Ein Low-Cost-Setup für Verhaltensaudiometrie in Nagetiere

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, präpulsinduzierte Verhaltensdaten der akustischen Schreckreaktion zu erhalten, um die Hörschwelle und eine subjektive Tinnituswahrnehmung bei Nagetieren mithilfe einer kostengünstigen Versuchsanordnung zu bestimmen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein vollständiger Datensatz an Verhaltensdaten am gesunden Tier erhoben wird. Anschließend wird eine Hörstörung durch ein mildes, frequenzspezifisches akustisches Trauma induziert.

Der dritte Schritt besteht darin, die gleichen Verhaltensdaten beim hörgeschädigten Tier zu erhalten. Anschließend werden die Daten analysiert, um einen möglichen Hörverlust und eine eventuelle Tinnituswahrnehmung zu messen. Letztendlich können die Ergebnisse nicht nur Veränderungen der Hörschwelle, sondern auch frequenzspezifischen Tinnitus zeigen.

Wahrnehmungen durch die Verhaltensmessung von Schreckreaktionen werden demonstriert, indem der Verfahrensschritt von SA, einem Postdoktoranden, und Z ave, einem Doktoranden in meinem Labor, konsultiert wird. Zunächst muss ein PC mit der notwendigen Ausrüstung zusammengebaut werden. Die Gesamtkosten für diesen Aufbau belaufen sich auf etwa 3.500 Euro im Vergleich zur Standardausrüstung, die zwischen 15.000 und 20.000 Euro kosten kann.

Dazu gehören ein an eine Breakout-Box und einen Verstärker angeschlossener DA-Wandler, eine Infrarot-Webcam und eine MATLAB-Software, die eine integrierte Entwicklungsumgebung ausführt. Der Verstärker ist mit einem Lautsprecher in einer schallisolierten Kammer verbunden, die von der Webcam überwacht wird und mit einer isolierten Sensorplatine, einem Piezosensor sowie einer Vorrichtung zur sicheren Fixierung des Nagetiers innerhalb der schallisolierten Kammer ausgestattet ist. Außerdem ist ein Mikrofon zur Schallkontrolle vorhanden.

Unabhängig von der Qualität des Verstärkers und des Lautsprechers muss das System mit einem Messverstärker kalibriert werden, um die Frequenzübertragungsfunktion des Systems zu bestimmen. Darüber hinaus muss das System an den Hörbereich des Versuchstiers angepasst werden. Nehmen Sie das Tier aus seinem Heimkäfig und setzen Sie es kopfvoran in die Halteröhre.

Schließen Sie die Tür, laden Sie die Röhre in die Kammer auf den Schaumfüßen und schalten Sie den Sensor aus, um alle Umgebungslichter auszuschalten. Schließen Sie die Tür zur Kammer und warten Sie 15 Minuten, damit sich das Tier an die Versuchsanordnung gewöhnen kann. Starten Sie das Programm und definieren Sie die Parameter für die Stimulation.

Die Reize bestehen aus reinen Tönen mit unterschiedlichen Frequenzen. Die Testreize, die den Schreckreizen vorausgehen, werden mit variierenden Frequenzen und Intensitäten präsentiert. Bei einem nicht randomisierten Ansatz, beispielsweise einer festgelegten Testreizstufe für alle getesteten Frequenzen, sollte eine Erholungszeit von fünf Minuten zwischen den Reizserien eingelegt werden.

Bevor die Daten analysiert werden, müssen ungültige Durchläufe aus dem Datensatz entfernt werden, beispielsweise solche, bei denen sich das Tier vor dem Startreiz bewegt hat. Die Validierung der einzelnen Durchläufe ist sehr wichtig, da die Reaktionen auf den Startreiz tendenziell deutlich stärker sind, nachdem sich das Tier bereits bewegt hat. Solche Reaktionen müssen verworfen werden.

Bestimmen Sie nun die Amplitude und Latenz der Schreckreaktion innerhalb eines Zeitfensters der ersten 50 Millisekunden nach dem Schreckreiz. Die Amplitude der Reaktion entspricht dem Abstand zwischen dem ersten Maximum und dem ersten Minimum der Reaktion. Die Latenz ist die Zeit vom Stimulusbeginn bis zum Reaktionsbeginn. Die Hörschwelle wird ermittelt, indem eine Boltzmann-Funktion an den vollständigen Datensatz der Antwortamplituden für eine Frequenz angepasst wird, sortiert nach der Prästimulus-Intensität einzelner Durchgänge.

Der 50-%-Punkt der Boltzman-Funktion zeigt die Hörschwelle für diese Stimulationsfrequenz an. Die Antworten auf den reinen Schreckreiz ohne jeglichen Präreiz können als Referenz für spätere Berechnungen verwendet werden. Um das Gehör der Nagetiere zu schädigen, betäuben Sie zunächst das Tier, indem Sie drei Milliliter pro Kilogramm Anästhetikum subkutan injizieren, einschließlich eines Bolus Atropin.

Warten Sie etwa fünf Minuten und überprüfen Sie die Reflexe. Um die Anästhesie während der Messungen aufrechtzuerhalten, injizieren Sie kontinuierlich das gleiche Volumen der Anästhetikalösung mittels einer Spritzenpumpe. Während jeder Stunde im Versuchskammer sollte das Tier durch eine Heizplatte warmgehalten werden.

Setzen Sie das Tier 75 Minuten lang einem lauten, reinen Ton aus, um ein akustisches Trauma zu induzieren. Nach einer Wartezeit von fünf Tagen, damit sich das Tier stabilisieren kann, erstellen Sie ein neues Audiogramm; eine Wartezeit von mindestens fünf Tagen für die Entwicklung von Tinnitus ist entscheidend, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Verwenden Sie im ersten subjektiven Tinnitus-Paradigma die folgenden Parameter für die Stimulation.

Stellen Sie die Lautstärke des Schreckreizes auf 105 Dezibel, SPL, ein und variieren Sie die Frequenzen von eins bis 16 Kilohertz in Einzelschritten. Beginnen Sie mit der Präsentation eines weißen Rauschens mit 50 Dezibel, SPL, entweder mit oder ohne eine 15-Millisekunden-Lücke. Bei Verwendung eines nicht randomisierten Ansatzes gewähren Sie fünf Minuten Erholungszeit zwischen den verschiedenen Stimulus-Sätzen.

Die Verwendung unterschiedlicher Startlautstärken gibt eine grobe Schätzung der wahrgenommenen Tinnitusfrequenz an. Verwenden Sie beim zweiten subjektiven Tinnitus-Paradigma die folgenden Stimulationsparameter: eine Startlautstärke von 105 Dezibel, SPL, mit Doppelklick-Stimulus. Beginnen Sie mit einem bandgefilterten Rauschen.

Grundgeräusch von 50 Dezibel, SPL. Wenn erneut ein nicht randomisierter Ansatz verwendet wird, sind fünf Minuten Erholungszeit zwischen den verschiedenen Reizsätzen einzuplanen. Nachdem ungültige Versuche aus dem Datensatz entfernt wurden, führen Sie die folgenden Berechnungen für jeden verbleibenden Versuch durch.

Zunächst messen Sie innerhalb der ersten 50 Millisekunden nach dem Schreckreiz die Antwortamplitude und die Antwortlatenz. Anschließend normalisieren Sie alle Daten anhand eines Referenzdatensatzes.

Der Referenzdatensatz ist die Antwortamplitude auf den Startlereiz mit reinem Ton ohne jeglichen Prästimulus. Die Testfrequenz wird entweder durch den reinen Ton oder die Mittenfrequenz des bandgefilterten Rauschens bestimmt. Berechnen Sie die mittlere Antwort jedes Referenzwertes. Normalisieren Sie anschließend jede Antwortamplitude, indem Sie sie durch ihren jeweiligen Referenzwert teilen.

Verwenden Sie nun den Mittelwert der normalisierten Bedingung ohne Lücke, um die PPI für jede getestete Bedingung zu berechnen. An diesem Punkt kann die prozentuale Änderung der PPI nach dem Trauma für jede getestete Frequenz berechnet werden. Ebenso ist es möglich, die PPI vor und nach dem Trauma direkt zu vergleichen.

Mithilfe des beschriebenen Paradigmas lassen sich Schreckreaktionen leicht erzeugen und analysieren. Der Großteil der Versuche ist gültig. Ungültige Versuche sind leicht zu erkennen.

Sie sind mit roten Quadraten markiert und werden von der Analyse ausgeschlossen. Eine typische Veränderung der Verhaltensschwelle, die vor und nach einem akustischen Trauma bei zwei Kilohertz erfasst wurde, zeigt einen deutlichen Hörverlust bei zwei Kilohertz. Nach der Induktion eines Hörtraumas wurden die normalisierten Antwortamplituden für Stimuli, eine Oktave unterhalb und eine Oktave oberhalb der Traumafrequenz, unterhalb der Traumafrequenz untersucht.

Über der Traumafrequenz wurde keine Veränderung des Antwortmusters festgestellt. Der Effekt der Prästimuluslücke verschwand, was auf eine Fehlwahrnehmung bei dieser Frequenz hinweist. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man die Verhaltensdaten zur Ermittlung der Hörschwelle erhält und verarbeitet sowie die Wahrnehmungsevaluation bei Nagetieren mit einer kostengünstigen Schreckreaktionsanordnung durchführt.