Pupillométrie pour évaluer la sensation auditive chez les cobayes

Summary

La pupillométrie, technique simple et non invasive, est proposée comme méthode pour déterminer les seuils d’audition dans le bruit chez les animaux entendants normaux et les modèles animaux de diverses pathologies auditives.

Abstract

L’exposition au bruit est l’une des principales causes de perte auditive neurosensorielle. Les modèles animaux de perte auditive induite par le bruit ont généré un aperçu mécaniste des pathologies anatomiques et physiologiques sous-jacentes de la perte auditive. Cependant, relier les déficits comportementaux observés chez les humains atteints de perte auditive aux déficits comportementaux dans les modèles animaux reste difficile. Ici, la pupillométrie est proposée comme une méthode qui permettra la comparaison directe des données comportementales animales et humaines. La méthode est basée sur un paradigme bizarre modifié – habituant le sujet à la présentation répétée d’un stimulus et présentant par intermittence un stimulus déviant qui varie de manière paramétrique du stimulus répété. La prémisse fondamentale est que si le changement entre le stimulus répété et le stimulus déviant est détecté par le sujet, il déclenchera une réponse de dilatation pupillaire plus importante que celle provoquée par le stimulus répété. Cette approche est démontrée à l’aide d’une tâche de catégorisation de vocalisation chez les cobayes, un modèle animal largement utilisé dans la recherche auditive, y compris dans les études de perte auditive. En présentant les vocalisations d’une catégorie de vocalisation comme des stimuli standard et d’une deuxième catégorie comme des stimuli bizarres intégrés dans le bruit à divers rapports signal sur bruit, il est démontré que l’ampleur de la dilatation de la pupille en réponse à la catégorie oddball varie de manière monotone avec le rapport signal sur bruit. Les analyses de la courbe de croissance peuvent ensuite être utilisées pour caractériser l’évolution temporelle et la signification statistique de ces réponses de dilatation des pupilles. Dans ce protocole, des procédures détaillées pour acclimater les cobayes à la configuration, effectuer une pupillométrie et évaluer / analyser les données sont décrites. Bien que cette technique soit démontrée chez des cobayes entendants normaux dans ce protocole, la méthode peut être utilisée pour évaluer les effets sensoriels de diverses formes de perte auditive chez chaque sujet. Ces effets peuvent ensuite être corrélés avec des mesures électrophysiologiques simultanées et des observations anatomiques post-hoc.

Introduction

Le diamètre de la pupille () peut être affecté par un grand nombre de facteurs et la mesure de la MP qui change au fil du temps est connue sous le nom de pupillométrie. La MP est contrôlée par le muscle du sphincter de l’iris (impliqué dans la constriction) et le muscle dilatateur de l’iris (impliqué dans la dilatation). Le muscle de constriction est innervé par le système parasympathique et implique des projections cholinergiques, tandis que le dilatateur de l’iris est innervé par le système sympathique impliquant des projections noradrénergiques et cholinergiques ^1,2,3. Le stimulus le plus connu pour induire des changements de est la luminance-constriction et les réponses de dilatation de la pupille peuvent être produites par des variations de l’intensité de la lumière ambiante². La DP change également en fonction de la distance focale². On sait depuis des décennies, cependant, que montre également des fluctuations non liées à la luminance 4,5,6,7. Par exemple, les changements dans les états mentaux internes peuvent provoquer des changements transitoires de la MP. La pupille se dilate en réponse à des stimuli chargés d’émotion ou augmente avec l’excitation 4,5,8,9. La dilatation des pupilles pourrait également être liée à d’autres mécanismes cognitifs, tels qu’une augmentation de l’effort mental ou de l’attention^10,11,12,13. En raison de cette relation entre les variations de la taille des pupilles et les états mentaux, les changements de la MP ont été explorés comme marqueur de troubles cliniques tels que la schizophrénie 14,15, l’anxiété 16,17,18, la maladie de Parkinson ^19,20 et la maladie d’Alzheimer ²¹ , entre autres. Chez les animaux, les changements de MP suivent les états comportementaux internes et sont corrélés avec les niveaux d’activité neuronale dans les zones corticales^22,23,24,25. Le diamètre de la pupille s’est également avéré être un indicateur fiable de l’état du sommeil chez la souris²⁶. Ces changements de liés à l’excitation et à l’état interne se produisent généralement sur de longues échelles de temps de l’ordre de plusieurs dizaines de secondes.

Dans le domaine de la recherche auditive, chez les sujets malentendants normaux ainsi que chez les sujets malentendants, l’effort d’écoute et la perception auditive ont été évalués par pupillométrie. Ces études impliquent généralement des sujets de recherche formés^27,28,29,30 qui effectuent divers types de tâches de détection ou de reconnaissance. En raison de la relation susmentionnée entre l’excitation et la MP, il a été démontré qu’un engagement accru dans les tâches et un effort d’écoute étaient corrélés à une augmentation des réponses de dilatation des pupilles ^{30,31,32,33,34,35}. Ainsi, la pupillométrie a été utilisée pour démontrer qu’un effort d’écoute accru est déployé pour reconnaître la parole dégradée spectralement chez les auditeurs entendants normaux^29,36. Chez les auditeurs malentendants, tels que les humains ayant une perte auditive liée à l’âge 27,30,37,38,39,40,41 et les utilisateurs d’implants cochléaires ^42,43, les réponses des pupilles ont également augmenté avec la diminution de l’intelligibilité de la parole; Cependant, les auditeurs malentendants ont montré une plus grande dilatation des pupilles dans des conditions d’écoute plus faciles par rapport aux sujets auditifs normaux 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Mais les expériences qui nécessitent que l’auditeur effectue une tâche de reconnaissance ne sont pas toujours possibles – par exemple, chez les nourrissons ou dans certains modèles animaux. Ainsi, les réponses pupillaires non liées à la luminance évoquées par des stimuli acoustiques pourraient être une méthode alternative viable pour évaluer la détection auditive dans ces cas^44,45. Des études antérieures ont démontré une dilatation transitoire et liée au stimulus de la pupille dans le cadre du réflexe d’orientation⁴⁶. Des études ultérieures ont démontré l’utilisation de dilatations pupillaires liées à un stimulus pour calculer des courbes de sensibilité à la fréquence chez les hiboux^47,48. Récemment, ces méthodes ont été adaptées pour évaluer la sensibilité de la réponse à la dilatation pupillaire chez les nourrissons humains⁴⁸. La pupillométrie s’est révélée être une approche fiable et non invasive pour estimer les seuils de détection auditive et de discrimination chez les cobayes à écoute passive en utilisant un large éventail de stimuli simples (tons) et complexes (vocalisations GP)⁴⁹. Ces changements de DP liés au stimulus se produisent généralement à des échelles de temps plus rapides de l’ordre de plusieurs secondes et sont liés au moment du stimulus. Ici, la pupillométrie des changements de MP liés au stimulus est proposée comme méthode pour étudier les impacts comportementaux de divers types de déficience auditive dans des modèles animaux. En particulier, les protocoles de pupillométrie pour une utilisation chez les médecins généralistes, un modèle animal bien établi de divers types de pathologies auditives 50,51,52,53,54,55,56 (voir également la référence ⁵⁷ pour une revue exhaustive) est décrit.

Bien que cette technique soit démontrée chez les médecins généralistes à audition normale, ces méthodes peuvent être facilement adaptées à d’autres modèles animaux et modèles animaux de diverses pathologies auditives. Il est important de noter que la pupillométrie peut être combinée avec d’autres mesures non invasives telles que l’EEG, ainsi qu’avec des enregistrements électrophysiologiques invasifs afin d’étudier les mécanismes sous-jacents aux éventuels déficits de détection et de perception du son. Enfin, cette approche peut également être utilisée pour établir de grandes similitudes entre les modèles humains et animaux.

Protocol

Pour toutes les procédures expérimentales, obtenir l’approbation du Comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux (IACUC) et respecter les directives des NIH pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire. Aux États-Unis d’Amérique, les médecins généralistes sont en outre soumis à la réglementation du Département de l’agriculture des États-Unis (USDA). Toutes les procédures de ce protocole ont été approuvées par l’IACUC de l’Université de Pittsburgh et ont respecté l…

Representative Results

La pupillométrie a été réalisée chez trois médecins généralistes pigmentés masculins, pesant ~ 600-1 000 g au cours des expériences. Comme décrit dans ce protocole, pour estimer les seuils de catégorisation du bruit d’appel, un paradigme bizarre a été utilisé pour la présentation des stimulus. Dans le paradigme bizarre, les appels appartenant à une catégorie (gémissements) intégrés dans le bruit blanc à un SNR donné ont été utilisés comme stimuli standard (Figure 2A), et les appels d’une aut…

Discussion

Ce protocole démontre l’utilisation de la pupillométrie comme méthode non invasive et fiable pour estimer les seuils auditifs chez les animaux à écoute passive. Conformément au protocole décrit ici, les seuils de catégorisation du bruit d’appel chez les médecins généralistes entendants normaux ont été estimés. Les seuils estimés par pupillométrie se sont avérés cohérents avec ceux obtenus à l’aide de la formation opérationnelle⁶². Cependant, par rapport à la formation o…

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