Мы использовали стандартные методы слухового ответа ствола мозга (ABR) и применили их к птенцам, преждевременной птичьей модели для слуховой функции. В протоколе подробно описываются методы подготовки животных и получения ABR с шагами, которые могут быть переведены на другие модели птиц или грызунов.
Слуховая реакция ствола мозга (ABR) является бесценным анализом в клинической аудиологии, нечеловеческих животных и исследованиях на людях. Несмотря на широкое использование ABR для измерения слуховой нейронной синхронности и оценки чувствительности слуха в других модельных системах позвоночных, о методах регистрации ABR у кур не сообщалось в течение почти четырех десятилетий. Цыплята обеспечивают надежную модель исследования на животных, потому что их слуховая система близка к функциональному созреванию на поздних эмбриональных и ранних стадиях птенца. Мы продемонстрировали методы, используемые для получения одно- или двухканальных записей ABR с использованием подкожных игольчатых электродных массивов у птенцов. Независимо от конфигурации записи электродов (т.е. монтажа), записи ABR включали 3-4 положительные пиковые формы сигнала в течение первых 6 мс надпорогового стимула щелчка. Амплитуды формы сигнала от пика до впадины варьировались от 2 до 11 мкВ на уровнях высокой интенсивности, причем положительные пики демонстрировали ожидаемые функции задержки-интенсивности (т.е. увеличение задержки в зависимости от снижения интенсивности). Стандартизированное положение наушников имело решающее значение для оптимальной записи, поскольку дряблая кожа может закупорить ушной канал, а движение животных может вытеснить датчик стимула. Пиковые амплитуды были меньше, а задержки были длиннее по мере снижения температуры тела животных, что поддерживало необходимость поддержания физиологической температуры тела. Для молодых птенцов (<3 ч после вылупления 1-го дня) пороговые значения были повышены на ~5 дБ, пиковые задержки увеличились ~1-2 мс, а пиковые амплитуды до корыта были уменьшены ~1 мкВ по сравнению со старшими птенцами. Это предполагает потенциальную проблему, связанную с проводимостью (т. Е. Жидкость в полости среднего уха) и должна рассматриваться для молодых детенышей. В целом, методы ABR, изложенные здесь, позволяют точно и воспроизводимо регистрировать слуховую функцию in vivo у птенцов, которая может быть применена на разных стадиях развития. Такие результаты легко сравнить с моделями потери слуха, старения или других слуховых манипуляций человека и млекопитающих.
Изучение вызванных нейронных реакций на звуковые раздражители насчитывает более полувека1. Слуховая реакция ствола мозга (ABR) представляет собой вызванный потенциал, который использовался в качестве меры слуховой функции как у нечеловеческих животных, так и у людей в течение десятилетий. Человеческий ABR представляет собой от пяти до семи пиков формы волны, условно обозначенных римскими цифрами (I-VII)2. Эти пики анализируются на основе их задержки (время возникновения в миллисекундах) и амплитуды (размер пика до впадины в микровольтах) нейронных реакций. ABR играет важную роль в оценке функции и целостности слухового нерва, а также чувствительности ствола мозга и порога слуха. Дефицит в слуховой системе приводит к отсутствующим, уменьшенным, длительным или аномальным задержкам и амплитудам ABR. Примечательно, что эти параметры почти идентичны у людей и других животных, что делает его последовательным объективным тестом слуховой функции на моделях позвоночных3.
Одной из таких модельных систем является курица, и она особенно полезна по целому ряду причин. Птицы могут быть классифицированы как альтрициальные или прекоциальные4. Альтрициальные птицы вылупляются с еще развивающимися чувствами; например, амбарные совы не показывают последовательного ABR до четырех дней после вылупления5. Скороспелые животные, такие как курица, вылупляются с почти зрелыми чувствами. Начало слуха происходит в эмбриональном развитии, так что за несколько дней до вылупления (эмбриональный день 21) слуховая система близка к функциональному созреванию 6,7,8. Альтрициальные птицы и большинство моделей млекопитающих восприимчивы к внешним факторам, которые влияют на развитие и требуют животноводства до тех пор, пока слух не станет зрелым. Курные АБР могут выполняться в тот же день, что и вылупление, отказываясь от необходимости кормления или обогащенной среды.
Эмбриональная курица была хорошо изученной моделью физиологии и развития, особенно в слуховом стволе мозга. Специфические структуры включают куриное кохлеарное ядро, разделенное на магноцеллюлярное ядро (NM) и угловатое ядро (NA), и птичий коррелят медиальной верхней оливы, известный как ядро laminaris (NL)6,7. ABR идеально подходит для сосредоточения внимания на центральной слуховой функции перед уровнем переднего мозга и коры. Трансляция между измерениями ABR in-vivo и исследованиями нейронов in vitro развития8, физиологии9, тонотопии10 и генетики11,12 обеспечивает идеальные исследовательские возможности, которые поддерживают исследования общей слуховой функции.
Хотя ABR был широко изучен в моделях млекопитающих, меньше внимания уделялось птицам. Предыдущие исследования птиц ABR включают характеристики волнистого попугая13, дятла14, чайки15, ныряющих птиц16, зебрового зяблика17, суточныххищников 18, канарейки19, трех видов совы 5,20,21,22 и курицы23. Учитывая почти четыре десятилетия с момента последней тщательной характеристики куриного ABR, многие из ранее использовавшихся оборудования и методов изменились. Выводы из исследований в других птичьих моделях могут помочь разработать современную методологию ABR курицы, а также служить сравнением с куриным ABR. В этой статье будет описана экспериментальная установка и дизайн, позволяющие регистрировать ABR у птенцов, которые также могут быть применены к эмбриональным стадиям развития и другим моделям мелких грызунов и птиц. Кроме того, учитывая преждевременное развитие курицы, манипуляции по развитию могут быть выполнены без какого-либо обширного животноводства. Манипуляции с развивающимся эмбрионом могут быть оценены всего через несколько часов после того, как животное вылупится с почти зрелыми слуховыми способностями.
Слуховой ствол мозга птиц хорошо изучен, и многие структуры аналогичны слуховому пути млекопитающих. Слуховой нерв обеспечивает возбуждающие входы в два центральных ядра первого порядка, кохлеарное ядро magnocellularis (NM) и angularis (NA). NM посылает возбуждающую проекцию двусторонне к своей слуховой мишени, ядру laminaris (NL)7. NL проецируется на ядро mesencephalicus lateralis, pars dorsalis (MLd)40,41. NL также проецируется на верхнее оливковое ядро (SON), которое обеспечивает ингибирование обратной связи с NM, NA и NL42. Эта нижняя слуховая микросхема ствола мозга изысканно сохранена для функции, которую она выполняет, локализации звука и бинаурального слуха33. Верхние слуховые области ствола мозга птицы также имеют ядра, аналогичные латеральному лемнискусу млекопитающих и нижнему колликулусу в среднем мозге. Учитывая эти сходства, состав птичьего АБР вплоть до слухового среднего мозга сопоставим у всех позвоночных.
В то время как несколько видов птиц показывают три положительных пика в течение 6 мс после начала стимула, корреляция пиков ABR с центральными слуховыми структурами имеет некоторую изменчивость. Волна I может быть разумно принята как первая нейронная реакция от периферического базилярного сосочка и слухового нерва и демонстрирует небольшую вариабельность среди людей (рисунок 1C). Последующая идентификация волн менее определенна и может отличаться между видами. Kuokkanen et al.17 недавно определили, что ВОЛНА III АБР амбарной совы генерируется NL; таким образом, разумно утверждать, что волна II происходит от NM и NA кохлеарного ядра20. Тем не менее, волна совы III была определена как положительный пик, генерируемый через 3 мс после начала стимула. Это соответствует Волне II, как определено в детеныше курицы ABR. В сарае совы АБР объединились волны I и II.
В то время как птенец обычно имел три пика в течение 6 мс, иногда наблюдался четвертый пик (например, см. Рисунок 1А). Популяционные данные, больший размер выборки и дополнительные экспериментальные парадигмы потребуются для поддержки четвертой волны, а в некоторых случаях и пятиволнового куриного ABR. Наиболее последовательным выводом были три пиковых представления, показанные здесь.
Поскольку ABR определяется как мера нейронной синхронности, основные ядра в слуховом пути могут представлять каждый положительный пик в ABR. Сигнал, проходящий от слухового нерва к NM/NA, а затем к NL, может определять волны I, II и III у детенышей цыплят ABR, соответственно. Кроме того, более поздний четвертый пик куриного ABR может представлять собой верхний ствол мозга или слуховую структуру среднего мозга. При характеристике птичьих АБР следует также учитывать разницу между предкоциальными и альтрициальными птицами. Созревание слуховых реакций будет варьироваться в зависимости от вида, а также зависит от других критических черт, таких как поведение хищника и / или вокальное обучение4. Несмотря на это, описанные методы и приемы легко применяются к различным видам птиц и позвоночных.
Важность поддержания температуры тела животных проиллюстрирована на рисунке 2. По мере снижения внутренней температуры тела латентность реакций ABR увеличивалась при том же уровне интенсивности стимула. Это более выражено, когда температура тела опускается ниже 32 °C36,37. Увеличение задержки ABR примерно на 1 мс меньше, чем сообщалось ранее у курицы23. Тем не менее, Katayama23 использовала 12-дневный детеныш, который охлаждался и впоследствии нагревался в течение 4 часов. Данные на рисунке 2 были записаны в процессе охлаждения в течение 20-минутного периода. Чтобы получить наилучшее качество и наиболее последовательные записи, температура тела животного должна поддерживаться, и все записи должны быть сделаны при одинаковой физиологической температуре среди животных.
Влияние возраста на АБР незначительно, но важно учитывать. Хотя только латентность волн I и II ABR значительно отличалась, это отчасти потому, что на рисунке 3 было использовано только три молодых детеныша; остальные три не имели трех идентифицируемых пиков АБР. Амплитудные и пороговые сдвиги ABR также могут быть очевидны при использовании больших размеров выборки или сравнении частотно-специфических ABR. Этот возрастной эффект может быть вызван жидкостью в среднем ухе курицы. Такие проводящие изменения приводят к заметному увеличению пороговых значений АБР как для модели человека, так и для моделей других млекопитающих38,39.
Используя два разных монтажа записи, наблюдались аналогичные ответы (рисунок 4A). В то время как наиболее распространенный монтаж помещает опорный электрод за ухом, принимающим стимул, наличие опорного электрода в ткани шеи может быть полезным, если есть хирургическое вмешательство, сопровождающее ABR. Однако, если используются двухканальные записи ABR, опорные электроды должны быть отдельно и симметрично размещены, что затруднительно при размещении опорного электрода в горловине. Сосцевидное положение электрода эталонного образца рекомендуется стандартизировать как можно больше аспектов записи. Двухканальная запись ABR является эффективным инструментом, требующим небольшой дополнительной подготовки и приводящим к аналогичным реакциям между ушами. Незначительные различия в амплитуде, вероятно, были связаны с позиционированием наушников. Двухканальная запись позволяет легко сравнивать экспериментально управляемое ухо или полушарие мозга с контролем. Эта настройка также потребуется для тестирования бинауральных АБР. Будущие эксперименты с использованием куриного ABR могут ссылаться на предыдущую литературу по записи конфигураций и монтажей34.
Эта методология имеет несколько ограничений. Как упоминалось в шаге 5.1, плохое расположение зеркал может привести к сдвигу в ответе на 40 dBSPL. Это может привести к неправильной интерпретации манипулируемого или модифицированного животного. Рекомендуются следующие меры предосторожности: получить большую выборку контрольных данных перед получением ABR манипулируемых или мутантных моделей. Не снижайте интенсивность стимула более чем на 20 дБСПЛ между записями. Если амплитуда или задержка смещается больше, чем ожидалось, проверьте положение животного и зеркала. Повторите этот стимул ABR, чтобы наблюдать изменения. Если зеркало переместилось, повторно приобретите предыдущие тесты. Другим ограничением является калибровка ABR. Без надлежащей калибровки для записи уровня звукового давления интенсивность, представленная животному, неизвестна. При измерении звука используйте то же зеркало, что и в экспериментальной записи, и небольшой микрофон внутри полости, которая приближается к длине ушного канала животного (~ 5 мм). Измеряйте те же частоты тона, которые использовались в экспериментах, так как калибровки зависят от частоты. Руководство как для аппаратных, так и для программных систем может сопровождаться инструкциями по калибровке. Существуют также дополнительные фильтры, такие как линейные фазовые и минимальные фазовые фильтры, которые могут улучшить щелчок и тональный всплеск ABR43. Эти фильтры не использовались в настоящем исследовании. Дополнительные соображения, такие как время подъема и падения спектральной оболочки тонального всплеска, изменяющейся в зависимости от частоты или изменяющей время подъема и падения стимулов щелчка, также не рассматривались. Это хорошие будущие исследования, как только можно будет получить надежные и последовательные АБР.
Сравнение птенца с другими птичьими моделями является многообещающим. Волнистые попугайчики и восточные визгливые совы также демонстрируют три положительных пика микровольта в течение первых 6 мс от ABR13,22. У разных видов дятлов также наблюдаются три пика, но их латентность позже по времени. Кроме того, диапазон лучшей частотной чувствительности у дятлов составляет от 1500 до 4000 Гц, что несколько выше, чем лучший порог курицы при 1000 Гц. У взрослой курицы наилучшая чувствительность составляет 2000 Гц35, поэтому может быть улучшен слух высоких частот по мере того, как детеныши курицы превращаются во взрослых особей. Это развитие будет различаться среди видов птиц, принимая во внимание альтрициальное или преждевременное развитие животного4.
Экспериментальные методы, изложенные здесь, могут помочь определить, какие факторы приводят к повреждениям или изменениям слуховых реакций и порогов, а также исследования на разных стадиях эмбрионального развития. Генетические манипуляции, старение и воздействие шума — все это известные манипуляции у животных и другихмоделей птиц 24,25,44,45. Эти методы должны быть распространены на модель курицы теперь, когда такие методы, как электропорация in-ovo, позволяют экспрессировать белки, которые фокально и временно контролируются на одной стороне слухового ствола мозга12,46. Это позволяет напрямую сравнивать АБР от генетически манипулируемого уха с контралатеральным контрольным ухом с использованием двухканальной парадигмы записи.
В целом, ABR птенцов является полезным методом исследования, почти идентичным показателям слуховой функции в моделях человека и других млекопитающих. Это также неинвазивная методология in vivo . Кроме инъекции анестетика и размещения подкожного электрода на несколько миллиметров, никаких других физических манипуляций не требуется. Детеныш теоретически может быть протестирован несколько раз в течение времени развития в течение нескольких дней или недель, если его содержать в соответствующей среде. Этот протокол не только излагает необходимые шаги и параметры записи для ABR птенца, но и предлагает характеристики птичьего ABR, которые могут информировать о дальнейшем тестировании слуховой функции ствола мозга.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа поддерживается NIH/NIDCD R01 DC017167
1/8 inch B&K Microphone | Brüel & Kjær | 4138 | Type 4138-A-015 also works |
Auditory Evoked Potential Universal Smart Box | Intelligent Hearing Systems | M011110 | |
Custom Sound Isolation Chamber | GK Soundbooth Inc | N/A | Custom built |
DC Power Supply | CSI/Speco | PSV-5 | |
ER3 Insert Earphone | Intelligent Hearing Systems | M015302 | Used as sound transducer |
Euthasol | Virbac | 710101 | Controlled Substance; euthanasia solution |
Insulin Syringe (29 G) | Comfort Point | 26028 | |
Ketamine | Covetrus | 11695-0703-1 | Controlled Substance |
Power Supply | Powervar | 93051-55R | |
Rectal Probe | YSI | 401 (10-09010) | Any 400 series probe will work with the YSI temperatuer monitor |
Subdermal needles | Rhythmlink | RLSND107-1.5 | |
Temperature Monitor | YSI | 73ATA 7651 | Works with any 400 series rectal probe |
Xylazine | Anased | 59399-110-20 | Used with ketamine and water for anesthetic |