אישונים להערכת תחושה שמיעתית בשרקנים
Summary
פיפילומטריה, טכניקה פשוטה ולא פולשנית, מוצעת כשיטה לקביעת ספי שמיעה ברעש בבעלי חיים שומעים רגילים ובמודלים של בעלי חיים של פתולוגיות שמיעתיות שונות.
Abstract
חשיפה לרעש היא גורם מוביל לאובדן שמיעה תחושתי-עצבי. מודלים של בעלי חיים של ליקוי שמיעה כתוצאה מרעש יצרו תובנה מכניסטית לגבי הפתולוגיות האנטומיות והפיזיולוגיות הבסיסיות של אובדן שמיעה. עם זאת, הקשר בין ליקויים התנהגותיים שנצפו בבני אדם עם ליקוי שמיעה לבין ליקויים התנהגותיים במודלים של בעלי חיים נותר מאתגר. כאן, אישונים מוצע כשיטה שתאפשר השוואה ישירה של נתוני התנהגות של בעלי חיים ובני אדם. השיטה מבוססת על פרדיגמת מוזרות שונה – הרגלת הנושא להצגה חוזרת ונשנית של גירוי והצגה לסירוגין של גירוי סוטה השונה באופן פרמטרי כלשהו מהגירוי החוזר. הנחת היסוד היא שאם השינוי בין הגירוי החוזר לסוטה מזוהה על ידי הנבדק, הוא יעורר תגובת התרחבות אישונים גדולה יותר מזו שמעורר הגירוי החוזר. גישה זו מודגמת באמצעות מטלת סיווג קול בשרקנים, מודל בעל חיים הנמצא בשימוש נרחב במחקר שמיעתי, כולל במחקרי ליקוי שמיעה. על ידי הצגת קולות מקטגוריית קול אחת כגירויים סטנדרטיים וקטגוריה שנייה כגירויים אי-זוגיים המוטבעים ברעש ביחסי אות לרעש שונים, הוכח כי גודל התרחבות האישונים בתגובה לקטגוריית ה-oddball משתנה באופן מונוטוני עם יחס האות לרעש. לאחר מכן ניתן להשתמש בניתוחי עקומות גדילה כדי לאפיין את מהלך הזמן ואת המובהקות הסטטיסטית של תגובות התרחבות האישונים הללו. בפרוטוקול זה מתוארים נהלים מפורטים להסתגלות שרקנים להתקנה, ביצוע אישונים והערכה/ניתוח נתונים. למרות שטכניקה זו מודגמת בשרקנים בעלי שמיעה תקינה בפרוטוקול זה, ניתן להשתמש בשיטה כדי להעריך את ההשפעות החושיות של צורות שונות של ליקוי שמיעה בכל נבדק. השפעות אלה עשויות להיות מתואמות עם אמצעים אלקטרופיזיולוגיים במקביל ותצפיות אנטומיות פוסט-הוק.
Introduction
קוטר האישון (PD) יכול להיות מושפע ממספר רב של גורמים, והמדידה של PD המשתנה עם הזמן ידועה בשם אישונים. מחלת פרקינסון נשלטת על ידי שריר הסוגר הקשתית (המעורב בהתכווצות) ושריר מרחיב הקשתית (המעורב בהתרחבות). שריר ההתכווצות עצבני על ידי המערכת הפאראסימפתטית וכולל הקרנות כולינרגיות, בעוד שמרחיב הקשתית עצבני על ידי המערכת הסימפתטית הכוללת הקרנות נוראדרנרגיות וכולינרגיות 1,2,3. הגירוי הידוע ביותר לגרימת שינויים בפרקינסון הוא התכווצות הארה ותגובות התרחבות של האישון יכולות להיווצר על ידי שינויים בעוצמת האור הסביבתי2. PD משתנה גם כפונקציה של מרחק מוקד2. עם זאת, ידוע מזה עשרות שנים כי PD מראה גם תנודות שאינן קשורות להארה 4,5,6,7. לדוגמה, שינויים במצבים מנטליים פנימיים יכולים לעורר שינויים חולפים בפרקינסון. האישון מתרחב בתגובה לגירויים טעונים רגשית או עולה עם עוררות 4,5,8,9. הרחבת אישונים יכולה להיות קשורה גם למנגנונים קוגניטיביים אחרים, כגון מאמץ מנטלי מוגבר או תשומת לב10,11,12,13. בגלל הקשר הזה בין שינויים בגודל האישונים לבין מצבים נפשיים, שינויים בפרקינסון נחקרו כסמן להפרעות קליניות כגון סכיזופרניה 14,15, חרדה 16,17,18, מחלת פרקינסון 19,20 ואלצהיימר 21 בין היתר., אצל בעלי חיים, שינויים בפרקינסון עוקבים אחר מצבים התנהגותיים פנימיים ומתואמים עם רמות הפעילות העצבית באזורים בקליפת המוח22,23,24,25. קוטר האישון הוכח גם כאינדיקטור אמין למצב השינה בעכברים26. שינויים אלה הקשורים לעוררות ולמצב הפנימי מתרחשים בדרך כלל בסקאלות זמן ארוכות בסדר גודל של כמה עשרות שניות.
בתחום חקר השמיעה, בשמיעה תקינה כמו גם בנבדקים לקויי שמיעה, מאמץ ההאזנה והתפיסה השמיעתית הוערכו באמצעות אישונים. מחקרים אלה כוללים בדרך כלל נבדקי מחקר מאומנים27,28,29,30 המבצעים סוגים שונים של משימות זיהוי או זיהוי. בגלל הקשר הנ”ל בין עוררות ופרקינסון, מעורבות מוגברת במשימות ומאמץ הקשבה נמצאו בקורלציה עם תגובות מוגברות להרחבת אישונים 30,31,32,33,34,35. לפיכך, נעשה שימוש באישונים כדי להראות כי מאמץ האזנה מוגבר מושקע כדי לזהות דיבור פגום ספקטרלית אצל מאזינים בעלי שמיעה רגילה29,36. בקרב מאזינים לקויי שמיעה, כגון בני אדם עם ליקוי שמיעה הקשור לגיל 27,30,37,38,39,40,41 ומשתמשי שתל שבלול 42,43, תגובות האישונים גדלו גם הן עם ירידה בהבנת הדיבור; עם זאת, מאזינים לקויי שמיעה הראו התרחבות אישונים גדולה יותר בתנאי האזנה קלים יותר בהשוואה לנבדקי שמיעה רגילים 27,30,37,38,39,40,41,42,43. אבל ניסויים הדורשים מהמאזין לבצע משימת זיהוי אינם תמיד אפשריים – למשל, אצל תינוקות, או בכמה מודלים של בעלי חיים. לפיכך, תגובות אישונים שאינן קשורות להארה המתעוררות על ידי גירויים אקוסטיים יכולות להיות שיטה חלופית בת קיימא להערכת זיהוי שמיעתי במקרים אלה44,45. מחקרים קודמים הדגימו הרחבת אישון חולפת וקשורה לגירוי כחלק מרפלקס הכיוון46. מחקרים מאוחרים יותר הדגימו שימוש בהתרחבות אישונים הקשורה לגירוי כדי לגזור עקומות רגישות לתדר אצל ינשופים47,48. לאחרונה הותאמו שיטות אלה להערכת רגישות תגובת הרחבת האישונים בתינוקות אנושיים48. בדיקת אישונים הוכחה כגישה אמינה ולא פולשנית להערכת ספי זיהוי והבחנה שמיעתיים בשפני ניסיונות (GPs) בהאזנה פסיבית באמצעות מגוון רחב של גירויים פשוטים (צלילים) ומורכבים (קולות GP)49. שינויים אלה הקשורים לגירוי PD מתרחשים בדרך כלל בסקאלות זמן מהירות יותר בסדר גודל של מספר שניות וקשורים לתזמון הגירוי. כאן, אישונים של שינויים הקשורים לגירוי PD מוצע כשיטה לחקר השפעות התנהגותיות של סוגים שונים של ליקויי שמיעה במודלים של בעלי חיים. בפרט, פרוטוקולים pupillometry לשימוש GPs, מודל מבוסס היטב של בעלי חיים של סוגים שונים של פתולוגיות שמיעתיות 50,51,52,53,54,55,56 (ראה גם הפניה 57 לסקירה מקיפה) מתואר.
למרות שטכניקה זו מודגמת אצל רופאי משפחה בעלי שמיעה רגילה, ניתן להתאים שיטות אלה בקלות למודלים אחרים של בעלי חיים ולמודלים של בעלי חיים של פתולוגיות שמיעתיות שונות. חשוב לציין, ניתן לשלב אישונים עם מדידות לא פולשניות אחרות כגון EEG, כמו גם עם רישומים אלקטרופיזיולוגיים פולשניים על מנת לחקור את המנגנונים העומדים בבסיס זיהוי קול אפשרי וליקויים בתפיסה. לבסוף, גישה זו יכולה לשמש גם כדי ליצור קווי דמיון רחבים בין מודלים של בני אדם ובעלי חיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מדגים את השימוש באישונים כשיטה לא פולשנית ואמינה להערכת ספי שמיעה בבעלי חיים המאזינים באופן פסיבי. בהתאם לפרוטוקול המתואר כאן, הוערכו ספי סיווג הקריאה לרעש אצל רופאי שמיעה תקינים. ערכי סף שהוערכו באמצעות אישונים נמצאו עקביים עם אלה שהתקבלו באמצעות אימון אופרנטי62…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי NIH (R01DC017141), קרן מחקר השמיעה של פנסילבניה ליונס, וכספים מהמחלקות לאף אוזן גרון ונוירוביולוגיה, אוניברסיטת פיטסבורג.
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 |
References
- Steinhauer, S. R., Siegle, G. J., Condray, R., Pless, M. Sympathetic and parasympathetic innervation of pupillary dilation during sustained processing. International Journal of Psychophysiology. 52 (1), 77-86 (2004).
- Strauch, C., Wang, C. A., Einhäuser, W., Vander Stigchel, S., Naber, M. Pupillometry as an integrated readout of distinct attentional networks. Trends in Neurosciences. 45 (8), 635-647 (2022).
- Turnbull, P. R., Irani, N., Lim, N., Phillips, J. R. Origins of Pupillary Hippus in the autonomic nervous system. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 58 (1), 197-203 (2017).
- Bradley, M. M., Miccoli, L., Escrig, M. A., Lang, P. J. The pupil as a measure of emotional arousal and autonomic activation. Psychophysiology. 45 (4), 602-607 (2008).
- Oliva, M., Anikin, A. Pupil dilation reflects the time course of emotion recognition in human vocalizations. Scientific Reports. 8 (1), 4871 (2018).
- Privitera, C. M., Renninger, L. W., Carney, T., Klein, S., Aguilar, M. Pupil dilation during visual target detection. Journal of Vision. 10 (10), 3 (2010).
- Zekveld, A. A., Koelewijn, T., Kramer, S. E. The pupil dilation response to auditory stimuli: Current state of knowledge. Trends in Hearing. 22, 2331216518777174 (2018).
- Alamia, A., VanRullen, R., Pasqualotto, E., Mouraux, A., Zenon, A. Pupil-linked arousal responds to unconscious surprisal. The Journal of Neuroscience. 39 (27), 5369-5376 (2019).
- Wang, C. A., et al. Arousal effects on pupil size, heart rate, and skin conductance in an emotional face task. Frontiers in Neurology. 9, 1029 (2018).
- Hess, E. H., Polt, J. M. Pupil size in relation to mental activity during simple problem-solving. Science. 143 (3611), 1190-1192 (1964).
- Kahneman, D., Beatty, J. Pupil diameter and load on memory. Science. 154 (3756), 1583-1585 (1966).
- Lisi, M., Bonato, M., Zorzi, M. Pupil dilation reveals top-down attentional load during spatial monitoring. Biological Psychology. 112, 39-45 (2015).
- Zhao, S., Bury, G., Milne, A., Chait, M. Pupillometry as an objective measure of sustained attention in young and older listeners. Trends in Hearing. 23, 2331216519887815 (2019).
- Steinhauer, S. R., Hakerem, G. The pupillary response in cognitive psychophysiology and schizophrenia. Annals of the New York Academy of Sciences. 658, 182-204 (1992).
- Thakkar, K. N., et al. Reduced pupil dilation during action preparation in schizophrenia. International Journal of Psychophysiology. 128, 111-118 (2018).
- Bitsios, P., Szabadi, E., Bradshaw, C. M. Relationship of the ‘fear-inhibited light reflex’ to the level of state/trait anxiety in healthy subjects. International Journal of Psychophysiology. 43 (2), 177-184 (2002).
- Burkhouse, K. L., Siegle, G. J., Gibb, B. E. Pupillary reactivity to emotional stimuli in children of depressed and anxious mothers. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 55 (9), 1009-1016 (2014).
- Nagai, M., Wada, M., Sunaga, N. Trait anxiety affects the pupillary light reflex in college students. Neuroscience Letters. 328 (1), 68-70 (2002).
- Giza, E., Fotiou, D., Bostantjopoulou, S., Katsarou, Z., Karlovasitou, A. Pupil light reflex in Parkinson’s disease: evaluation with pupillometry. International Journal of Neuroscience. 121 (1), 37-43 (2011).
- You, S., Hong, J. H., Yoo, J. Analysis of pupillometer results according to disease stage in patients with Parkinson’s disease. Scientific Reports. 11 (1), 17880 (2021).
- Fountoulakis, K. N., St Kaprinis, G., Fotiou, F. Is there a role for pupillometry in the diagnostic approach of Alzheimer’s disease? a review of the data. Journal of the American Geriatrics Society. 52 (1), 166-168 (2004).
- McGinley, M. J., David, S. V., McCormick, D. A. Cortical membrane potential signature of optimal states for sensory signal detection. Neuron. 87 (1), 179-192 (2015).
- McGinley, M. J., et al. Waking state: Rapid variations modulate neural and behavioral responses. Neuron. 87 (6), 1143-1161 (2015).
- Schwartz, Z. P., Buran, B. N., David, S. V. Pupil-associated states modulate excitability but not stimulus selectivity in primary auditory cortex. Journal of Neurophysiology. 123 (1), 191-208 (2020).
- Vinck, M., Batista-Brito, R., Knoblich, U., Cardin, J. A. Arousal and locomotion make distinct contributions to cortical activity patterns and visual encoding. Neuron. 86 (3), 740-754 (2015).
- Yüzgeç, &. #. 2. 1. 4. ;., Prsa, M., Zimmermann, R., Huber, D. Pupil size coupling to cortical states protects the stability of deep sleep via parasympathetic modulation. Current Biology. 28 (3), 392-400 (2018).
- Kuchinsky, S. E., et al. Pupil size varies with word listening and response selection difficulty in older adults with hearing loss. Psychophysiology. 50 (1), 23-34 (2013).
- Winn, M. B., Wendt, D., Koelewijn, T., Kuchinsky, S. E. Best practices and advice for using pupillometry to measure listening effort: An introduction for those who want to get started. Trends in Hearing. 22, 2331216518800869 (2018).
- Zekveld, A. A., Kramer, S. E. Cognitive processing load across a wide range of listening conditions: insights from pupillometry. Psychophysiology. 51 (3), 277-284 (2014).
- Zekveld, A. A., Kramer, S. E., Festen, J. M. Cognitive load during speech perception in noise: the influence of age, hearing loss, and cognition on the pupil response. Ear and Hearing. 32 (4), 498-510 (2011).
- Koelewijn, T., Zekveld, A. A., Festen, J. M., Kramer, S. E. Pupil dilation uncovers extra listening effort in the presence of a single-talker masker. Ear and Hearing. 33 (2), 291-300 (2012).
- McCloy, D. R., Lau, B. K., Larson, E., Pratt, K. A. I., Lee, A. K. C. Pupillometry shows the effort of auditory attention switching. The Journal of the Acoustical Society of America. 141 (4), 2440 (2017).
- Piquado, T., Isaacowitz, D., Wingfield, A. Pupillometry as a measure of cognitive effort in younger and older adults. Psychophysiology. 47 (3), 560-569 (2010).
- Reilly, J., Kelly, A., Kim, S. H., Jett, S., Zuckerman, B. The human task-evoked pupillary response function is linear: Implications for baseline response scaling in pupillometry. Behavior Research Methods. 51 (2), 865-878 (2019).
- Zekveld, A. A., Kramer, S. E., Festen, J. M. Pupil response as an indication of effortful listening: the influence of sentence intelligibility. Ear and Hearing. 31 (4), 480-490 (2010).
- Winn, M. B., Edwards, J. R., Litovsky, R. Y. The impact of auditory Spectral Resolution on Listening Effort Revealed by Pupil Dilation. Ear and Hearing. 36 (4), 153-165 (2015).
- Ayasse, N. D., Wingfield, A. A Tipping point in listening effort: Effects of linguistic complexity and age-related hearing loss on sentence comprehension. Trends in Hearing. 22, 2331216518790907 (2018).
- Koelewijn, T., Versfeld, N. J., Kramer, S. E. Effects of attention on the speech reception threshold and pupil response of people with impaired and normal hearing. Hearing Research. 354, 56-63 (2017).
- Kramer, S. E., Kapteyn, T. S., Festen, J. M., Kuik, D. J. Assessing aspects of auditory handicap by means of pupil dilatation. Audiology. 36 (3), 155-164 (1997).
- Kuchinsky, S. E., et al. Speech-perception training for older adults with hearing loss impacts word recognition and effort. Psychophysiology. 51 (10), 1046-1057 (2014).
- Wendt, D., Hietkamp, R. K., Lunner, T. Impact of noise and noise reduction on processing effort: A pupillometry study. Ear and Hearing. 38 (6), 690-700 (2017).
- Winn, M. B. Rapid release from listening effort resulting from semantic context, and effects of spectral degradation and cochlear implants. Trends in Hearing. 20, 2331216516669723 (2016).
- Winn, M. B., Moore, A. N. Pupillometry reveals that context benefit in speech perception can be disrupted by later-occurring sounds, especially in listeners with Cochlear implants. Trends in Hearing. 22, 2331216518808962 (2018).
- Selezneva, E., Brosch, M., Rathi, S., Vighneshvel, T., Wetzel, N. Comparison of pupil dilation responses to unexpected sounds in monkeys and humans. Frontiers in Psychology. 12, 754604 (2021).
- Wetzel, N., Buttelmann, D., Schieler, A., Widmann, A. Infant and adult pupil dilation in response to unexpected sounds. Developmental Psychobiology. 58 (3), 382-392 (2016).
- Sokolov, E. N. Higher nervous functions; the orienting reflex. Annual Review of Physiology. 25, 545-580 (1963).
- Bala, A. D., Takahashi, T. T. Pupillary dilation response as an indicator of auditory discrimination in the barn owl. Journal of Comparative Physiology A. 186 (5), 425-434 (2000).
- Bala, A. D. S., Whitchurch, E. A., Takahashi, T. T. Human auditory detection and discrimination measured with the pupil dilation Response. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 21 (1), 43-59 (2020).
- Montes-Lourido, P., Kar, M., Kumbam, I., Sadagopan, S. Pupillometry as a reliable metric of auditory detection and discrimination across diverse stimulus paradigms in animal models. Scientific Reports. 11 (1), 3108 (2021).
- Coomber, B., et al. Neural changes accompanying tinnitus following unilateral acoustic trauma in the guinea pig. European Journal of Neuroscience. 40 (2), 2427-2441 (2014).
- Fan, L., et al. Pre-exposure to lower-level noise mitigates cochlear synaptic loss induced by high-level noise. Frontiers in Systems Neuroscience. 14, 25 (2020).
- Furman, A. C., Kujawa, S. G., Liberman, M. C. Noise-induced cochlear neuropathy is selective for fibers with low spontaneous rates. Journal of Neurophysiology. 110 (3), 577-586 (2013).
- Hickman, T. T., Hashimoto, K., Liberman, L. D., Liberman, M. C. Synaptic migration and reorganization after noise exposure suggests regeneration in a mature mammalian cochlea. Scientific Reports. 10 (1), 19945 (2020).
- Huetz, C., Guedin, M., Edeline, J. M. Neural correlates of moderate hearing loss: time course of response changes in the primary auditory cortex of awake guinea-pigs. Frontiers in Systems Neuroscience. 8, 65 (2014).
- Lin, H. W., Furman, A. C., Kujawa, S. G., Liberman, M. C. Primary neural degeneration in the Guinea pig cochlea after reversible noise-induced threshold shift. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 12 (5), 605-616 (2011).
- Shi, L., et al. Ribbon synapse plasticity in the cochleae of Guinea pigs after noise-induced silent damage. PLoS One. 8 (12), 81566 (2013).
- Naert, G., Pasdelou, M. P., Le Prell, C. G. Use of the guinea pig in studies on the development and prevention of acquired sensorineural hearing loss, with an emphasis on noise. The Journal of the Acoustical Society of America. 146 (5), 3743 (2019).
- Montes-Lourido, P., Kar, M., Pernia, M., Parida, S., Sadagopan, S. Updates to the guinea pig animal model for in-vivo auditory neuroscience in the low frequency regime. Hearing Research. 424, 108603 (2022).
- Gao, L., Wang, X. Intracellular neuronal recording in awake nonhuman primates. Nature Protocols. 15 (11), 3615-3631 (2020).
- Lu, T., Liang, L., Wang, X. Neural representations of temporally asymmetric stimuli in the auditory cortex of awake primates. Journal of Neurophysiology. 85 (6), 2364-2380 (2001).
- Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: I. Fitting, sampling, and goodness of fit. Perception & psychophysics. 63 (8), 1293-1313 (2001).
- Kar, M., et al. Vocalization categorization behavior explained by a feature-based auditory categorization model. bioRxiv. , 483596 (2022).
- Schaeffer, D. J., Liu, C., Silva, A. C., Everling, S. Magnetic resonance imaging of marmoset monkeys. ILAR Journal. 61 (2-3), 274-285 (2020).
- Drucker, C. B., Carlson, M. L., Toda, K., DeWind, N. K., Platt, M. L. Non-invasive primate head restraint using thermoplastic masks. Journal of Neuroscience Methods. 253, 90-100 (2015).
- Meyer, A. F., O’Keefe, J., Poort, J. Two distinct types of eye-head coupling in freely moving mice. Current Biology. 30 (11), 2116-2130 (2020).
- Nath, T., et al. Using DeepLabCut for 3D markerless pose estimation across species and behaviors. Nature Protocols. 14 (7), 2152-2176 (2019).
- DiNino, M., Holt, L. L., Shinn-Cunningham, B. G. Cutting through the noise: Noise-Induced cochlear synaptopathy and individual differences in speech understanding among listeners with normal audiograms. Ear and Hearing. 43 (1), 9-22 (2022).
