Dit artikel beschrijft de semi-geautomatiseerde meting van de amplitudes en latenties van de eerste vijf pieken en dalen in de auditieve hersenstamresponsgolfvorm. Een extra routine compileert en annoteert de gegevens in een spreadsheet voor experimentele analyse. Deze gratis computerroutines worden uitgevoerd met behulp van het open-source statistische pakket R.
Veel rapporten in de afgelopen 15 jaar hebben veranderingen in de golfvorm van de auditieve hersenstamrespons (ABR) beoordeeld na beledigingen zoals blootstelling aan lawaai. Veel voorkomende veranderingen omvatten verminderingen van de piek 1-amplitude en de relatieve latenties van de latere pieken, evenals een verhoogde centrale versterking, die wordt weerspiegeld door een relatieve toename van de amplitudes van de latere pieken in vergelijking met de amplitude van piek 1. Veel onderzoekers identificeren de pieken en dalen visueel om hun relatieve hoogten en latenties te beoordelen, wat een moeizaam proces is wanneer de golfvormen worden verzameld in stappen van 5 dB over het hele gehoorbereik voor elke frequentie en toestand. Dit artikel beschrijft gratis routines die kunnen worden uitgevoerd in het open-source platform R met de RStudio-interface om de metingen van de pieken en dalen van auditieve hersenstamrespons (ABR) golfvormen semi-te automatiseren. De routines identificeren de amplitudes en latenties van pieken en dalen, geven deze weer op een gegenereerde golfvorm voor inspectie, verzamelen en annoteren de resultaten in een spreadsheet voor statistische analyse en genereren gemiddelde golfvormen voor cijfers. In gevallen waarin het geautomatiseerde proces de ABR-golfvorm verkeerd identificeert, is er een extra hulpmiddel om te helpen bij de correctie. Het doel is om de tijd en moeite die nodig is om de ABR-golfvorm te analyseren te verminderen, zodat meer onderzoekers deze analyses in de toekomst zullen opnemen.
De auditieve hersenstamrespons (ABR) wordt vaak gebruikt om gehoordrempels te bepalen bij dieren en menselijke zuigelingen. Omdat de ABR een elektro-encefalogram (EEG) is van de eerste reacties van het zenuwstelsel op auditieve stimuli, bevat het aanvullende informatie die het gecoördineerde afvuren van cochleaire spiraalvormige ganglionneuronen en vroege signaalverwerking in de auditieve hersenstam weerspiegelt, inclusief bilaterale verwerking1. Deze reacties kunnen worden beïnvloed door lawaaitrauma. Blootstelling aan lawaai die voldoende is om een tijdelijke drempelverschuiving bij muizen te induceren, kan bijvoorbeeld ook de amplitude van ABR-piek 12 permanent verminderen. Bovendien kan een dergelijk trauma de interpeak latenties verminderen en de relatieve amplitudes van de latere piekenverhogen 3, mogelijk als gevolg van een verlies van remmende regulatie4. Naast deze bevindingen is aangetoond dat specifieke genetische mutaties de ABR-golfvorm veranderen in afwezigheid van trauma 5,6,7. Zo kan de routinematige analyse van ABR-golfvormen inzicht geven in het auditieve systeem in experimentele modellen.
Er is ook interesse in het gebruik van ABR-golfvormen als diagnostisch hulpmiddel voor patiënten. Eerdere rapporten hebben beoordeeld of de ABR-piek 1 is verminderd bij menselijke patiënten na blootstelling aan lawaai of bij tinnituspatiënten 8,9. Met name is gemeld dat migraineaanvallen de interpeak-latenties gedurende enkele weken tijdelijk verhogen, waarna de ABR-golfvorm terugkeert naar normaal bij getroffen personen10. Van COVID-19 is gemeld dat het langdurige veranderingen in ABR interpeak latenties11,12 veroorzaakt, hoewel een andere studie andere resultaten rapporteerde13. Gehoorverlies is vaak comorbid met dementie bij het ouder worden, en personen met een groter gehoorverlies hebben de neiging om dementie te ervaren die sneller vordert14. Onderzoekers hebben ABR-golfvormveranderingen onderzocht bij neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Parkinson (besproken in Jafari et al.15) en de ziekte van Alzheimer (beoordeeld in Swords et al.16), evenals bij normale veroudering17. Naarmate meer onderzoekers en clinici sensorische tekorten onderzoeken als biomarkers voor veel voorkomende ziekten bij veroudering, kunnen technieken zoals ABR routine worden in de gezondheidszorg.
Een onderzoek van de methodensecties in de literatuur onthult dat laboratoria vaak aangepaste scripts in MatLab schrijven voor het analyseren van ABR-golfvormen. Het ABR-platform van Intelligent Hearing Systems heeft een functie voor golfvormanalyse, maar het vereist dat een operator handmatig de pieken en dalen selecteert. Hier hebben we semi-geautomatiseerde analyseroutines geschreven voor de open-source, vrij beschikbare statistische omgeving R en de RStudio-interface. Dit rapport vergelijkt de gegevens die zijn verkregen met behulp van onze routines met de gegevens die zijn verkregen door een experimentator handmatig de pieken en dalen te laten identificeren en laat zien dat de gegevens van de twee methoden sterk gecorreleerd zijn. Belangrijk is dat de routines een verblindende functie bevatten, waarbij de metagegevens voor de voorbeelden in een afzonderlijk bestand worden geplaatst dat pas aan het einde wordt opgenomen. Deze functies hebben de golfvormanalyse voor ons lab gestroomlijnd.
Het protocol dat in deze publicatie wordt beschreven, moet helpen bij het stroomlijnen van de verwerving van gegevens die spanningsamplitudeverhoudingen en latentie-intervallen beschrijven voor ABRs tot klikken en toonpies. Door afzonderlijke opdrachten in RStudio te gebruiken, kan een experimentator deze informatie extraheren, compileren en weergeven in één document voor statistische analyse. Door deze analyse routine te maken, hopen we dat het veld nieuwe manieren zal ontdekken waarop de ABR kan worden veranderd in ontwikkeling, veroudering of door belediging bij verschillende soorten. Dergelijke informatie kan waardevol zijn voor het identificeren van belangrijke mechanismen die vergelijkbaar zijn met synaptopathie van ruis2. De jonge muizen die voor dit experiment werden gebruikt, hadden zeer variabele reacties, waarschijnlijk omdat de auditieve hersenstam op deze leeftijd van20 jaar nog steeds volwassen wordt. Niettemin vertoonden de twee kwantificeringsmethoden zeer sterke correlaties (figuur 2).
Het script gebruikt een bestand met de naam “Time.csv” om intervallen binnen de gegevens in te stellen voor piekidentificatie. Kortom, een maximale spanningsamplitude die optreedt in een gespecificeerd tijdsinterval wordt “piek 1” genoemd, een spanningsminimum dat optreedt in het volgende interval wordt gelabeld als “trog 1”, enzovoort. We kozen de intervallen om de latenties van zowel de klik- als de toonpitreacties te omvatten voor CBA / CaJ-muizen van 1 maand tot 12 maanden oud met frequenties van 8 kHz tot 32 kHz. We hebben de tool met succes gebruikt om ook toon pip-reacties bij muizen te meten. Andere soorten, waaronder mensen, hebben ook ABR-reacties binnen vergelijkbare vensters, en we verwachten dat deze tool ook kan worden gebruikt voor gegevens van andere soorten. We raden aan om de nieuwe parallelle ABR-methode voor mensen21 te gebruiken, die uitstekende golfvormen produceert. De beperking van het tijdsinterval beperkt het gebruik van deze tool tot het beoordelen van onmiddellijke ABR-reacties. We merken echter op dat de intervalgegevens in dit bestand door gebruikers kunnen worden gewijzigd om de metingen van ABR-reacties op spraak of van gebeurtenisgerelateerde potentialen (ERP’s) die kenmerkend op verschillende tijdstippen optreden als reactie op geluid te automatiseren.
Sommige kenmerken van de statistische behandeling van deze gegevens zijn het vermelden waard. Voor zover wij weten, heeft het veld geen gestandaardiseerde behandeling voor het onderscheiden van amplitudeprogressies. In de eerste studies werd ANOVA22,23 gebruikt. De gegevens uit de klikreeks hier (figuur 2) waren niet-parametrisch, wat leidde tot het gebruik van de Kruskal-Wallis rangsomtest. Net als bij ANOVA beoordeelt de Kruskal-Wallis rank sum test verschillen in de waarden die worden verkregen op een bepaald niveau van een stimulus; dat wil zeggen, het vergelijkt de lijnen die op de grafiek zijn verkregen. Er zijn echter ook andere behandelingen mogelijk. Biologisch gezien weerspiegelen amplitudeprogressies de extra rekrutering van neuronen met een hogere drempel naarmate het stimulusniveau toeneemt. Dit suggereert dat het gebied onder de curve, dat de integralen van de lijnen vertegenwoordigt, de meer relevante maat zou kunnen zijn. Gegeneraliseerde schattingsvergelijkingen (GEE) kunnen worden gebruikt om individuele gegevens te modelleren voor een integrale analyse, zoals in Patel et al.5. Met name gee-analyse kan rekening houden met het ontwerp van herhaalde maatregelen van deze experimenten. Naarmate meer onderzoekers de data-analysemethoden bespreken, verwachten we dat er een consensus ontstaat over best practices.
Kortom, dit artikel presenteert gratis en eenvoudig te gebruiken hulpmiddelen voor het meten, compileren en visualiseren van ABR-golfvormen. Deze tools kunnen worden gebruikt door beginnende studenten van RStudio door dit protocol te volgen, en ze bevatten een verblindende stap voor verbeterde strengheid en reproduceerbaarheid. We voorzien dat routinematige ABR-golfvormanalyse de ontdekking van beledigingen, genetische varianten en andere behandelingen mogelijk zal maken die de auditieve functie kunnen beïnvloeden.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door twee subsidies van het NIDCD aan PW: R01 DC018660 en een administratieve aanvullende prijs, 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. |