Pupillometri, en enkel och icke-invasiv teknik, föreslås som en metod för att bestämma tröskelvärden för hörsel i buller hos normala hörseldjur och djurmodeller av olika hörselpatologier.
Bullerexponering är en ledande orsak till sensorineural hörselnedsättning. Djurmodeller av bullerinducerad hörselnedsättning har genererat mekanistisk insikt i de underliggande anatomiska och fysiologiska patologierna för hörselnedsättning. Att relatera beteendemässiga underskott som observerats hos människor med hörselnedsättning till beteendemässiga underskott i djurmodeller är dock fortfarande utmanande. Här föreslås pupillometri som en metod som möjliggör direkt jämförelse av djur- och humanbeteendedata. Metoden är baserad på ett modifierat udda paradigm – att habituera ämnet till upprepad presentation av en stimulans och intermittent presentera en avvikande stimulans som varierar på något parametriskt sätt från den upprepade stimulansen. Den grundläggande förutsättningen är att om förändringen mellan den upprepade och avvikande stimulansen detekteras av ämnet, kommer det att utlösa ett pupillutvidgningssvar som är större än det som framkallas av den upprepade stimulansen. Detta tillvägagångssätt demonstreras med hjälp av en vokaliseringskategoriseringsuppgift hos marsvin, en djurmodell som ofta används i hörselforskning, inklusive i hörselnedsättningsstudier. Genom att presentera vokaliseringar från en vokaliseringskategori som standardstimuli och en andra kategori som udda stimuli inbäddade i brus vid olika signal-brusförhållanden, visas att storleken på pupillutvidgning som svar på oddball-kategorin varierar monotont med signal-brusförhållandet. Tillväxtkurvanalyser kan sedan användas för att karakterisera tidsförloppet och statistisk signifikans av dessa pupillutvidgningssvar. I detta protokoll beskrivs detaljerade procedurer för att acklimatisera marsvin till installationen, genomföra pupillometri och utvärdera / analysera data. Även om denna teknik demonstreras hos marsvin med normal hörsel i detta protokoll, kan metoden användas för att bedöma de sensoriska effekterna av olika former av hörselnedsättning hos varje försöksperson. Dessa effekter kan sedan korreleras med samtidiga elektrofysiologiska mätningar och post-hoc anatomiska observationer.
Pupilldiameter (PD) kan påverkas av ett stort antal faktorer och mätningen av PD som förändras över tid kallas pupillometri. PD styrs av irissfinktermuskeln (involverad i förträngning) och irisdilaterarmuskeln (involverad i utvidgning). Förträngningsmuskeln innerveras av det parasympatiska systemet och involverar kolinerga projektioner, medan irisdilateraren innerveras av det sympatiska systemet som involverar noradrenerga och kolinerga projektioner 1,2,3. Den mest kända stimulansen för att inducera PD-förändringar är luminans-förträngning och utvidgningssvar hos pupillen kan produceras genom variationer i omgivande ljusintensitet2. PD ändras också som en funktion av brännvidd2. Det har dock varit känt i årtionden att PD också visar icke-luminansrelaterade fluktuationer 4,5,6,7. Till exempel kan förändringar i interna mentala tillstånd framkalla övergående PD-förändringar. Pupillen utvidgas som svar på känslomässigt laddade stimuli eller ökar med upphetsning 4,5,8,9. Pupillutvidgning kan också relateras till andra kognitiva mekanismer, såsom ökad mental ansträngning eller uppmärksamhet10,11,12,13. På grund av detta förhållande mellan elevstorleksvariationer och mentala tillstånd har PD-förändringar undersökts som en markör för kliniska störningar som schizofreni 14,15, ångest 16,17,18, Parkinsons sjukdom 19,20 och Alzheimers sjukdom 21 , bland andra. Hos djur spårar PD-förändringar interna beteendetillstånd och är korrelerade med neuronala aktivitetsnivåer i kortikala områden22,23,24,25. Pupilldiameter har också visat sig vara en tillförlitlig indikator på sömntillståndet hos möss26. Dessa PD-förändringar relaterade till upphetsning och det interna tillståndet uppträder vanligtvis på långa tidsskalor i storleksordningen flera tiotals sekunder.
Inom hörselforskningen, såväl inom normalhörsel som hos hörselskadade försökspersoner, har lyssningsansträngning och hörselperception bedömts med hjälp av pupillometri. Dessa studier involverar vanligtvis utbildade forskningspersoner27,28,29,30 som utför olika typer av detekterings- eller igenkänningsuppgifter. På grund av det ovan nämnda förhållandet mellan upphetsning och PD har ökat uppgiftsengagemang och lyssningsansträngning visat sig vara korrelerade med ökade pupillutvidgningssvar 30,31,32,33,34,35. Således har pupillometri använts för att visa att ökad lyssningsansträngning används för att känna igen spektralt nedbrutet tal hos normalhörande lyssnare29,36. Hos hörselskadade lyssnare, såsom personer med åldersrelaterad hörselnedsättning 27,30,37,38,39,40,41 och användare av cochleaimplantat 42,43, ökade pupillsvaren också med minskande taluppfattbarhet; Hörselskadade lyssnare visade dock större pupillutvidgning under lättare lyssningsförhållanden jämfört med normala hörselpersoner 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Men experiment som kräver att lyssnaren utför en igenkänningsuppgift är inte alltid möjliga – till exempel hos spädbarn eller i vissa djurmodeller. Således kan icke-luminansrelaterade pupillresponser som framkallas av akustiska stimuli vara en livskraftig alternativ metod för att bedöma hörseldetektering i dessa fall44,45. Tidigare studier visade en övergående och stimulansbunden pupillutvidgning som en del av orienteringsreflexen46. Senare studier har visat användningen av stimulusbundna pupillutvidgningar för att härleda frekvenskänslighetskurvor hos ugglor47,48. Nyligen har dessa metoder anpassats för att bedöma känsligheten hos pupillutvidgningssvaret hos mänskliga spädbarn48. Pupillometri har visat sig vara ett tillförlitligt och icke-invasivt tillvägagångssätt för att uppskatta auditiva detektions- och diskrimineringströsklar hos passivt lyssnande marsvin (GP) genom att använda ett brett spektrum av enkla (toner) och komplexa (GP-vokaliseringar) stimuli49. Dessa stimulusrelaterade PD-förändringar uppträder vanligtvis vid snabbare tidsskalor i storleksordningen flera sekunder och är kopplade till stimulustiming. Här föreslås pupillometri av stimulusrelaterade PD-förändringar som en metod för att studera beteendeeffekter av olika typer av hörselnedsättning i djurmodeller. I synnerhet beskrivs pupillometriprotokoll för användning i allmänläkare, en väletablerad djurmodell av olika typer av hörselpatologier 50,51,52,53,54,55,56 (se även referens 57 för en uttömmande granskning).
Även om denna teknik demonstreras hos normalhörande allmänläkare, kan dessa metoder enkelt anpassas till andra djurmodeller och djurmodeller av olika hörselpatologier. Viktigt är att pupillometri kan kombineras med andra icke-invasiva mätningar såsom EEG, liksom med invasiva elektrofysiologiska inspelningar för att studera mekanismerna bakom möjliga ljuddetektering och perceptionsunderskott. Slutligen kan detta tillvägagångssätt också användas för att fastställa breda likheter mellan modeller för människor och djur.
Detta protokoll demonstrerar användningen av pupillometri som en icke-invasiv och tillförlitlig metod för att uppskatta hörseltrösklar hos passivt lyssnande djur. I enlighet med det protokoll som beskrivs här uppskattades kategoriseringströsklarna för call-in-noise hos normalhörande allmänläkare. Tröskelvärden som uppskattats med hjälp av pupillometri befanns överensstämma med dem som erhållits med operant träning62. Jämfört med operant träning var dock pupillometriprotokollet…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av NIH (R01DC017141), Lions Hearing Research Foundation i Pennsylvania och medel från avdelningarna för otolaryngologi och 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 |