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
June 6th, 2012
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。
この手順の全体的な目標は、蝸牛核の刺激領域と神経刺激のパターンを特定することです。これにより、動物が識別できる周波数感覚が生成されます。まず、動物の生理学的反応の測定を可能にするために埋め込まれた心拍数モニタリングデバイス。次に、聴覚系に刺激を届けることができる神経電極が蝸牛核に埋め込まれます。
次に、動物は提示されたトーンの周波数差を検出し、生理学的反応を生成するように条件付けられます。最後に、動物は、聴覚系の神経刺激のさまざまな場所とパターンの検出についてテストされます。最終的には、人工蝸牛のどの領域が聴覚補綴物の刺激に最も適しているか、および刺激パターンを示す結果を得ることができます。
このようなデバイスでの使用に最適で、常に明確な周波数感覚を生み出す刺激の位置とパターンを特定します。この技術が、神経刺激や急性期製剤の記録などの既存の方法よりも優れている点は、動物が実際に区別して検出する刺激ターゲットや技術を特定できることです。この技術の意味するところは、人工内耳の損傷や聴神経の損傷の結果として人工内耳を使用できない難聴の治療にまで及びます。
この手法は、通常の音響処理を最もよく模倣する刺激戦略を決定するのに役立ちます。心電図テレメトリーデバイスの埋め込みから3〜5日後、最初に鎮痛剤と麻酔薬を投与して脳電極の埋め込みを開始します。麻酔が確認されたら、動物の頭を剃り、ベタジンスクラブアルコールで拭き、次にベタジンで拭きます。
動物をホメオテーマの皿に置きます。動物を持ち上げてイヤーバーの間に置き、最初のイヤーバーを外部音響アコースティックアtuにスライドさせます。最初のイヤーバーを所定の位置にロックします。
次に、ラットの歯の鉗子を使用して、2番目のイヤーバーを所定の位置にスライドさせます。動物の顎を開き、上顎の切歯を歯のホルダーに引っ掛けます。所定の位置になったら、ノーズコーンを鼻の上にスライドさせて、手術期間中はイソフッ素の送達を開始します。
頭頂骨を露出させた後、20%過酸化物溶液を使用して表面をこすります。ガーゼパッドで、頭頂間骨の最も外側の範囲に約2ミリメートル四方の穴を開けます。滅菌生理食塩水を使用して穴を洗い流し、顕微鏡下で作動する電極を損傷する可能性のある骨、ほこり、または骨片を取り除き、左頭頂骨と右頭頂骨に小さな穴を開けます。
次に、外科用鋼のネジを各穴にねじ込み、各ネジの頭と頭蓋骨の間に約0.5ミリメートルの間隔を空けます。カップリングスピーカーを左の中空イヤーバーに取り付けます。電極マニピュレータをCatoの吻側角度10度で開口部の上の所定の位置に持ってきます。
次に、針の先端を使用して、矢状面の硬膜を切開します。電極を脳の表面に約2ミリメートル手動で挿入します。ネジを高インピーダンスヘッドステージのアースと基準電極点に接続します。
アンプがオンになっていることを確認します。次に、録音チャンバーを密閉し、200ミリ秒ごとに1回のバーストの最大配信速度で、低中域および高周波バンドパスフィルタリングノイズの周期的な配信を開始します。各チャネルの神経活動を監視して、ノイズに対する応答を検出します。プレゼンテーション。
挿入距離の合計が8ミリメートルに近づくまで、またはノイズの提示に対する反応が見られるまで、電極の挿入を続けます。蝸牛核に到達した場合、電極の先端の部位は主に高周波刺激に対する応答を示しているはずです。先端が検出されるまで電極の挿入を続けます。
低周波刺激や聴覚による活動に対する反応は起こらなくなります。活動が停止すると、電極が完全に蝸牛核を通過した可能性があり、電極の配置を修正する必要があるかもしれません。各刺激を10回繰り返して、1〜70デシベルの振幅で目的の周波数範囲にわたる周波数ステップで純粋なトーンを提示することにより、電極部位のニューロンの周波数振幅応答マップを構築します。
脳組織と電極を保護するために、露出した電極シャンクの少し上にシリコンエラストマーの薄層を塗布し、エラストマーがシャンクを流れ落ちてシャンクと脳の露出面の両方をコーティングします。電極を所定の位置に固定するには、歯科用セメントを塗布し、電極アース線をネジに接続し、さらに歯科用セメントを塗布して強度を高めます。セメントが固まったら、電極の周りの切開部を縫合し、ホームケージを加熱パッドに24時間置いて、動物が回復するのを待ちます。
テレメトリーデバイスを作動させた後、動物を試験チャンバーに入れ、コンディショニングを開始する前に5分間順応させます。コンディショニング手順を実行するには、音響刺激ペアのランダムに選択された1つのメンバーを、250ミリ秒の無音を挟んで80〜170秒間、250ミリ秒のバーストで繰り返し配信します。各刺激プレゼンテーションの立ち上がり時間と立ち下がり時間は 10 ミリ秒である必要があります。
カチッという音が感じられないように、交互に続けます。音響刺激の 2 番目のメンバーはペアになり、最初のメンバーは各トーンを 250 ミリ秒提示し、その後 250 ミリ秒の無音を示します。交互のトーン呈示の10秒間の9.5秒後、0.5ミリ秒の足のショックを与え、その後30秒間トーン呈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続けます。分析のために各トーンペアが十分に繰り返されるようにするには、各トーンペアが少なくとも4回表示されることを確認してください。神経刺激ケーブルを取り付け、イソフルラン麻酔下でテレメトリーデバイスを作動させた後、動物が回復し、試験前に10分間試験室に順応するのを待ちます。
前日のコンディショニングを維持するために、前述のように音響刺激ペアを交互に与え、続いて0.5ミリ秒の足のショックを与えます。心拍数が安定するまで待った後、電気刺激ペアのランダムに選択された1つのメンバーを、250ミリ秒の無音を80〜170秒間空けて、250ミリ秒のバーストで繰り返し配信します。次に、電気刺激ペアの 2 番目のメンバーと最初のメンバーが各トーンを 250 ミリ秒間交互に繰り返し、続いて 250 ミリ秒の無音を合計 10 秒間
繰り返します。次にランダムに選択された電気刺激ペアでサイクルを繰り返し、各ペアの少なくとも20回の試行がランダムな間隔で配信されるまで。コンディショニングを維持するために、音響刺激ペアを挿入します。テストが完了したら、テレメトリーデバイスを無効にし、刺激ケーブルを取り外して、動物を家に戻します。
ここに示されているのは、正しく配置された電極の電気生理学的応答です。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、各列は電極アレイの両方のシャンクの25ミリ秒の時間周期を表します。応答は、非常に狭い周波数帯域に応答してのみ個々の電極部位で検出されますが、これらの狭い帯域は広範囲の周波数に分布しています。
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することができるので最適である。理想的には、電極の配置は、チャネル10のこの電気生理学的応答に現れるように、音の振幅が10デシベルと低い音の振幅で、音響刺激に対する神経応答がいくつかのチャネルで検出されるようにする必要があります。ここに示されているのは、電極アレイの各シャンクの先端で活動が起こる、不適切に配置された電極全体の電気生理学的応答ですが、各電極部位で活動を引き出す音響刺激周波数にはほとんど変動がありません。
このような移植では、識別試験のための異なる周波数層の刺激は可能になりません。ここでは、交互の電気刺激の提示の開始の8秒前から8秒後までの個々のトレースと平均心拍数比例データが示されています。これらのデータは、7回目のテストセッションで収集され、12の電気刺激のプレゼンテーションが含まれていました。
第2の神経刺激の導入後、心拍数の有意な減少が急速に起こり、続いて心拍数の有意な上昇が起こり、動物が第1刺激と第2刺激の違いを検出したことを示唆している。応答の誤差と分散の程度は、比例平均と標準誤差プロットで示され、2回目の刺激提示後のディップと上昇の重要性は、95%信頼区間を使用して確認することができますこの手順を試みている間、動物が検出できる任意の外部刺激は、心拍数の変化につながる可能性があることを覚えておくことが重要です。これらの影響を最小限に抑えるための一貫性のある十分に隔離された環境 その開発後。この技術は、バイオニクスの分野の研究者が、さまざまな感覚系で脳を電気的に刺激し、行動に関連する応答を提供するより良い方法を探求するための道を開きます。
概要
この記事では、ラットの聴覚補助研究に使用される古典的な恐怖条件付け行動パラダイムについて説明します。この方法により、心拍数モニタリングを通じて、異なる音響および電気刺激の検出と識別を識別することができます。
主要な研究要素
科学分野
- 神経科学
- 行動研究
- 聴覚補助
背景
- 研究は蝸牛核とその刺激パターンに焦点を当てています。
- 心拍数は生理学的反応の測定として使用されています。
- この技術は聴覚補助の有効性を向上させることを目的としています。
- 特定の難聴ケースにおける人工内耳の限界に対処しています。
研究目的
- 蝸牛核における最適な刺激領域を特定すること。
- 識別可能な周波数感覚を生成する刺激パターンを決定すること。
- 聴覚神経損傷を持つ個人の治療戦略を強化すること。
使用された方法
- 心拍数モニタリングデバイスと神経電極の埋め込み。
- 音の周波数差を検出する動物への条件付け。
- 神経刺激パターンの検出のテスト。
- 生理学的モニタリングのための心電図テレメトリーの利用。
主な結果
- 刺激に最適な蝸牛核領域の特定。
- ニューロンの周波数振幅応答マップの確立。
- 特定の刺激パターンによって生成される明確な周波数感覚の実証。
- 心拍数応答を通じた条件付け手順の検証。
結論
- この技術は効果的な聴覚補助戦略への洞察を提供します。
- 動物が知覚できる刺激目標を識別する手法を提供します。
- この発見は難聴の治療改善に影響を与える可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Behavioral discrimination of auditory stimuli using heart-rate monitoring enables direct assessment of neural prosthesis efficacy in awake, chronically implanted animal models. This approach provides predictive confidence for identifying stimulation sites and patterns that yield distinct, behaviorally relevant sensations, supporting early-stage target validation for auditory device development. The method informs portfolio decisions by clarifying which neural targets and stimulation strategies are most likely to translate into effective sensory restoration.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional validation of neural targets within the cochlear nucleus for auditory prosthesis development.
- Supports mechanistic de-risking by confirming that specific stimulation patterns produce distinguishable percepts in vivo.
- Provides a behavioral readout for evaluating the translational relevance of electrode designs and stimulation protocols.
Screening & Assay Development
- Establishes a reproducible behavioral assay for quantifying detection and discrimination of acoustic and electrical stimuli.
- Facilitates standardization of stimulus-response measurements using heart-rate as a quantitative physiological marker.
- Enables reliable comparison of multiple electrode placements and stimulation parameters in a controlled setting.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical testing with disease-relevant endpoints by modeling sensory discrimination in awake animals.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by linking neural activation to observable behavioral outcomes.
- Reduces translational risk by providing evidence that candidate stimulation strategies elicit perceptible and distinct responses.
Pipeline & Workflow Integration
This method bridges early discovery and preclinical validation by enabling hypothesis-driven testing of neural stimulation strategies in chronically implanted models.
- Discovery Biology: Confirms that targeted neural regions and stimulation patterns yield distinct, measurable behavioral responses.
- Screening: Provides a standardized assay for evaluating and comparing candidate electrode placements and stimulation protocols.
- Analytics: Delivers quantitative heart-rate data and statistical confidence intervals for stimulus discrimination.
- Translational Research: Ensures that preclinical findings are grounded in behaviorally relevant endpoints.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform for iterative optimization of neural prosthesis designs and stimulation strategies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target selection and stimulation strategy efficacy.
- Operational Value: Standardizes behavioral readouts and reduces reliance on labor-intensive video analysis.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making for advancing neural prosthesis candidates.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of electrode designs and stimulation protocols based on behavioral discrimination data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in animal surgery, neural electrode implantation, and behavioral conditioning.
- Demands access to heart-rate telemetry systems and electrophysiological recording infrastructure.
- Necessitates rigorous environmental control to minimize confounding physiological responses.
- Standardization across experimental sessions is critical for reproducibility and data comparability.
- Applicability may be limited to sensory systems where physiological responses can be reliably measured.
