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.
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.
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.
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 …
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af NIH (R01DC017141), Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation og midler fra afdelingerne for otolaryngologi og neurobiologi, University of Pittsburgh.
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 |