pupillometria per valutare la sensazione uditiva nelle cavie

Summary

La pupillometria, una tecnica semplice e non invasiva, viene proposta come metodo per determinare le soglie uditive in animali udenti normali e modelli animali di varie patologie uditive.

Abstract

L’esposizione al rumore è una delle principali cause di perdita dell’udito neurosensoriale. I modelli animali di perdita dell’udito indotta dal rumore hanno generato informazioni meccanicistiche sulle patologie anatomiche e fisiologiche sottostanti della perdita dell’udito. Tuttavia, mettere in relazione i deficit comportamentali osservati negli esseri umani con perdita dell’udito e i deficit comportamentali nei modelli animali rimane difficile. Qui, la pupillometria è proposta come un metodo che consentirà il confronto diretto dei dati comportamentali animali e umani. Il metodo si basa su un paradigma stravagante modificato – abituando il soggetto alla presentazione ripetuta di uno stimolo e presentando in modo intermittente uno stimolo deviante che varia in qualche modo parametrico dallo stimolo ripetuto. La premessa fondamentale è che se il cambiamento tra lo stimolo ripetuto e deviante viene rilevato dal soggetto, innescherà una risposta di dilatazione della pupilla che è più grande di quella suscitata dallo stimolo ripetuto. Questo approccio è dimostrato utilizzando un compito di categorizzazione della vocalizzazione nelle cavie, un modello animale ampiamente utilizzato nella ricerca uditiva, compresi gli studi sulla perdita dell’udito. Presentando le vocalizzazioni di una categoria di vocalizzazione come stimoli standard e una seconda categoria come stimoli strani incorporati nel rumore a vari rapporti segnale-rumore, è dimostrato che l’entità della dilatazione della pupilla in risposta alla categoria oddball varia monotonamente con il rapporto segnale-rumore. Le analisi della curva di crescita possono quindi essere utilizzate per caratterizzare il decorso temporale e la significatività statistica di queste risposte di dilatazione della pupilla. In questo protocollo vengono descritte procedure dettagliate per acclimatare le cavie all’installazione, condurre la pupillometria e valutare / analizzare i dati. Sebbene questa tecnica sia dimostrata in cavie con udito normale in questo protocollo, il metodo può essere utilizzato per valutare gli effetti sensoriali di varie forme di perdita dell’udito all’interno di ciascun soggetto. Questi effetti possono quindi essere correlati con misure elettrofisiologiche concomitanti e osservazioni anatomiche post-hoc.

Introduction

Il diametro della pupilla (PD) può essere influenzato da un ampio numero di fattori e la misurazione del PD che cambia nel tempo è nota come pupillometria. Il PD è controllato dal muscolo sfintere dell’iride (coinvolto nella costrizione) e dal muscolo dilatatore dell’iride (coinvolto nella dilatazione). Il muscolo costrittivo è innervato dal sistema parasimpatico e comporta proiezioni colinergiche, mentre il dilatatore dell’iride è innervato dal sistema simpatico che coinvolge proiezioni noradrenergiche e colinergiche ^1,2,3. Lo stimolo più noto per indurre cambiamenti di PD è la costrizione della luminanza e le risposte di dilatazione della pupilla possono essere prodotte da variazioni nell’intensità della luce ambientale². Il PD cambia anche in funzione della distanza focale². È noto da decenni, tuttavia, che il PD mostra anche fluttuazioni non legate alla luminanza 4,5,6,7. Ad esempio, i cambiamenti negli stati mentali interni possono provocare cambiamenti transitori di PD. La pupilla si dilata in risposta a stimoli emotivamente carichi o aumenta con l’eccitazione 4,5,8,9. La dilatazione della pupilla potrebbe anche essere correlata ad altri meccanismi cognitivi, come l’aumento dello sforzo mentale o dell’attenzione^10,11,12,13. A causa di questa relazione tra variazioni delle dimensioni della pupilla e stati mentali, i cambiamenti del PD sono stati esplorati come marker di disturbi clinici come la schizofrenia 14,15, l’ansia 16,17,18, il morbo di Parkinson ^19,20 e il morbo di Alzheimer ²¹ , tra gli altri. Negli animali, i cambiamenti di PD tracciano gli stati comportamentali interni e sono correlati con i livelli di attività neuronale nelle aree corticali^22,23,24,25. Il diametro della pupilla ha anche dimostrato di essere un indicatore affidabile dello stato di sonno nei topi²⁶. Questi cambiamenti PD legati all’eccitazione e allo stato interno si verificano tipicamente su lunghe scale temporali dell’ordine di diverse decine di secondi.

Nel campo della ricerca sull’udito, sia nei soggetti con udito normale che in soggetti con problemi di udito, lo sforzo di ascolto e la percezione uditiva sono stati valutati utilizzando la pupillometria. Questi studi coinvolgono in genere soggetti di ricerca addestrati^27,28,29,30 che svolgono vari tipi di compiti di rilevamento o riconoscimento. A causa della suddetta relazione tra eccitazione e PD, è stato dimostrato che l’aumento del coinvolgimento del compito e dello sforzo di ascolto è correlato con un aumento delle risposte di dilatazione della pupilla 30,31,32,33,34,35. Pertanto, la pupillometria è stata utilizzata per dimostrare che viene speso un maggiore sforzo di ascolto per riconoscere il parlato spettralmente degradato negli ascoltatori con udito normale^29,36. Negli ascoltatori con problemi di udito, come gli esseri umani con perdita dell’udito legata all’età 27,30,37,38,39,40,41 e gli utenti di impianti cocleari ^42,43, anche le risposte della pupilla sono aumentate con la diminuzione dell’intelligibilità del parlato; Tuttavia, gli ascoltatori con problemi di udito hanno mostrato una maggiore dilatazione della pupilla in condizioni di ascolto più facili rispetto ai normali soggetti uditivi 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Ma gli esperimenti che richiedono all’ascoltatore di eseguire un compito di riconoscimento non sono sempre possibili, ad esempio nei neonati o in alcuni modelli animali. Pertanto, le risposte della pupilla non legate alla luminanza evocate da stimoli acustici potrebbero essere un metodo alternativo praticabile per valutare il rilevamento uditivo in questi casi^44,45. Studi precedenti hanno dimostrato una dilatazione della pupilla transitoria e legata allo stimolo come parte del riflesso di orientamento⁴⁶. Studi successivi hanno dimostrato l’uso di dilatazioni della pupilla legate allo stimolo per derivare curve di sensibilità alla frequenza nei gufi^47,48. Recentemente, questi metodi sono stati adattati per valutare la sensibilità della risposta alla dilatazione della pupilla nei neonati umani⁴⁸. La pupillometria ha dimostrato di essere un approccio affidabile e non invasivo per stimare le soglie di rilevamento e discriminazione uditiva nelle cavie (GP) che ascoltano passivamente utilizzando una vasta gamma di stimoli semplici (toni) e complessi (vocalizzazioni GP)⁴⁹. Questi cambiamenti PD correlati allo stimolo si verificano tipicamente su scale temporali più veloci dell’ordine di diversi secondi e sono collegati alla tempistica dello stimolo. Qui, la pupillometria dei cambiamenti PD correlati allo stimolo viene proposta come metodo per studiare gli impatti comportamentali di vari tipi di problemi uditivi in modelli animali. In particolare, vengono descritti i protocolli di pupillometria per l’uso nei medici generici, un modello animale consolidato di vari tipi di patologie uditive 50,51,52,53,54,55,56 (vedi anche riferimento ⁵⁷ per una revisione esaustiva).

Sebbene questa tecnica sia dimostrata nei medici di base con udito normale, questi metodi possono essere facilmente adattati ad altri modelli animali e modelli animali di varie patologie uditive. È importante sottolineare che la pupillometria può essere combinata con altre misurazioni non invasive come l’EEG, nonché con registrazioni elettrofisiologiche invasive al fine di studiare i meccanismi alla base di possibili deficit di rilevamento e percezione del suono. Infine, questo approccio può anche essere utilizzato per stabilire ampie somiglianze tra modelli umani e animali.

Protocol

Per tutte le procedure sperimentali, ottenere l’approvazione dal Comitato istituzionale per la cura e l’uso degli animali (IACUC) e aderire alle linee guida NIH per la cura e l’uso di animali da laboratorio. Negli Stati Uniti d’America, i medici generici sono inoltre soggetti alle normative del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti (USDA). Tutte le procedure di questo protocollo sono state approvate dall’Università di Pittsburgh IACUC e hanno aderito alle linee guida NIH per la cura e l’uso di animali da labor…

Representative Results

La pupillometria è stata eseguita in tre GP pigmentati maschili, del peso di ~ 600-1.000 g nel corso degli esperimenti. Come descritto in questo protocollo, per stimare le soglie di categorizzazione del call-in-noise, è stato utilizzato un paradigma stravagante per la presentazione dello stimolo. Nel paradigma oddball, i richiami appartenenti a una categoria (whines) incorporati nel rumore bianco in un dato SNR sono stati impiegati come stimoli standard (Figura 2A), e le chiamate da un’altra categoria (wheeks) incorpor…

Discussion

Questo protocollo dimostra l’uso della pupillometria come metodo non invasivo e affidabile per stimare le soglie uditive in animali che ascoltano passivamente. Seguendo il protocollo qui descritto, sono state stimate le soglie di categorizzazione del rumore di chiamata nei medici generici con udito normale. Le soglie stimate utilizzando la pupillometria sono risultate coerenti con quelle ottenute utilizzando l’addestramento operante⁶². Rispetto alla formazione operativa, tuttavia, il protocollo di…

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