Pupillometri för att bedöma hörselkänsla hos marsvin

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 uppmärksamhet^10,11,12,13. 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 områden^22,23,24,25. 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 forskningspersoner^27,28,29,30 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 lyssnare^29,36. 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 fall^44,45. 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 ugglor^47,48. 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.