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Neuroscience

モルモットの聴覚を評価するための瞳孔測定

Published: January 06, 2023
doi:
10.3791/64581
, , ,
1Department of Neurobiology,University of Pittsburgh, 2Center for Neuroscience,University of Pittsburgh, 3Department of Bioengineering,University of Pittsburgh, 4Center for Neural Basis of Cognition,University of Pittsburgh, 5Department of Communication Science and Disorders,University of Pittsburgh, 6Department of Transfer and Innovation, USC University Hospital Complex (CHUS),University of Santiago de Compostela

Summary

単純で非侵襲的な技術である瞳孔測定は、正常な聴覚動物およびさまざまな聴覚病理の動物モデルにおける騒音聴力閾値を決定する方法として提案されています。

Abstract

騒音曝露は感音難聴の主な原因です。騒音性難聴の動物モデルは、難聴の根底にある解剖学的および生理学的病理への機構的洞察を生み出しました。しかし、難聴のあるヒトで観察された行動障害を動物モデルの行動障害に関連付けることは依然として困難です。ここでは、動物と人間の行動データの直接比較を可能にする方法として、瞳孔測定法が提案されています。この方法は、修正された奇妙なパラダイムに基づいています-刺激の繰り返しの提示に被験者を慣れさせ、繰り返される刺激からいくつかのパラメトリックな方法で変化する逸脱した刺激を断続的に提示します。基本的な前提は、繰り返し刺激と逸脱刺激の間の変化が被験者によって検出された場合、それは繰り返し刺激によって誘発されるものよりも大きな瞳孔拡張反応を引き起こすということです。このアプローチは、難聴研究を含む聴覚研究で広く使用されている動物モデルであるモルモットの発声分類タスクを使用して実証されています。ある発声カテゴリーの発声を標準刺激として、第2のカテゴリーの発声を雑音に埋め込まれた奇数刺激として様々な信号対雑音比で提示することにより、奇数眼カテゴリーに応じた瞳孔拡張の大きさが信号対雑音比によって単調に変化することを示す。次に、成長曲線分析を使用して、これらの瞳孔拡張応答の時間経過と統計的有意性を特徴付けることができます。このプロトコルでは、モルモットをセットアップに順応させ、瞳孔測定を実施し、データを評価/分析するための詳細な手順について説明します。この技術は、このプロトコルの正常聴覚モルモットで実証されていますが、この方法は、各被験者内のさまざまな形態の難聴の感覚効果を評価するために使用できます。これらの効果は、同時の電気生理学的測定および事後の解剖学的観察と相関している可能性があります。

Introduction

瞳孔径(PD)はさまざまな要因の影響を受ける可能性があり、時間の経過とともに変化するPDの測定は瞳孔測定として知られています。PDは、虹彩括約筋(狭窄に関与する)および虹彩拡張筋(拡張に関与する)によって制御される。狭窄筋は副交感神経系によって神経支配され、コリン作動性突起を伴うのに対し、虹彩拡張筋はノルアドレナリン作動性およびコリン作動性突起を含む交感神経系によって神経支配される1,2,3。PDの変化を誘発する最もよく知られている刺激は、周囲光強度の変化によって生成できる瞳孔の輝度狭窄および拡張応答です2。PDは、焦点距離2の関数としても変化します。しかし、PDが輝度に関連しない変動を示すことは何十年も前から知られています4,5,6,7。たとえば、内部の精神状態の変化は、一時的なPDの変化を引き起こす可能性があります。瞳孔は、感情的にチャージされた刺激に反応して拡張するか、覚醒4,5,8,9で増加します。瞳孔拡張は、精神的努力や注意力の増加など、他の認知メカニズムにも関連している可能性があります10,11,12,13。瞳孔サイズの変動と精神状態とのこの関係のために、PDの変化は、統合失調症14,15、不安16,17,18、パーキンソン病19,20、およびアルツハイマー病21などの臨床障害のマーカーとして調査されてきました。、とりわけ。動物では、PDの変化は内部行動状態を追跡し、皮質領域のニューロン活動レベルと相関しています22、23、24、25。瞳孔径は、マウス26における睡眠状態の信頼できる指標であることも示されている。覚醒および内部状態に関連するこれらのPD変化は、典型的には、数十秒程度の長い時間スケールで起こる。

聴覚研究の分野では、通常の聴覚および聴覚障害のある被験者において、瞳孔測定を使用してリスニング努力と聴覚知覚が評価されています。これらの研究には、典型的には、様々な種類の検出または認識タスクを実行する訓練された研究対象27、28、29、30が含まれる。覚醒とPDの間の前述の関係のために、タスクエンゲージメントとリスニング努力の増加は、瞳孔拡張反応の増加と相関していることが示されています30、31、32、33、34、35。したがって、瞳孔測定は、通常の聴覚リスナーにおけるスペクトル劣化した発話を認識するためにリスニング努力の増加が費やされることを実証するために使用されてきた29,36。加齢性難聴27,30,37,38,39,40,41および人工内耳使用者42,43などの聴覚障害のあるリスナーでは、瞳孔反応も音声明瞭度の低下とともに増加しました。しかし、聴覚障害のあるリスナーは、通常の聴覚被験者と比較して、より簡単なリスニング条件でより大きな瞳孔拡張を示しました27、30、37、38、39、40、41、42、43。しかし、リスナーが認識タスクを実行することを必要とする実験は、例えば乳児や一部の動物モデルでは、常に可能であるとは限りません。したがって、音響刺激によって引き起こされる非輝度関連の瞳孔応答は、これらの場合の聴覚検出を評価するための実行可能な代替方法である可能性があります44,45。以前の研究では、方向反射の一部として一過性で刺激に関連する瞳孔拡張が示されました46。その後の研究では、フクロウの周波数感度曲線を導き出すための刺激に関連する瞳孔拡張の使用が実証されています47,48。最近、これらの方法は、ヒト乳児における瞳孔拡張応答の感受性を評価するために適応されている48。瞳孔測定は、広範囲の単純(トーン)および複雑な(GP発声)刺激を使用することにより、受動的リスニングモルモット(GP)における聴覚検出および識別閾値を推定するための信頼性の高い非侵襲的アプローチであることが示されている49。これらの刺激関連のPD変化は、典型的には、数秒程度のより速い時間スケールで起こり、刺激タイミングにリンクされている。ここでは、動物モデルにおける様々な種類の聴覚障害の行動影響を研究する方法として、刺激関連PD変化の瞳孔測定が提案されている。特に、GPsで使用するための瞳孔測定プロトコルは、様々なタイプの聴覚病理の十分に確立された動物モデル50、51、52、53、54、55、56(網羅的なレビューについては参考文献57も参照)が記載されている。

この技術は正常聴覚GPで実証されていますが、これらの方法は、他の動物モデルやさまざまな聴覚病理の動物モデルに簡単に適応できます。重要なことに、瞳孔測定は、EEGなどの他の非侵襲的測定や侵襲的な電気生理学的記録と組み合わせて、起こりうる音の検出と知覚障害の根底にあるメカニズムを研究することができます。最後に、このアプローチは、ヒトモデルと動物モデルの間の幅広い類似性を確立するためにも使用できます。

Protocol

すべての実験手順については、施設動物管理使用委員会(IACUC)の承認を得て、実験動物の管理と使用に関するNIHガイドラインを遵守してください。アメリカ合衆国では、GPはさらに米国農務省(USDA)の規制の対象となります。このプロトコルのすべての手順は、ピッツバーグ大学IACUCによって承認され、実験動物の世話と使用に関するNIHガイドラインに準拠しています。この実験では、生後4〜10?…

Representative Results

瞳孔測定は、実験の過程で体重が~600-1,000 gの3つの男性の色素性GPで実施されました。このプロトコルで説明されているように、コールインノイズ分類閾値を推定するために、刺激提示に奇妙なパラダイムが使用されました。オッドボールパラダイムでは、特定のSNRでホワイトノイズに埋め込まれた1つのカテゴリ(泣き声)に属する呼び出しを標準刺激として使用し(図2A)、同じSNRでホワイトノイ…

Discussion

このプロトコルは、受動的に聴く動物の聴覚閾値を推定するための非侵襲的で信頼性の高い方法としての瞳孔測定の使用を示しています。ここで説明するプロトコルに従って、通常の聴覚GPにおけるコールインノイズ分類しきい値が推定されました。瞳孔測定を用いて推定された閾値は、オペラントトレーニングを用いて得られた閾値と一致することが見出された62。しかし…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、NIH(R01DC017141)、ペンシルベニア・ライオンズ聴覚研究財団、およびピッツバーグ大学耳鼻咽喉科および神経生物学部の資金提供を受けました。

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
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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).
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