本文介绍了听觉脑干反应波形中前五个波峰和波谷的振幅和延迟的半自动测量。一个额外的例程将数据编译并注释到电子表格中,以供实验者分析。这些免费的计算机例程是使用开源统计包R执行的。
过去15年中的许多报告都评估了噪声暴露等侮辱后听觉脑干反应(ABR)波形的变化。常见的变化包括峰1幅度的降低和后面峰值的相对延迟,以及中心增益的增加,这反映在与峰值1的幅度相比,后面峰值的幅度相对增加。许多实验人员通过视觉识别峰值和波谷以评估它们的相对高度和延迟,当每个频率和条件在整个听觉范围内以5 dB的增量收集波形时,这是一个费力的过程。本文介绍了可以在开源平台 R 中使用 RStudio 接口执行的自由例程,以半自动测量听觉脑干响应 (ABR) 波形的峰值和波谷。这些例程识别波峰和波谷的幅度和延迟,将其显示在生成的波形上以供检查,将结果整理并注释到电子表格中进行统计分析,并生成数字的平均波形。如果自动化过程错误地识别了 ABR 波形,则还有一个额外的工具可以帮助校正。目标是减少分析ABR波形所需的时间和精力,以便将来更多的研究人员将这些分析包括在内。
听觉脑干反应(ABR)经常用于确定动物受试者和人类婴儿的听力阈值。由于 ABR 是神经系统对听觉刺激的首次反应的脑电图 (EEG) 记录,因此它携带额外的信息,反映耳蜗螺旋神经节神经元的协调放电和听觉脑干中的早期信号处理,包括双侧处理1。这些反应可能会受到噪音创伤的影响。例如,足以诱导小鼠暂时阈值偏移的噪声暴露也可以永久降低ABR峰12的振幅。此外,这种创伤可能会降低峰间潜伏期并增加后期峰3的相对振幅,这可能是由于抑制调节4的丧失。除了这些发现之外,特定的基因突变已被证明可以在没有创伤的情况下改变ABR波形5,6,7。因此,ABR波形的常规分析可以提供对实验模型中听觉系统的洞察。
人们也有兴趣使用ABR波形作为患者的诊断工具。以前的报告已经评估了人类患者在暴露于噪音后或耳鸣患者的ABR峰值1是否降低8,9。值得注意的是,据报道,偏头痛发作会暂时增加高峰间延迟数周,之后受影响个体的 ABR 波形恢复正常10。据报道,COVID-19 会导致 ABR 峰间延迟的长期变化11,12,尽管另一项研究报告了不同的结果 13。听力损失通常与衰老中的痴呆同时存在,听力损失较大的人往往会经历进展更快的痴呆14。研究人员研究了神经退行性疾病的ABR波形变化,例如帕金森病(在Jafari等人15中审查)和阿尔茨海默病(在Swords等人16中审查),以及正常衰老17。随着越来越多的研究人员和临床医生研究感觉缺陷作为衰老常见疾病的生物标志物,ABR等技术可能会成为医疗保健中的常规。
对文献中方法部分的检查表明,实验室经常在 MatLab 中编写自定义脚本来分析 ABR 波形。智能听力系统制造的ABR平台具有波形分析功能,但需要操作员手动选择波峰和波谷。在这里,我们为开源、免费提供的统计环境 R 和 RStudio 接口编写了半自动分析例程。该报告将使用我们的例程获得的数据与通过让实验者手动识别峰值和波谷获得的数据进行比较,并表明来自两种方法的数据具有很强的相关性。重要的是,这些例程包含一个盲法功能,其中样本的元数据被放置在一个单独的文件中,直到最后才合并。这些功能简化了我们实验室的波形分析。
本出版物中描述的协议应有助于简化描述ABR到咔嗒声和音调点的电压幅度比和延迟间隔的数据的采集。通过在 RStudio 中使用单个命令,实验者可以在单个文档中提取、编译和显示此信息以进行统计分析。通过使这种分析成为常规,我们希望该领域能够发现新的方法,使ABR在不同物种的发育,衰老或侮辱中被改变。这些信息对于从噪声2中识别类似于突触病的重要机制可能很有价值。用于该实验的年轻小鼠具有高度可变的反应,可能是因为听觉脑干在20岁时仍在成熟。尽管如此,这两种定量方法显示出非常强的相关性(图2)。
该脚本使用名为“Time.csv”的文件在数据中设置间隔以进行峰值识别。简而言之,在指定时间间隔内发生的最大电压幅度标记为“峰值1”,在下一个时间间隔内发生的最大电压幅度标记为“波谷1”,依此类推。我们选择的间隔包括1个月至12个月大的CBA / CaJ小鼠的点击和音调点响应的延迟,频率范围为8 kHz至32 kHz。我们成功地使用该工具测量了小鼠的音调点反应。其他物种,包括人类,在类似的窗口中也有ABR反应,我们预计该工具也可以用于其他物种的数据。我们建议对人类21使用新的并行ABR方法,该方法可产生出色的波形。时间间隔限制将此工具的使用限制为评估即时 ABR 响应。但是,我们注意到,用户可以更改此文件中的间隔数据,以自动测量ABR对语音的响应或事件相关电位(ERP),这些电位通常在响应声音的不同时间发生。
对这些数据进行统计处理的一些特点值得强调。据我们所知,该领域没有用于区分振幅级数的标准化处理方法。早期研究使用方差分析22,23。此处点击系列的数据(图 2)是非参数的,因此使用了 Kruskal-Wallis 秩和检验。与方差分析类似,克鲁斯卡尔-瓦利斯秩和检验评估在给定刺激水平下获得的值的差异;也就是说,它比较在图形上获得的线。但是,其他治疗方法也是可能的。从生物学上讲,振幅进展反映了随着刺激水平的增加,更高阈值神经元的额外募集。这表明曲线下的面积(代表线的积分)可能是更相关的度量。广义估计方程(GEE)可用于对单个数据进行积分分析建模,如Patel等人5。值得注意的是,GEE分析可以考虑这些实验的重复措施设计。随着越来越多的研究人员讨论数据分析方法,我们预计会出现关于最佳实践的共识。
总之,本文介绍了用于测量、编译和可视化 ABR 波形的免费且易于使用的工具。这些工具可以由RStudio的新手学生通过遵循此协议使用,并且它们包含一个盲法步骤以提高严谨性和可重复性。我们预计,常规的ABR波形分析将能够发现侮辱,遗传变异和其他可能影响听觉功能的治疗方法。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了NIDCD向PW提供的两项赠款的支持:R01 DC018660和行政补充奖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. |