Summary

Pupillometri til vurdering af auditiv fornemmelse hos marsvin

Published: January 06, 2023
doi:

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.

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 1…

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) s…

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 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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

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, &. #. 2. 1. 4. ;., 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).
check_url/kr/64581?article_type=t

Play Video

Cite This Article
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).

View Video