Pupillometri, en enkel og ikke-invasiv teknikk, foreslås som en metode for å bestemme hørsel-i-støy-terskler hos normale hørende dyr og dyremodeller av ulike auditive patologier.
Støyeksponering er en ledende årsak til sensorinevralt hørselstap. Dyremodeller av støyindusert hørselstap har generert mekanistisk innsikt i de underliggende anatomiske og fysiologiske patologiene ved hørselstap. Imidlertid er det fortsatt utfordrende å relatere atferdsunderskudd observert hos mennesker med hørselstap til atferdsunderskudd i dyremodeller. Her foreslås pupillometri som en metode som muliggjør direkte sammenligning av dyre- og menneskelige atferdsdata. Metoden er basert på et modifisert oddball-paradigme – habituating emnet til gjentatt presentasjon av en stimulus og intermitterende presenterer en avvikende stimulus som varierer på en parametrisk måte fra den gjentatte stimulansen. Den grunnleggende forutsetningen er at hvis endringen mellom den gjentatte og avvikende stimulansen oppdages av motivet, vil det utløse en elevdilatasjonsrespons som er større enn den som fremkalles av den gjentatte stimulansen. Denne tilnærmingen er demonstrert ved hjelp av en vokaliseringskategoriseringsoppgave hos marsvin, en dyremodell som er mye brukt i auditiv forskning, inkludert i hørselstapstudier. Ved å presentere vokaliseringer fra en vokaliseringskategori som standard stimuli og en annen kategori som oddballstimuli innebygd i støy ved forskjellige signal-støy-forhold, er det demonstrert at størrelsen på elevutvidelsen som respons på oddball-kategorien varierer monotont med signal-støy-forholdet. Vekstkurveanalyser kan deretter brukes til å karakterisere tidsforløpet og statistisk signifikans av disse elevutvidelsesresponsene. I denne protokollen beskrives detaljerte prosedyrer for akklimatisering av marsvin til oppsettet, gjennomføring av pupillometri og evaluering/analyse av data. Selv om denne teknikken er demonstrert hos marsvin med normal hørsel i denne protokollen, kan metoden brukes til å vurdere sensoriske effekter av ulike former for hørselstap hos hvert forsøksperson. Disse effektene kan da korreleres med samtidige elektrofysiologiske målinger og post-hoc anatomiske observasjoner.
Pupilldiameter (PD) kan påvirkes av en lang rekke faktorer, og måling av PD som endres over tid kalles pupillometri. PD styres av iris-lukkemuskelen (involvert i innsnevring) og irisdilatatormuskelen (involvert i dilatasjon). Innsnevringsmuskelen er innervert av det parasympatiske systemet og involverer kolinerge fremspring, mens irisdilatatoren er innervert av det sympatiske systemet som involverer noradrenerge og kolinerge projeksjoner 1,2,3. Den mest kjente stimulansen for å indusere PD-endringer er luminansinnsnevring og dilatasjonsresponser av pupillen kan produseres ved variasjoner i omgivelseslysintensitet2. PD endres også som en funksjon av brennvidde2. Det har imidlertid vært kjent i flere tiår at PD også viser ikke-luminansrelaterte svingninger 4,5,6,7. For eksempel kan endringer i indre mentale tilstander fremkalle forbigående PD-endringer. Eleven utvider seg som respons på følelsesmessig ladede stimuli eller øker med opphisselse 4,5,8,9. Elevutvidelse kan også være relatert til andre kognitive mekanismer, for eksempel økt mental innsats eller oppmerksomhet10,11,12,13. På grunn av dette forholdet mellom elevstørrelsesvariasjoner og mentale tilstander, har PD-endringer blitt utforsket som en markør for kliniske lidelser som schizofreni 14,15, angst 16,17,18, Parkinsons sykdom 19,20 og Alzheimers sykdom 21 blant andre. Hos dyr sporer PD-endringer interne atferdstilstander og er korrelert med nevronaktivitetsnivåer i kortikale områder22,23,24,25. Pupilldiameter har også vist seg å være en pålitelig indikator på søvntilstanden hos mus26. Disse PD-endringene relatert til opphisselse og den indre tilstanden forekommer vanligvis på lange tidsskalaer i størrelsesorden flere titalls sekunder.
Innen hørselsforskning, både hos normalhørsel og hørselshemmede, har lytteanstrengelse og auditiv persepsjon blitt vurdert ved hjelp av pupillometri. Disse studiene involverer vanligvis trente forskningspersoner27,28,29,30 som utfører ulike typer deteksjons- eller anerkjennelsesoppgaver. På grunn av det nevnte forholdet mellom opphisselse og PD, har økt oppgaveengasjement og lytteinnsats vist seg å være korrelert med økte elevutvidelsesresponser 30,31,32,33,34,35. Dermed har pupillometri blitt brukt til å demonstrere at økt lytteinnsats brukes til å gjenkjenne spektralt degradert tale hos normalhørende lyttere29,36. Hos hørselshemmede lyttere, som mennesker med aldersrelatert hørselstap 27,30,37,38,39,40,41 og cochleaimplantatbrukere 42,43, økte også elevresponsen med redusert taleforståelse. Hørselshemmede lyttere viste imidlertid større utvidelse av pupillene under lettere lytteforhold sammenlignet med normalthørende personer 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Men eksperimenter som krever at lytteren utfører en anerkjennelsesoppgave, er ikke alltid mulig – for eksempel hos spedbarn eller i noen dyremodeller. Dermed kan ikke-luminansrelaterte elevresponser fremkalt av akustiske stimuli være en levedyktig alternativ metode for å vurdere auditiv deteksjon i disse tilfellene44,45. Tidligere studier viste en forbigående og stimulusbundet pupillutvidelse som en del av orienteringsrefleksen46. Senere studier har vist bruk av stimulusbundne elevdilatasjoner for å utlede frekvensfølsomhetskurver i ugler47,48. Nylig har disse metodene blitt tilpasset for å vurdere sensitiviteten av elevutvidelsesresponsen hos spedbarn48. Pupillometri har vist seg å være en pålitelig og ikke-invasiv tilnærming for å estimere terskler for auditiv deteksjon og diskriminering hos passivt lyttende marsvin (GP) ved å bruke et bredt spekter av enkle (toner) og komplekse (GP-vokaliseringer) stimuli49. Disse stimulusrelaterte PD-endringene forekommer vanligvis ved raskere tidsskalaer i størrelsesorden flere sekunder og er knyttet til stimulustiming. Her foreslås pupillometri av stimulusrelaterte PD-endringer som en metode for å studere atferdseffekter av ulike typer hørselshemming i dyremodeller. Spesielt er pupillometriprotokoller til bruk hos allmennleger, en veletablert dyremodell av ulike typer auditive patologier50,51,52,53,54,55,56 (se også referanse 57 for en uttømmende gjennomgang) beskrevet.
Selv om denne teknikken er demonstrert hos fastleger med normal hørsel, kan disse metodene lett tilpasses andre dyremodeller og dyremodeller av ulike auditive patologier. Det er viktig at pupillometri kan kombineres med andre ikke-invasive målinger som EEG, samt med invasive elektrofysiologiske opptak for å studere mekanismene som ligger til grunn for mulige lyddeteksjons- og persepsjonsunderskudd. Endelig kan denne tilnærmingen også brukes til å etablere brede likheter mellom menneske- og dyremodeller.
Denne protokollen demonstrerer bruk av pupillometri som en ikke-invasiv og pålitelig metode for å estimere auditive terskler hos passivt lyttende dyr. Etter protokollen beskrevet her, ble innkallingsstøykategoriseringsterskler hos normale hørselsallmennleger estimert. Terskler estimert ved hjelp av pupillometri ble funnet å være konsistente med de som ble oppnådd ved bruk av operant trening62. Sammenlignet med operant trening var pupillometriprotokollen imidlertid relativt enkel og rask å …
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av NIH (R01DC017141), Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation, og midler fra avdelingene for Otolaryngology og nevrobiologi, 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 |