Низкая стоимость установки для поведенческой аудиометрии в Грызуны
16 октября 2012 г.
Быстрый и недорогой метод для определения поведенческих услышав такие параметры, как порогов слуха, нарушениями слуха или фантомного восприятия (субъективного шума в ушах) описывается. Он использует предварительного импульса торможения акустического отклика испуга и может быть легко реализована в персональном компьютере с использованием программируемых AD / DA-конвертер и пьезо датчик.
Общая цель данной процедуры заключается в получении данных о поведенческом торможении препульсом слуховой реакции испуга для определения порога слышимости и субъективного восприятия тиннитуса у грызунов с использованием недорогой установки. Это достигается путем первоначального сбора полного набора поведенческих данных у здорового животного, после чего с помощью легкой частотно-специфичной акустической травмы индуцируется нарушение слуха.
Третьим шагом является получение аналогичных поведенческих данных у животного с нарушением слуха. Затем проводится анализ данных для оценки степени потери слуха и возможного восприятия тиннитуса. В конечном итоге результаты могут продемонстрировать не только изменения порога слышимости, но и частотно-специфичный тиннитус.
Показатели поведенческих измерений реакций испуга будут продемонстрированы в процедуре, в которой примут участие SA, постдок, и Z ave, аспирант моей лаборатории. Сначала необходимо собрать ПК с соответствующим оборудованием. Общая стоимость данной установки составляет около 3 500 евро по сравнению со стандартным оборудованием, стоимость которого может варьироваться от 15 000 до 20 000 евро.
Сюда входят ЦАП, подключенный к разветвительному блоку и усилителю, инфракрасная веб-камера и программное обеспечение MATLAB с интегрированной средой разработки. Усилитель подключен к динамику в звукоизолированной камере, которая контролируется веб-камерой и оснащена изолированной сенсорной платой, пьезодатчиком и камерой для фиксации грызуна внутри звукоизолированной камеры. Также имеется микрофон для контроля звука.
Независимо от качества усилителя и динамика, система должна быть откалибрована с помощью измерительного усилителя для определения частотной передаточной функции системы. Кроме того, система должна быть адаптирована к диапазону слуха подопытного животного. Достаньте животное из домашней клетки и поместите его головой вперед в фиксирующую трубку.
Закройте дверь, поместите пробирку в камеру на поролоновые ножки; датчик выключит любое внешнее освещение. Закройте дверь камеры и подождите 15 минут, чтобы животное привыкло к установке. Запустите программу и определите параметры стимуляции.
Стимулы представляют собой чистые тоны с различными частотами. Тестовые стимулы, предшествующие пугающим стимулам, предъявляются с разной частотой и интенсивностью. При нерандомизированном подходе, например, когда один уровень тестового стимула зафиксирован для всех исследуемых частот, между наборами стимулов следует предусмотреть пятиминутный перерыв для восстановления.
Перед анализом данных удалите из набора данных недопустимые пробы, например те, в которых животное начало двигаться до подачи пугающего стимула. Валидация отдельных проб имеет большое значение, так как ответы на пугающий стимул обычно становятся значительно сильнее после того, как животное совершило движение. Такие ответы должны быть исключены.
Теперь определите амплитуду и латентный период реакции испуга в пределах временного окна первых 50 миллисекунд после подачи стимулирующего сигнала. Амплитуда ответа представляет собой расстояние от первого максимума до первого минимума отклика. Латентный период — это время от начала стимуляции до начала отклика. Порог слуха определяется путем аппроксимации функции Больцмана к полному набору данных об амплитуде ответа для одной частоты, отсортированных по интенсивности стимула в отдельных пробах.
Точка 50% функции Больцмана указывает на порог слышимости для данной частоты стимуляции. Ответы на чистый пугающий стимул без какого-либо предварительного воздействия могут быть использованы в качестве эталона для последующих расчетов. Для нанесения акустической травмы слуху грызунов сначала анестезируйте животное, введя подкожно три миллилитра на килограмм анестетика, включая болюс атропина.
Подождите около пяти минут и проверьте рефлексы животного. Для поддержания анестезии во время измерений непрерывно вводите тот же объем раствора анестетика с помощью шприцевого насоса. В течение каждого часа пребывания в камере животное следует согревать с помощью грелки.
В течение 75 минут подвергайте животное воздействию громкого чистого тона для индуцирования акустической травмы. После пятидневного периода стабилизации состояния животного проведите новую аудиограмметрию; выдержка минимум пяти дней для развития тиннитуса имеет решающее значение для получения достоверных результатов. В первой парадигме субъективного тиннитуса используйте следующие параметры стимуляции.
Установите интенсивность пугающего звука на 105 децибел SPL и изменяйте частоты от 1 до 16 килогерц с шагом в одну октаву. Начните с подачи фонового белого шума интенсивностью 50 децибел SPL, с интервалом в 15 миллисекунд или без него. При использовании нерандомизированного подхода обеспечьте пятиминутный период восстановления между различными наборами стимулов.
Использование различных частот пугающего стимула позволит получить приблизительную оценку воспринимаемой частоты тиннитуса. Во второй парадигме субъективного тиннитуса используйте следующие параметры стимуляции: интенсивность пугающего звука 105 дБ SPL со стимулом в виде двойного щелчка. Начните с полософильтрованного шума.
Фоновый уровень звукового давления составляет 50 дБ SPL. Опять же, при использовании нерандомизированного подхода обеспечьте пятиминутный перерыв для восстановления между различными наборами стимулов. После удаления всех некорректных проб из набора данных выполните следующие расчеты для каждой оставшейся пробы.
Во-первых, измерьте амплитуду и латентный период ответа в течение первых 50 миллисекунд после подачи пугающего стимула. Во-вторых, нормализуйте все полученные данные относительно контрольного набора данных.
Контрольный набор данных представляет собой амплитуду ответа на старт-рефлексный стимул в виде чистого тона без какого-либо предварительного стимула; тестовая частота определяется либо чистым тоном, либо центральной частотой полосового фильтрующего шума. Вычислите средний ответ для каждого контрольного значения. Затем нормализуйте каждую амплитуду ответа, разделив ее на соответствующее контрольное значение.
Теперь, используя среднее значение для нормализованного контрольного условия (без разрыва), рассчитайте PPI для каждого исследуемого условия. На данном этапе можно рассчитать процентное изменение PPI после травмы для каждой исследуемой частоты. Аналогичным образом можно провести прямое сравнение PPI до и после травмы.
При использовании описанной парадигмы реакции испуга легко вызывать и анализировать. Большинство проб являются валидными. Невалидные пробы легко распознать.
Они отмечены красными квадратами и исключены из анализа. Типичное изменение поведенческого порога, зафиксированное до и после акустической травмы на частоте 2 kHz, демонстрирует явную потерю слуха на этой частоте. После индуцирования слуховой травмы были исследованы нормированные амплитуды ответов на стимулы на одну октаву ниже и на одну октаву выше частоты травмы.
При частоте травмы изменений в паттерне отклика обнаружено не было. Эффект интервала перед стимулами исчез, что указывает на отсутствие восприятия на данной частоте. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как получать и обрабатывать поведенческие данные для определения порога слуха и оценки восприятия у грызунов с использованием недорогой установки для анализа реакции испуга.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье описывается быстрый и экономичный метод определения параметров слуха у грызунов, включая пороги слышимости и субъективный тиннитус. Метод основан на использовании препульсного торможения акустического стартл-рефлекса и может быть реализован с помощью персонального компьютера с программируемым АЦП/ЦАП-преобразователем и пьезодатчиком.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Поведенческая оценка
- Исследования слуха
Теоретические сведения
- Понимание порогов слышимости имеет решающее значение для слуховых исследований.
- Субъективный тиннитус — распространенное нарушение слуха, требующее эффективных методов оценки.
- Торможение препульсом является общепризнанным методом в поведенческой нейробиологии.
- Использование недорогих установок может повысить доступность исследований для ученых.
Цель исследования
- Разработать метод оценки порогов слышимости у грызунов.
- Оценить наличие субъективного тиннитуса с помощью поведенческих реакций.
- Предложить практическое решение для исследователей с ограниченными ресурсами.
Используемые методы
- Сбор поведенческих данных у здоровых грызунов.
- Индукция нарушения слуха с помощью частотно-специфической акустической травмы.
- Повторный сбор поведенческих данных у животных с нарушением слуха.
- Анализ данных для оценки потери слуха и восприятия тиннитуса.
Основные результаты
- Определение изменений порога слышимости у грызунов.
- Демонстрация частотно-специфического тиннитуса у субъектов с нарушением слуха.
- Валидация метода как надежного инструмента для слуховых исследований.
- Предоставление недорогой альтернативы для поведенческих оценок.
Выводы
- Разработанный метод позволяет эффективно измерять параметры слуха у грызунов.
- Он дает представление как о потере слуха, так и о субъективном тиннитусе.
- Данный подход может способствовать дальнейшим исследованиям в области нейробиологии слуха.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Поведенческая аудиометрия с использованием препульсного торможения акустического стартл-рефлекса представляет собой недорогой и высокопроизводительный метод оценки порогов слышимости и субъективного тиннитуса на моделях грызунов. Данный подход позволяет проводить валидацию мишеней на ранних стадиях и снижение механистических рисков в слуховой нейробиологии, предоставляя количественные, перцептивно значимые данные без необходимости обучения животных. Такая установка поддерживает масштабируемые рабочие процессы скрининга и разработку трансляционных биомаркеров для программ в области ототоксикологии и поиска лекарственных средств для ЦНС.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать пороги слухового восприятия и фенотипы, подобные тиннитусу, у наивных грызунов, что способствует проверке целевых гипотез при потере слуха и расстройствах ЦНС.
- Практическая ценность: устраняет искажающие факторы обучения, присущие анализам с оперантным обусловливанием, что повышает интерпретируемость данных и снижает вариабельность в исследованиях по валидации мишеней.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Позволяет строить кривые зависимости «доза-эффект» для препульсного торможения при различных частотах и интенсивностях, что обеспечивает количественную оценку влияния соединений на слуховое восприятие.
- Практическая ценность: Использует недорогие и широко доступные компоненты (ПК, ЦАП, пьезодатчик, веб-камера) для создания воспроизводимых и масштабируемых платформ анализа для высокопроизводительного скрининга.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: облегчает лонгитюдный мониторинг слуховой функции и развития тиннитуса после акустической травмы, моделируя фенотипы ототоксической и шум-индуцированной потери слуха.
- Практическая ценность: поддерживает принятие решений о продолжении или прекращении исследований (go/no-go) на этапе доклинической разработки, предоставляя объективные, основанные на поведении конечные точки для профилирования слуховой безопасности.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Данный метод интегрируется в рабочие процессы поисковой биологии в качестве инструмента фенотипического скрининга слуховой функции, занимая промежуточное положение между идентификацией мишени и оптимизацией ведущих соединений для снижения рисков при работе с механистически неопределенными кандидатами.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез о функционировании слуховых путей и перцептивных фенотипах в моделях заболеваний.
- Скрининг: позволяет проводить стандартизированное количественное измерение модуляции стартл-рефлекса для скрининга библиотек соединений и анализа SAR.
- Аналитика: предоставляет нормализованные показатели амплитуды и латентности с аппроксимацией по функции Больцмана для определения порогов слышимости и индексов тиннитуса на основе PPI.
- Трансляционные исследования: моделирует частотно-зависимую потерю слуха и перцепцию тиннитуса, что соответствует данным клинической аудиометрии и результатам, сообщаемым пациентами.
- Корпоративное использование: представляет собой недорогую модульную платформу, адаптируемую для различных видов грызунов и линий для использования в рамках нескольких программ.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: обеспечивает перцептивно обоснованное и поведенчески подтвержденное слуховое фенотипирование с меньшей механистической неопределенностью по сравнению с электрофизиологическими суррогатами.
- Операционная ценность: снижает капитальные затраты примерно на 80% по сравнению с коммерческими системами оценки реакции испуга при сохранении качества и воспроизводимости данных.
- Стратегическая ценность: ускоряет принятие ранних решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) за счет выявления ототоксичности и слуховых эффектов, опосредованных ЦНС, до проведения дорогостоящих исследований по правилам GLP.
- Влияние на портфель: позволяет проводить приоритезацию соединений с учетом рисков на основе профилей слуховой безопасности, что снижает процент отсева на поздних стадиях в портфелях препаратов для нейробиологии и сенсорных систем.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области поведенческой нейробиологии, физиологии слуха, а также навыки сбора и анализа данных с использованием MATLAB.
- Необходимы откалиброванный ЦАП, усилитель, динамик и звукоизолированная камера для обеспечения точной подачи стимулов в диапазоне слышимости грызунов.
- Требуется соблюдение стандартизированных протоколов обращения и акклиматизации для минимизации вариабельности реакций испуга, вызванной стрессом.
- При адаптации установки под различные модели грызунов (например, крыс, мышей) необходимо учитывать видоспецифические аудиограммы.
- Метод ограничен рефлекторными реакциями испуга и не подходит для тестов, требующих сложных выученных форм поведения или произвольных моторных реакций.
