Name: 古典的条件とハートレート·アプローチを用いた聴覚の音響および電気刺激の刺激ペアの差別の行動決定 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-06T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 50 s
Description: 学ぶ古典的条件付けと心拍数モニタリングを用いた聴覚プロステティクス研究法。ラットの蝸牛核刺激領域とパターンを特定し、動物が識別可能な周波数感覚を生み出す神経刺激戦略を確立する。この手法は聴神経損傷治療の改善に貢献する。

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この研究のための資金は、ガーネットパスとロドニー·ウィリアムズ記念財団とラ·トローブ大学によって提供されました。

<ol><li>Mauger, S. J., Shivdasani, M. N., Rathbone, G. D., Argent, R. E., Paolini, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+in+vivo+investigation+of+first+spike+latencies+in+the+inferior+colliculus+in+response+to+multichannel+penetrating+auditory+brainstem+implant+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">An in vivo investigation of first spike latencies in the inferior colliculus in response to multichannel penetrating auditory brainstem implant stimulation.</a> Journal of Neural Engineering. 7, 036004-036004 (2010).</li>
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</ol>

博士アントニオパオリーニは、タッカーデービステクノロジーズとNeuroNexusプローブのオーストラリア代理店のためのオーストラリア代表であるBioengenesis技術Pty Ltdのディレクターです。

テクニックは、このようにデータ処理に必要な研究時間を最小限に抑え、短いトレーニング時間で、急速に差別タスクの範囲をテストし、実質的な自動化を可能にするための手段を提供するここで説明する。移植心電図から得られたデータを、刺激提示のタイミングで心拍数（HR）の変化の計算を自動化することができます使用します。彼らは非常に短い期間のために明らかに心拍数の見かけ上大きな変化を生成し、そのような簡単なエラー検出は、時間のかかる手動のデータのレビューのために要件を最小限に抑えることがECG処理中にエラー（例えば、単一のハートビートの欠落など）を容易に識別することができます。 ECGテレメトリ装置の注入のために説明する手法は一貫してほとんど、あるいは全く干渉の録音を（ 図1＆2を参照）を生成します。しかし、縦隔地域でのリードの配置は比較的小さなバリエーションが近くの筋肉からの干渉につながることができますsおよび特定の呼吸に関連したノイズ。特に場所にリードを縫合した後、注入プロセスの間にリード線の正しい配置を確認し、リード配置の微調整は、干渉を最小限に抑えることができます。 蝸牛神経核への脳移植のプロセスは困難である。バンドパスフィルタをいくつかの周波数範囲のノイズではなく、広帯域ノイズとして、以前に3を使用されているのシリアルプレゼンテーションを使用することにより、電極部位での細胞集団の応答は急速に周波数応答ではなく、以下の固有のノイズの観点から検討することができます応答。周波数同調細胞集団の十分な範囲にアクセスできる場合に迅速に識別する能力は、電気刺激の弁別がテストされている研究において重要である。不十分な周波数分布が得られる場合には、異なる周波数域の刺激間の比較は単純にはできません。それにもかかわらず、長いプロセス周波数 - 振幅応答マッピングの細胞集団のチューニングの広に関する詳細を提供するために重要なままで、代わりに電極を固定する前に実行する必要があります。 行動訓練とテストでは、刺激開始前に試験の間の非刺激（またはサイレント）の期間を含めると、初期刺激の発症への対応を検討することができます。電気的神経刺激を使用する場合は、刺激の発症への応答は、刺激の単純な検出のための証拠を提供しています。したがって、どんな刺激開始応答、2回目の交互刺激が導入された応答が存在しない場合、それは後者のみ刺激を検出することができる推定することができます。このようなサイレント期間を含めることなく、元の刺激が検出されなかったことを決定する方法はありません。 この行動試験法の制限は、フットショックの不在がneuraのプレゼンテーション後に配信することです。音響刺激が提示されたときにLの刺激が恐怖条件で特異性の開発につながる可能性があり、そのような恐怖にのみ発現している。つまり、動物は、神経刺激の特定の感覚の影響が足の衝撃を受けていないに関連付けられていることを学ぶことができます。対照的に、神経刺激の提示後、足の衝撃を提供することは神経の刺激が持つかもしれない音のような特性とは異なる神経刺激自体の恐怖条件につながる可能性があります。神経刺激後のフットショックを除いたときに得られた結果は確かに恐怖条件はアコースティックから神経刺激に一般化されている前者の場合のように、神経刺激後のフットショックを使っている人よりも音のようである神経刺激のための強力な証拠を提供しています。それにもかかわらず、アコースティックではなく、神経刺激に特異性を発症するリスクが存在しています。音響刺激ではなく、純粋なトーンバーストとしてバンドパスフィルタされるノイズを使用し、そのうちの前者開発などの特異性のリスクを減らすことができる優れた、神経刺激の知覚経験を反映するかもしれません。しかし、このような手順では、差別のタスクに影響を与えるフィルタの帯域幅の追加の変数が導入されています。 そのような行動テストのために必要に応じて、任意の慢性的な神経移植に関連付けられた追加の制限は、時間の経過とともに電極または関連する神経組織の機能の変化である。神経組織の刺激は、細胞の損失14と電極への直接の脳組織の応答として、神経活動の13組織変更の一時的な抑制の両方につながることができます15。 注入に説明したアプローチと行動テストは簡単な訓練、試験周波数の制御を行使する能力を音と電気刺激の検出と識別の両方をテストする手段を提供します。 measurとHRの変化を用いる手法恐怖条件付けの電子は、聴覚検査のみならず、しかし、より一般的に刺激を任意の離散期間のために提示することができ、どの感覚で差別の検出が望まれる任意の官能検査にも適用可能である。

<table border="1"><tbody><tr><td> 名 </td><td> 会社 </td><td> モデル </td><td> コメント </td></tr><tr><td> PowerLab </td><td> ADInstruments </td><td> ML880 </td><td>データが移植TR40送信機から受信したレコード</td></tr><tr><td> SmartCtrlコントローラカード</td><td> MEDアソシエイツ</td><td> DIG-716B </td><td>フットショックを含む、行動試験チャンバーを制御</td></tr><tr><td>モジュラー行動試験室</td><td> MEDアソシエイツ</td><td> ENV-009 </td><td>試験室のサイズ：30.5センチメートルX 39.4センチメートル</td></tr><tr><td>嫌悪刺激発生器</td><td> MEDアソシエイツ</td><td> ENV-410B </td><td>ソリッド·ステート·スクランブラーユニットを介してケージの金属バーの床に嫌悪フットショックを提供</td></tr><tr><td>プログラマブル·アッテネータ</td><td> TDT </td><td> PA5 </td><td> AMPLを制御する周波数にわたって安定した振幅を確保するために配信音響信号のitude </td></tr><tr><td>静電スピーカドライバ</td><td> TDT </td><td> ED1 </td><td>静電スピーカー（EC1、ES1）を駆動</td></tr><tr><td>フリーフィールドの静電スピーカー</td><td> TDT </td><td> ES1 </td><td>音は行動試験室にこのスピーカーを使用して表示されます</td></tr><tr><td>結合静電スピーカー</td><td> TDT </td><td> EC1 </td><td>音は、神経インプラント手術中にこのスピーカーを使用して表示されます</td></tr><tr><td>刺激ベースステーション</td><td> TDT </td><td> RX7 </td><td> （MS16と一緒に使用）電気神経刺激の配信を制御</td></tr><tr><td> Microstimulator </td><td> TDT </td><td> MS16 </td><td>マルチチャンネル電気神経刺激を提供します</td></tr><tr><td>加工基地局</td><td> TDT </td><td> RZ2 </td><td>脳の移植時にレコード神経活動を（PZ2プリアンプを使用） </td></tr><tr><td>プリアンプ</td><td> TDT </td><td> PZ2-256 </td><td> 256チャネル、高インピーダンスプリアンプ</td></tr><tr><td>遠隔測定装置の受信機</td><td>テレメトリ研究</td><td> TR162 </td><td> TR40からのデジタル信号を受信し、増幅したアナログ出力に変換</td></tr><tr><td>植込み型心電図遠隔測定装置</td><td>テレメトリ研究</td><td> TR40 </td><td>移植トランスミッタ·デバイス、2kHzのサンプリング</td></tr><tr><td>多機能プロセッサ</td><td>タッカーデービステクノロジーズ（TDT） </td><td> RX6 </td><td>音響刺激を生成するために使用</td></tr><tr><td>頂点Castavaria </td><td>頂点歯科</td><td></td><td>場所に電極を固定するために使用する歯科用アクリル</td></tr><tr><td>クイック·シル接着剤、 低粘度</td><td>世界の精密機器</td><td></td><td>コー​​ト電極シャンクに使用されるシリコンエラストマー</td></tr><tr><td>マルチチャネル電極</td><td> NeuroNexus </td><td> a2x16-10ミリメートル 100-500-413 </td><td> 2シャンク32チャンネル細胞外電極アレイは、注入に使用されます。電極部位は、刺激の準備のために酸化イリジウムのコーティングを生成するためにアクティブ化されています。 </td></tr></tbody></table>

古典的条件とハートレート·アプローチを用いた聴覚の音響および電気刺激の刺激ペアの差別の行動決定

Behavioral Determination of Stimulus Pair Discrimination of Auditory Acoustic and Electrical Stimuli Using a Classical Conditioning and Heart-rate Approach

急性動物製剤は前向きにそのような聴性脳幹インプラント1-3と聴覚中脳インプラント4,5のような神経聴覚義肢に電極の設計と統合のための刺激技術を調査研究に使用されている。急性実験では、インプラントの有効性に最初の洞察力を与えることができますが、慢性的に移植し、覚醒動物をテストすることは感覚の心理物理学的特性を調べることの利点は、移植デバイスの6,7を使用して誘導しています。 そのような報酬ベースのオペラント条件6-8、条件回避9-11、または古典的な恐怖条件付け12などのいくつかの技術は、関連する刺激属性の検出の行動確認を提供するために使用されている。技術の選択は、時間効率（多くの場合、貧しい報酬ベースのアプローチ）で、複数のテストをする機能など、バランスの側面が含まれます刺激（条件回避に限る。）同時に属性、繰り返し刺激（生理的な措置が採用されている潜在的な制約）の尺度の信頼性。 ここでは、古典的な恐怖条件付け行動の方法は、同時に刺激の検出、および2つの刺激の間に差別の両方をテストするために使用されるかもしれない提示されます。心拍数は、凍結の動作や他のそのような対策のためのコーディング時間のかかるビデオの必要性を低減または排除する恐怖反応の指標として使用されます（そのような措置が収束の証拠を提供するために含まれている可能性がありますが）。動物はそれぞれ48刺激試験を提供し、3つの2時間のコンディショニングセッションでこれらの技術を使用して調整した。その後の48試行のテストセッションは、その後提示ペアで各刺激の検出、および各ペアのメンバーの刺激の間にテストの弁別をテストするために使用されました。 この行動のメソッドは、で表示されます聴覚補綴研究におけるその活用のコンテキスト。心電図テレメトリ装置の注入が表示されます。慢性的な使用のための所定の位置に音響刺激に対する神経応答のモニタリングによって導か蝸牛神経核、および電極の固定に脳電極のそれ以降の注入は、同様に表示されます。

ラットの聴覚補綴研究のための古典的な恐怖条件付け行動パラダイムのアプリケーションが記述されています。このパラダイムは、検出、およびアウトカム指標として心拍数を使用して別個の音響および電気刺激の間の差別の両方を識別するためのメカニズムを提供します。

神経への統合に向けた電極設計および刺激技術を前向きに調査する研究において、動物の急性標本が用いられてきた。

本手順の全般的な目的は、動物が識別可能な周波数感覚を生じさせる蝸牛核の刺激部位および神経刺激パターンを特定することです。まず、動物の生理学的反応を測定するため、心拍数モニタリングデバイスを植え込みます。次に、聴覚系に刺激を伝達するための神経電極を蝸牛核に植え込みます。次に、提示されたトーンの周波数の違いを検出し、生理的反応を示すように動物を条件付けします。最後に、聴覚系の神経刺激の異なる部位およびパターンの検出について、動物のテストを行います。最終的に、蝸牛核のどの領域が聴覚プロテーゼへの刺激および刺激パターンに最適であるかを示す結果を得ることができます。一貫して明確な周波数感を生じさせる刺激部位およびパターンを特定することで、このようなデバイスでの使用に最適となります。急性標本を用いた神経刺激および記録などの既存の手法に対する本手法の主な利点は、動物が実際に区別し検知できる刺激標的および手法を特定できる点にあります。本手法の意義は、蝸牛の機能不全や聴神経の損傷により人工内耳が使用できない場合の難聴治療に向けた療法にまで及びます。この手法により、通常の聴覚処理を最も適切に模倣する刺激戦略を決定することができます。心電図テレメトリーデバイスの植込みから3〜5日後、まず鎮痛剤と麻酔薬を投与し、脳電極の植込みを開始します。麻酔を確認後、動物の頭部を剃毛し、ベタジン・スクラブアルコール、次にベタジンで拭き取ります。動物を恒温プレートの上に置きます。動物を吊り上げてイヤーバーの間に配置し、1本目のイヤーバーを外耳道に挿入します。1本目のイヤーバーを固定します。次に、ラット用歯鉗子を用いて2本目の耳固定バーを所定の位置にスライドさせます。動物の顎を開き、上顎切歯を歯ホルダーに掛けます。固定できたら、ノーズコーンを鼻に被せてイソフルランの投与を開始し、手術の間中、投与を継続します。頭頂骨を露出させた後、20%過酸化水素溶液を用いて表面を洗浄します。ガーゼパッドを敷き、頭頂間骨の最も外側に、約2 mm四方の穴をドリルで開けます。滅菌生理食塩水で穴を洗浄し、電極を損傷させる可能性のある骨粉や骨片を除去します。顕微鏡下で、左頭頂骨と右頭頂間骨に小さな穴をドリルで開けます。次に、各穴にサージカルスチール製ネジを締め込み、ネジ頭と頭蓋骨の間に約0.5 mmの隙間を空けます。カップリングスピーカーを左側の耳固定バーに取り付けます。電極マニピュレーターを、Cato吻側角10度の角度で開口部の上に配置します。次に、針の先を用いて、正中面上の硬膜を切開します。電極を手動で脳表面に約2 mm挿入します。ネジを高インピーダンスヘッドステージの接地電極および参照電極ポイントに接続します。アンプの電源が入っていることを確認します。次に記録チャンバーを密封し、低域、中域、高域のバンドパスフィルタ処理されたノイズを、最大200ミリ秒に1回のバーストという速度で周期的に提示します。各チャネルの神経活動をモニターし、ノイズに対する反応を検出します。提示。電極の挿入を続け、合計挿入距離が 8 mm に近づくか、またはノイズ提示に対する反応が見られるまで挿入します。蝸牛神経核に到達している場合、電極先端の部位では主に高周波刺激に対する反応が示されるはずです。先端で検出されるまで電極の挿入を続けてください。低周波刺激への反応、または聴覚誘発活動が消失します。活動が消失した場合、電極が蝸牛神経核を完全に通過した可能性があるため、電極の配置を修正する必要があるかもしれません。目的の周波数範囲にわたって周波数を段階的に変化させ、1から70 decibelsの振幅で純音を提示し、各刺激を10回ずつ繰り返すことで、電極部位におけるニューロンの周波数振幅応答マップを作成します。脳組織と電極を保護するため、露出した電極シャンクのわずかに上の位置にシリコンエラストマーを薄く塗布し、エラストマーがシャンクに沿って流れ落ち、シャンクと脳の露出面の両方をコーティングするようにします。電極を固定するために歯科用セメントを塗布し、電極の接地線をネジに接続した後、さらに歯科用セメントを塗布して強度を高めます。セメントが硬化したら、電極周囲の切開部を縫合し、動物を回復させるため、ホームケージをヒートパッドの上に24時間置いておきます。テレメトリーデバイスを起動した後、動物を試験チャンバーに入れ、条件付けを開始する前に5分間馴化させます。条件付けの手順を行うには、音響刺激ペアからランダムに選択した一方の刺激を、250ミリ秒の刺激と250ミリ秒の休止を繰り返して、80秒から170秒間提示します。各刺激の提示における立ち上がり時間および立ち下がり時間は10ミリ秒にする必要があります。クリック音が感知されるのを避けるため、交互提示を開始します。音響刺激ペアの2番目の音を1番目の音と交互に提示し、各トーンを250 milliseconds提示した後、250 millisecondの無音時間を設けます。10秒間の交互トーン提示期間のうち9.5秒が経過した時点で、0.5 millisecondの足底電撃を加え、その後30秒間トーン提示を停止して心拍数を安定させます。この手順を48サイクル完了するまで繰り返します。分析に十分な回数の各トーンペアの反復を確保するため、各トーンペアが少なくとも4回提示されるようにしてください。イソフルラン麻酔下で神経刺激ケーブルを取り付け、テレメトリーデバイスを起動させた後、テスト開始前の10分間、動物を回復させ、テストチャンバーに順応させてください。前日の条件付けを維持するために、前述の方法に従って交互に音響刺激ペアを提示し、続いて0.5 millisecondの足底電撃を加えます。心拍数が安定したことを確認した後、電気刺激ペアからランダムに選択した一方の刺激を、250 millisecondのバーストと250 millisecondの静寂を挟んで、80から170 secondsの間、繰り返し提示します。その後、電気刺激ペアの2番目の刺激と1番目の刺激を交互に提示し始め、各トーンを250 millisecond間提示し、続いて250 millisecondの静寂を設ける操作を、計10 seconds間行います。ランダムに選択された次の電気刺激ペアを用いて、各ペアにつき少なくとも20回の試行がランダムな間隔で実施されるまで、このサイクルを繰り返します。条件付けを維持するために、音響刺激ペアを挿入してください。テストが完了したら、テレメトリーデバイスを停止させ、刺激ケーブルを取り外し、動物をホームケージに戻します。ここでは、正しく配置された電極の電気生理学的応答を示しています。各ヒストグラムは、1つの電極部位における1つの周波数のデータを示しており、各列は電極アレイの両方のシャンクにおける25ミリ秒の時間間隔を表しています。個々の電極部位での応答は、非常に狭い周波数帯域に対してのみ検出されますが、これらの狭い帯域は広範な周波数範囲にわたって分布しています。このような分布は、脳の多くの異なる周波数関連領域を独立して刺激できるため、最適です。理想的には、電極の配置により、チャンネル10の電気生理学的反応に見られるように、10 decibelsという低い音量であっても、音響刺激に対する神経反応が複数のチャンネルで検出される必要があります。ここに示されているのは、不適切に配置された電極における電気生理学的反応であり、電極アレイの各シャンクの先端で活動が起こっていますが、各電極部位で活動を誘発する音響刺激周波数の変動はほとんどありません。このような植込みでは、識別テストのために異なる周波数層を刺激することができません。ここでは、交互電気刺激の提示開始の8秒前から8秒後までの、個別のトレースおよび平均心拍数に比例したデータを示します。これらのデータは第7回目のテストセッション中に収集され、12回の電気刺激提示が含まれています。2回目の神経刺激の導入後、心拍数が急速に有意に減少し、続いて心拍数が有意に上昇します。これは、動物が1回目と2回目の刺激の違いを検知したことを示唆しています。応答の誤差の程度と分散は、平均値に標準誤差を加えた比例プロットに示されており、2回目の刺激提示後の低下と上昇の有意性は、95%信頼区間を用いて確認できます。この手順を試みる際は、動物が検知可能なあらゆる外部刺激が心拍数の変化を招き、結果のばらつきを増大させる可能性があることに留意してください。これらの影響を最小限に抑えるため、テストおよび条件付けは、一貫性のある十分に隔離された環境で実施する必要があります。本手法の開発により、バイオニクスの分野の研究者が、行動に関連した応答を得るために、さまざまな感覚系において脳を電気的に刺激するより優れた方法を探索する道が開かれます。

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

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このプロトコルは、重度の難聴のある被験者の根底にある学習関連の電気生理学的変化を調査するように設計されています...

イベント関連電位技術を用いた重度難聴参加者における音声触覚代替訓練の評価

このプロトコルは、マイクロコントローラーベースのビヘイビアボックスを提供し、ボックスの下のセンサーから加速度データを収集することにより、プリパルス阻害(PPI)を評価します。このデータは、社会的に隔離されたラットの感覚ゲーティング障害を評価し、行動障害に関する神経生理学研究を進めるために、データをニューロン活動と同期させる方法が追加されています。...

精神動物モデルにおけるプレパルス阻害と神経活動を評価するための行動ボックスの開発

学ぶ古典的条件付けと心拍数モニタリングを用いた聴覚プロステティクス研究法。ラットの蝸牛核刺激領域とパターンを特定し、動物が識別可能な周波数感覚を生み出す神経刺激戦略を確立する。この手法は聴神経損傷治療の改善に貢献する。

古典的条件とハートレート·アプローチを用いた聴覚の音響および電気刺激の刺激ペアの差別の行動決定

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