen Hausärzte zusätzlich den Vorschriften des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA). Alle Verfahren in diesem Protokoll wurden von der IACUC der University of Pittsburgh genehmigt und entsprachen den NIH-Richtlinien für die Pflege und Verwendung von Labortieren. …

Representative Results

Die Pupillometrie wurde an drei männlichen pigmentierten Hausärzten mit einem Gewicht von ~600-1.000 g im Verlauf der Experimente durchgeführt. Wie in diesem Protokoll beschrieben, wurde zur Schätzung der Schwellenwerte für die Kategorisierung von Call-in-Noise ein seltsames Paradigma für die Stimuluspräsentation verwendet. Im seltsamen Paradigma wurden Rufe, die zu einer Kategorie gehörten (Jammern), die bei einem bestimmten SNR in weißes Rauschen eingebettet waren, als Standardreize verwendet (Abbildung 2A) un…

Discussion

Dieses Protokoll demonstriert die Verwendung der Pupillometrie als nicht-invasive und zuverlässige Methode zur Abschätzung der Hörschwellen bei passiv hörenden Tieren. In Anlehnung an das hier beschriebene Protokoll wurden die Schwellenwerte für die Kategorisierung von Anrufgeräuschen bei normalhörenden Hausärzten geschätzt. Es wurde festgestellt, dass die Schwellenwerte, die mit Hilfe der Pupillometrie geschätzt wurden, mit denen übereinstimmten, die durch operantes Training⁶² erhalten…

Materials

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