В данной статье описывается полуавтоматическое измерение амплитуд и задержек первых пяти пиков и впадин в форме сигнала ответа слухового ствола мозга. Дополнительная процедура компилирует и аннотирует данные в электронную таблицу для анализа экспериментатором. Эти бесплатные компьютерные процедуры выполняются с использованием статистического пакета С открытым исходным кодом R.
Во многих отчетах за последние 15 лет оценивались изменения в форме сигнала слухового ответа ствола мозга (ABR) после инсультов, таких как воздействие шума. Общие изменения включают уменьшение амплитуды пика 1 и относительных задержек более поздних пиков, а также увеличение центрального усиления, что отражается относительным увеличением амплитуд более поздних пиков по сравнению с амплитудой пика 1. Многие экспериментаторы идентифицируют пики и впадины визуально, чтобы оценить их относительную высоту и задержки, что является трудоемким процессом, когда формы сигналов собираются с шагом 5 дБ по всему диапазону слуха для каждой частоты и состояния. В данной статье описываются свободные процедуры, которые могут быть выполнены на платформе с открытым исходным кодом R с интерфейсом RStudio для полуавтоматизации измерений пиков и впадин сигналов слухового ответа ствола мозга (ABR). Процедуры определяют амплитуды и задержки пиков и впадин, отображают их на сгенерированной форме сигнала для проверки, сопоставляют и аннотируют результаты в электронную таблицу для статистического анализа и генерируют усредненные формы сигналов для цифр. В тех случаях, когда автоматизированный процесс искажает форму сигнала ABR, существует дополнительный инструмент, помогающий в коррекции. Цель состоит в том, чтобы сократить время и усилия, необходимые для анализа формы сигнала ABR, чтобы больше исследователей включили эти анализы в будущем.
Слуховая реакция ствола мозга (ABR) часто используется для определения порогов слуха у животных и младенцев. Поскольку АБР представляет собой запись электроэнцефалограммы (ЭЭГ) первых реакций нервной системы на слуховые раздражители, она несет дополнительную информацию, которая отражает скоординированное срабатывание кохлеарных спиральных ганглиозных нейронов и раннюю обработку сигналов в слуховом стволе мозга, включая двустороннюю обработку1. На эти реакции может влиять шумовая травма. Например, воздействие шума, которое является достаточным для того, чтобы вызвать временный сдвиг порога у мышей, также может навсегда уменьшить амплитуду пика ABR 12. Кроме того, такая травма может уменьшить промежуточные задержки и увеличить относительные амплитуды более поздних пиков3, возможно, из-за потери ингибирующей регуляции4. В дополнение к этим выводам было показано, что специфические генетические мутации изменяют форму волны ABR при отсутствии травмы 5,6,7. Таким образом, рутинный анализ форм сигналов ABR может дать представление о слуховой системе в экспериментальных моделях.
Также был проявлен интерес к использованию форм сигналов ABR в качестве диагностического инструмента для пациентов. В предыдущих отчетах оценивалось, снижается ли пик ABR 1 у пациентов с человеческим эффектом после воздействия шума или у пациентов с тиннитусом 8,9. Примечательно, что приступы мигрени, как сообщается, временно увеличивают промежуточные задержки в течение нескольких недель, после чего форма волны ABR возвращается к норме у пострадавших лиц10. Сообщается, что COVID-19 приводит к долгосрочным изменениям в задержках ABRinterpeak 11,12, хотя в другом исследовании сообщалось о других результатах13. Потеря слуха часто сочетается с деменцией в старении, и люди с большей потерей слуха, как правило, испытывают деменцию, которая прогрессирует быстрее14. Исследователи исследовали изменения формы сигнала ABR при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона (рассмотренная в Jafari et al.15) и болезнь Альцгеймера (рассмотренная в Swords et al.16), а также при нормальном старении17 лет. По мере того, как все больше исследователей и клиницистов исследуют сенсорный дефицит в качестве биомаркеров распространенных заболеваний при старении, такие методы, как ABR, могут стать рутиной в здравоохранении.
Изучение разделов методов в литературе показывает, что лаборатории часто пишут пользовательские скрипты в MatLab для анализа форм сигналов ABR. Платформа ABR, созданная Intelligent Hearing Systems, имеет функцию анализа формы сигнала, но она требует, чтобы оператор вручную выбирал пики и впадины. Здесь мы написали полуавтоматические процедуры анализа для свободно доступной статистической среды R с открытым исходным кодом и интерфейса RStudio. Этот отчет сравнивает данные, полученные с использованием наших процедур, с данными, полученными экспериментатором, вручную идентифицирующим пики и впадины, и показывает, что данные двух методов сильно коррелируют. Важно отметить, что процедуры включают ослепляющую функцию, в которой метаданные для образцов помещаются в отдельный файл, который не включен до конца. Эти функции упростили анализ формы сигнала для нашей лаборатории.
Протокол, описанный в этой публикации, должен помочь упростить сбор данных, описывающих коэффициенты амплитуды напряжения и интервалы задержки для ABR к щелчкам и тональным пипам. Используя отдельные команды в RStudio, экспериментатор может извлекать, компилировать и отображать эту информацию в одном документе для статистического анализа. Сделав этот анализ рутинным, мы надеемся, что область откроет новые способы, которыми ABR может быть изменен в развитии, в старении или путем оскорбления у разных видов. Такая информация может быть полезна для выявления важных механизмов, подобных синаптопатии от шума2. Молодые мыши, используемые для этого эксперимента, имели очень изменчивые ответы, вероятно, потому, что слуховой ствол мозга все еще созревает в этом возрасте20 лет. Тем не менее, два метода количественной оценки показали очень сильные корреляции (рисунок 2).
Сценарий использует файл с именем «Time.csv» для установки интервалов в данных для идентификации пика. Вкратце, максимальная амплитуда напряжения, возникающая в указанном временном интервале, обозначается как «пик 1», минимум напряжения, находящийся в следующем интервале, обозначается как «впадина 1» и так далее. Мы выбрали интервалы, чтобы охватить задержки как щелчковых, так и тональных реакций для мышей CBA / CaJ в возрасте от 1 месяца до 12 месяцев, используя частоты, охватывающие от 8 кГц до 32 кГц. Мы успешно использовали этот инструмент для измерения реакций тональных пипсов у мышей. Другие виды, включая людей, также имеют ответы ABR в аналогичных окнах, и мы ожидаем, что этот инструмент также может быть использован для данных от других видов. Мы бы рекомендовали использовать новый параллельный метод ABR для людей21, который дает отличные формы сигналов. Ограничение временного интервала ограничивает использование этого инструмента оценкой немедленных ответов ABR. Однако мы отмечаем, что интервальные данные в этом файле могут быть изменены пользователями для автоматизации измерений реакций ABR на речь или потенциалов, связанных с событиями (ERP), которые характерно происходят в разное время в ответ на звук.
Стоит выделить некоторые особенности статистической обработки этих данных. Насколько нам известно, эта область не имеет стандартизированной обработки для различения амплитудных прогрессий. В ранних исследованиях использовалась ANOVA22,23. Данные из серии кликов здесь (рисунок 2) были непараметрическими, что привело к использованию теста суммы ранга Крускаля-Уоллиса. Подобно ANOVA, тест на ранговую сумму Крускаля-Уоллиса оценивает различия в значениях, полученных на данном уровне стимула; то есть сравнивает линии, полученные на графике. Тем не менее, возможны и другие методы лечения. Биологически амплитудные прогрессии отражают дополнительную рекрутирование более высокопороговых нейронов по мере увеличения уровня стимула. Это говорит о том, что площадь под кривой, которая представляет собой интегралы линий, может быть более релевантной мерой. Обобщенные оценочные уравнения (GEE) могут быть использованы для моделирования отдельных данных для интегрального анализа, как в Patel et al.5. Примечательно, что анализ GEE может учитывать повторяющиеся меры дизайна этих экспериментов. По мере того, как все больше исследователей обсуждают методы анализа данных, мы ожидаем появления консенсуса в отношении лучших практик.
В заключение, в этой статье представлены бесплатные и простые в использовании инструменты для измерения, компиляции и визуализации форм сигналов ABR. Эти инструменты могут быть использованы начинающими студентами RStudio, следуя этому протоколу, и они включают в себя ослепляющий шаг для улучшения строгости и воспроизводимости. Мы предполагаем, что рутинный анализ формы сигнала ABR позволит обнаружить нарушения, генетические варианты и другие методы лечения, которые могут повлиять на слуховую функцию.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана двумя грантами от NIDCD для PW: R01 DC018660 и административной дополнительной премией R01 DC014261-05S1.
C57BL/6J mice | Jackson Labs | 664 | |
CBA/CaJ mice | Jackson Labs | 654 | |
E-series PC | Dell | n/a (this equipment was discontinued) | This runs the IHS system. |
Mini-anechoic chamber | Industrial Acoustics Company | Special order number 104306 | This enclosure reduces noise levels for auditory testing of animals. |
Optiplex 7040 | Dell | i5-6500 | Rstudio may also be run on a Mac or Linux system. |
Universal Smart Box | Intelligent Hearing Systems | n/a (this equipment was discontinued) | Both TDT and IHS can output hearing data as ASCII files. |