利用经典条件反射与心率法测定听觉声学与电刺激信号对辨别行为的研究

本实验的总体目标是确定能够刺激耳蜗核并产生可被动物区分的频率感知的刺激区域及神经刺激模式。首先，植入心率监测装置，以测量动物的生理反应。随后，将一根神经电极植入耳蜗核，用于向听觉系统传递刺激。

然后，训练动物检测所呈现音调的频率差异，并产生生理反应。最后，测试动物对听觉系统不同位置和神经刺激模式的识别能力。最终，可获得结果，显示耳蜗核的哪些区域最适合用于听觉假体刺激及刺激模式。

该技术最适合用于此类设备，通过识别能够持续产生不同频率感觉的刺激位置和模式来实现。与现有的方法（如急性制备中的神经刺激和记录）相比，该技术的主要优势在于能够识别出动物实际能够区分和感知的刺激靶点和技术。该技术的应用前景可延伸至耳聋治疗领域，尤其适用于因耳蜗功能受损或听觉神经损伤而无法使用人工耳蜗植入的患者。

该技术将有助于确定最能模拟正常声学处理的刺激策略。在植入心电图遥测设备后三到五天，开始进行脑电极植入，首先给予镇痛剂和麻醉剂。确认麻醉成功后，剃除动物头部毛发，先用聚维酮碘擦洗液和酒精擦拭，然后再用聚维酮碘擦拭。

将动物置于恒温板上。抬起并固定动物头部，使其位于耳杆之间，将第一根耳杆插入外耳道。锁定第一根耳杆的位置。

然后使用大鼠齿状镊将第二个耳杆滑入到位。打开动物的下颌，将上切牙钩在牙托上。固定就位后，将鼻罩套在鼻部以开始异氟烷的输送，异氟烷输送将持续整个手术过程。

暴露顶骨后，使用20%过氧化氢溶液擦拭其表面。在纱布垫上，于顶间骨最外侧区域钻一个约2毫米见方的孔。用无菌生理盐水冲洗该孔，以清除可能损伤电极的骨屑或骨碎片。在显微镜下操作，在左侧顶骨和右侧顶间骨分别钻一个小孔。

接下来，将外科级不锈钢螺钉拧入每个孔中，使每颗螺钉的头部与颅骨之间保留约 0.5 毫米的距离。将耦合扬声器连接至左侧中空耳杆。将电极操纵器移至开口上方，保持 10 度的Cato头侧角度。

然后使用针尖在矢状面上对硬脑膜做一切口。手动将电极插入大脑表面约两毫米。将螺钉连接至高阻抗前置放大器的接地和参考电极点。

确保放大器已开启。然后封闭记录室，开始循环输送低中频和高频带通滤波噪声，最大输送速率为每200毫秒一次脉冲。监测每个通道的神经活动，以检测对噪声的反应。刺激呈现。

继续插入电极，直至总插入距离接近8毫米，或直至观察到对噪声刺激的反应。如果已到达耳蜗核，电极尖端的记录位点应主要对高频刺激产生反应。继续插入电极，直至其尖端检测到反应。

对低频刺激或听觉驱动活动的反应停止出现。如果活动停止，则电极可能已完全穿过耳蜗核，可能需要调整电极的位置。通过在目标频率范围内以纯音按频率步进刺激，并在1至70分贝声强范围内进行刺激，每种刺激重复10次，构建电极位点处神经元的频率-幅度反应图谱。

为保护脑组织和电极，应在暴露的电极柄上方涂抹一层薄薄的硅胶弹性体，使弹性体沿电极柄流下，覆盖电极柄及脑组织的暴露表面。为固定电极，需涂抹牙科水泥，将电极的地线连接至螺钉，并进一步涂抹牙科水泥以增强固定强度。待水泥硬化后，缝合电极周围的切口，然后将动物的饲养笼置于加热垫上24小时，以促进其恢复。

激活遥测设备后，将动物放入测试腔室，并在开始条件刺激前让其适应环境五分钟。进行条件刺激时，从成对的声学刺激中随机选取一个，以250毫秒的脉冲持续时间反复施加，每次脉冲间隔250毫秒的静音期，总持续时间为80至170秒。每次刺激呈现的上升和下降时间必须均为10毫秒。

为避免动物感知到点击声，开始交替呈现声学刺激对，即先呈现第一个音调，持续250毫秒，随后静音250毫秒。在10秒交替音调呈现周期的第9.5秒时，给予一次持续0.5毫秒的足底电击，然后停止音调呈现30秒，以使心率恢复稳定。

重复此过程，直至完成 48 个循环的实验程序。为确保每对音调有足够的重复次数用于分析，需保证每对音调至少呈现四次。在连接神经刺激电缆并在异氟烷麻醉下激活遥测设备后，让动物恢复并适应测试舱环境 10 分钟，然后开始测试。

为了维持前一天的条件刺激，按照先前所述方法给予交替的声学刺激对，随后给予一次持续0.5毫秒的足部电击。待心率稳定后，随机选择电刺激对中的一个成员，以250毫秒的脉冲形式重复给予，每次脉冲间隔250毫秒的静音期，持续80至170秒。然后开始交替给予电刺激对中的另一个成员，每次呈现刺激音250毫秒，随后间隔250毫秒的静音期，共持续10秒。

以随机选择的下一组电刺激配对重复该循环，直至每组配对至少在随机时间间隔内完成20次试验。插入声学刺激配对以维持条件反射。测试完成后，关闭遥测设备，断开刺激电缆，并将动物放回其饲养笼中。

此处显示的是电极正确放置时的电生理反应。每个直方图展示一个电极位点在单一频率下的数据，每列代表电极阵列两个分支上 25 毫秒的时间段。仅在特定窄频带刺激下，各个独立电极位点才会产生反应，但这些窄频带在较宽的频率范围内分布。

这种分布是最佳的，因为可以独立刺激大脑中许多不同频率相关的区域。理想情况下，电极的放置应使得在多个通道上均能检测到神经对声学刺激的反应，且声音强度可低至10分贝，如第10通道的电生理反应所示。此处显示的是电极放置不佳时的电生理反应：电极阵列每个分支的尖端均记录到神经活动，但在各个电极位点引发活动的声学刺激频率变化较小。

这种植入方式无法实现对不同频率层的刺激以进行辨别测试。此处显示的是在交替电刺激呈现开始前八秒至开始后八秒期间，个体轨迹及与心率成比例的平均数据。这些数据是在第七次测试会话期间收集的，共包含12次电刺激呈现。

在施加第二个神经刺激后，心率迅速显著下降，随后出现心率的显著上升，表明该动物已检测到第一个与第二个刺激之间的差异。反应的误差程度和变异情况显示在比例均值加标准误图中，可通过95%置信区间验证在呈现第二个刺激后心率下降和上升的显著性。在进行该操作时，需注意动物能够感知的任何外界刺激均可能导致心率变化，从而增加实验结果的变异性；因此，测试和条件化过程应在一致且良好隔离的环境中进行，以尽量减少这些影响。该技术的建立为仿生学领域的研究人员探索通过电刺激在多种感觉系统中引发行为相关反应的更优方法奠定了基础。