Behavioral Bestimmung des Stimulus-Pair-Diskriminierung von Auditory Akustische und elektrische Reize mit einem klassischen Konditionierung und Herzfrequenz-Ansatz

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Regionen zur Stimulation des Cochlearkerns und Muster neuraler Stimulation zu identifizieren, die beim Tier hervorrufbare Frequenzempfindungen erzeugen, die vom Tier unterscheidbar sind. Zunächst wird ein Gerät zur Herzfrequenzüberwachung implantiert, um die Messung der physiologischen Reaktionen des Tieres zu ermöglichen. Anschließend wird eine Neuronenelektrode, über die Stimulationen an das auditorische System abgegeben werden können, in den Cochlearkern implantiert.

Dann wird das Tier darauf konditioniert, Frequenzunterschiede bei dargebotenen Tönen zu erkennen und eine physiologische Reaktion hervorzurufen. Schließlich wird das Tier auf die Detektion unterschiedlicher Lokalisationen und Muster der Neurostimulation des auditorischen Systems getestet. Letztendlich können Ergebnisse erzielt werden, die zeigen, welche Bereiche des Cochlearkerns am besten für die Stimulation im Hinblick auf Hörprothesen und Stimulationsmuster geeignet sind.

Am besten geeignet für den Einsatz in solchen Geräten durch die Identifizierung von Stellen und Mustern der Stimulation, die konsistent unterschiedliche Frequenzempfindungen hervorrufen. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden, wie der neuralen Stimulation und Ableitung in einer akuten Präparation, liegt darin, dass es möglich ist, Stimulationsziele und -techniken zu identifizieren, die vom Tier tatsächlich unterschieden und wahrgenommen werden. Die Implikationen dieser Technik reichen bis hin zur Therapie zur Behandlung von Schwerhörigkeit, bei der Cochlea-Implantate aufgrund eines geschädigten Cochleargewebes oder einer Schädigung des Hörnervs nicht eingesetzt werden können.

Diese Technik hilft dabei, Stimulationsstrategien zu bestimmen, die die normale akustische Verarbeitung am besten nachahmen. Drei bis fünf Tage nach der Implantation des elektrokardiographischen Telemetriegeräts beginnen Sie mit der Implantation der Gehirnelektroden, indem Sie zunächst ein Analgetikum und ein Anästhetikum verabreichen. Sobald die Anästhesie bestätigt ist, rasieren Sie den Kopf des Tieres und wischen Sie diesen mit Betadine-Reinigungsmittel in Alkohol ab, gefolgt von Betadine.

Platzieren Sie das Tier auf einer homöothermen Platte. Heben und positionieren Sie das Tier zwischen den Ohrstangen und schieben Sie die erste Ohrstange in das äußere Gehörgang. Sperren Sie die erste Ohrstange an Ort und Stelle.

Danach die zweite Ohrstange mit einer Rattenzahnzange in Position schieben. Das Maul des Tieres öffnen und die oberen Schneidezähne über den Zahnhalter haken. Sobald die Position erreicht ist, die Nasenkappe über die Nase schieben, um die Zufuhr von Isofluran zu starten, die während der gesamten Operation fortgesetzt wird.

Nachdem der Scheitelknochen freigelegt wurde, die Oberfläche mit einer 20%igen Peroxidlösung abreiben. Auf einem Gazetupfer bohren Sie ein etwa zwei Millimeter großes quadratisches Loch in den seitlichsten Bereich des Interparietalknochens. Spülen Sie das Loch mit steriler Kochsalzlösung aus, um Knochenstaub oder Knochenfragmente zu entfernen, die die Elektrode beschädigen könnten. Unter dem Mikroskop bohren Sie ein kleines Loch in den linken Scheitelknochen und den rechten Interparietalknochen.

Danach eine chirurgische Stahlschraube in jedes Loch einschrauben, wobei etwa 0,5 Millimeter zwischen dem Kopf jeder Schraube und dem Schädel verbleiben. Den Koppelschallwandler an die linke hohle Ohrstange anschließen. Den Elektrodenmanipulator mit einem Cato-Rostrokaudalwinkel von 10 Grad über die Öffnung bringen.

Dann mit der Spitze einer Nadel einen Schnitt in die Dura in sagittaler Ebene durchführen. Die Elektrode manuell etwa zwei Millimeter in die Oberfläche des Gehirns einführen. Die Schrauben mit den Masse- und Referenzelektrodenanschlüssen der Hochimpedanz-Kopfstufe verbinden.

Stellen Sie sicher, dass der Verstärker eingeschaltet ist. Versiegeln Sie dann die Ableitungskammer und beginnen Sie mit der zyklischen Applikation von bandpassgefiltertem Rauschen im niedrigen, mittleren und hohen Frequenzbereich mit einer maximalen Frequenz von einem Burst alle 200 Millisekunden. Überwachen Sie die neuronale Aktivität an jedem Kanal, um Antworten auf das Rauschen zu detektieren. Präsentation.

Setzen Sie die Einführung der Elektrode fort, bis entweder die gesamte eingeführte Distanz acht Millimeter annähert oder bis Antworten auf Schallpräsentationen sichtbar werden. Wenn der Nucleus cochlearis erreicht wurde, sollten die Stellen an der Elektrodenspitze hauptsächlich auf hochfrequente Reize reagieren. Fahren Sie mit der Einführung der Elektrode fort, bis die Spitze detektiert.

Antworten auf niederfrequente Reize oder auditorisch getriebene Aktivität treten nicht mehr auf. Wenn die Aktivität endet, könnte die Elektrode vollständig durch den Cochlearkern hindurchgegangen sein, und es könnte notwendig sein, die Platzierung der Elektrode zu überprüfen. Erstellen Sie eine Frequenz-Amplituden-Antwortkarte der Neuronen an den Elektrodenpositionen, indem Sie reine Töne in Frequenzschritten über den gewünschten Frequenzbereich bei Amplituden von 1 bis 70 Dezibel mit jeweils 10 Wiederholungen jedes Reizes präsentieren.

Um das Gehirngewebe und die Elektrode zu schützen, tragen Sie eine dünne Schicht Silikonelastomer leicht oberhalb der freiliegenden Elektrodenzinken auf, sodass das Elastomer an den Zinken herunterläuft und sowohl diese als auch die freiliegende Oberfläche des Gehirns bedeckt. Um die Elektrode zu fixieren, bringen Sie Zahnzement auf, verbinden den Masse-Draht der Elektrode mit den Schrauben und tragen weiteren Zahnzement zur Erhöhung der Festigkeit auf. Sobald der Zement ausgehärtet ist, nähen Sie die Inzision um die Elektrode herum und stellen den Heimkäfig 24 Stunden lang auf eine Heizplatte, damit sich das Tier erholen kann.

Nach der Aktivierung der Telemetrievorrichtung wird das Tier in die Versuchskammer platziert und vor Beginn der Konditionierung fünf Minuten lang zur Akklimatisierung freigegeben. Zur Durchführung des Konditionierungsverfahrens wird ein zufällig ausgewähltes Element des akustischen Stimuluspaares wiederholt in 250 Millisekunden dauernden Impulsen mit jeweils 250 Millisekunden Stille dazwischen für 80 bis 170 Sekunden präsentiert. Jede Stimulationsdarbietung muss eine Anstiegs- und Abfallzeit von 10 Millisekunden aufweisen.

Um zu verhindern, dass ein Klicken wahrgenommen wird, beginnen Sie mit dem Alternieren. Das zweite Element des akustischen Stimuluspaares wird präsentiert, wobei jeder Ton 250 Millisekunden lang angeboten wird, gefolgt von einer 250 Millisekunden dauernden Stille. Nach 9,5 Sekunden der zehnsekündigen Phase mit wechselnder Tonpräsentation wird ein 0,5 Millisekunden langer Fußschock verabreicht, danach werden die Tonpräsentationen 30 Sekunden lang unterbrochen, um die Herzfrequenz stabilisieren zu lassen.

Setzen Sie diesen Vorgang fort, bis 48 Zyklen des Verfahrens abgeschlossen sind. Um eine ausreichende Anzahl von Wiederholungen jedes Tonpaares für die Analyse sicherzustellen, muss jedes Tonpaar mindestens viermal präsentiert werden. Nachdem das neuronale Stimulationskabel angeschlossen und das Telemetriegerät unter Isofluran-Anästhesie aktiviert wurde, sollte das Tier vor der Testung 10 Minuten lang zur Erholung und Akklimatisierung in die Versuchskammer gegeben werden.

Um die Konditionierung des Vortages aufrechtzuerhalten, wird ein abwechselndes akustisches Stimuluspaar wie zuvor beschrieben präsentiert, gefolgt von einem 0,5 Millisekunden langen Fußschock. Nachdem die Herzfrequenz sich stabilisiert hat, wird ein zufällig ausgewähltes Mitglied eines elektrischen Stimuluspaares wiederholt in 250 Millisekunden langen Bursts präsentiert, getrennt durch 250 Millisekunden Stille, insgesamt 80 bis 170 Sekunden lang. Anschließend wird damit begonnen, das zweite Mitglied des elektrischen Stimuluspaares abwechselnd mit dem ersten darzubieten, wobei jeder Ton 250 Millisekunden lang präsentiert wird, gefolgt von 250 Millisekunden Stille, insgesamt 10 Sekunden lang.

Wiederholen Sie den Zyklus mit dem nächsten zufällig ausgewählten elektrischen Stimulationspaar, bis mindestens 20 Versuche jedes Paares in zufälligen Abständen durchgeführt wurden. Fügen Sie ein akustisches Stimulationspaar ein, um die Konditionierung aufrechtzuerhalten. Deaktivieren Sie nach Abschluss der Tests das Telemetriegerät, trennen Sie das Stimulationskabel ab und bringen Sie das Tier in seinen Heimkäfig zurück.

Hier ist die elektrophysiologische Antwort einer korrekt platzierten Elektrode dargestellt. Jedes Histogramm zeigt Daten für eine Frequenz an einer Elektrodenstelle, und jede Spalte repräsentiert einen Zeitraum von 25 Millisekunden an beiden Schenkeln des Elektrodenarrays. Antworten werden an jeder einzelnen Elektrodenstelle nur als Reaktion auf ein recht enges Frequenzband erfasst, doch diese engen Bänder sind über einen weiten Frequenzbereich verteilt.

Eine solche Verteilung ist optimal, da viele unterschiedliche frequenzassoziierte Hirnregionen unabhängig voneinander stimuliert werden können. Im Idealfall sollten Elektrodenpositionierungen dazu führen, dass neuronale Antworten auf akustische Reize auf mehreren Kanälen detektiert werden können, und zwar bei Schallamplituden von nur 10 Dezibel, wie hier in der elektrophysiologischen Antwort am Kanal 10 zu sehen ist. Gezeigt ist hier die elektrophysiologische Antwort bei ungeeignet platzierten Elektroden: Aktivität tritt an den Spitzen jedes Strangs des Elektrodenarrays auf, jedoch gibt es nur geringe Unterschiede in der akustischen Reizfrequenz, die an jeder Elektrodenstelle Aktivität hervorruft.

Eine derartige Implantation ermöglicht keine Stimulation einer spezifischen Frequenzschicht für Diskriminierungstests. Hier werden individuelle Spuren und mittlere, der Herzfrequenz proportionale Daten aus einem Zeitraum von acht Sekunden vor bis acht Sekunden nach Beginn der Darbietung eines wechselnden elektrischen Reizes gezeigt. Diese Daten wurden während der siebten Testsession erhoben und umfassten 12 Darbietungen elektrischer Reize.

Eine signifikante Abnahme der Herzfrequenz tritt rasch nach der Applikation des zweiten neuronalen Reizes auf, gefolgt von einem signifikanten Anstieg der Herzfrequenz, was darauf hindeutet, dass das Tier den Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Reiz erkannt hat. Der Grad des Fehlers und der Varianz der Antwort wird im Diagramm des proportionalen Mittelwerts plus Standardfehler dargestellt, und die Signifikanz des Abfalls und Anstiegs nach der Darbietung des zweiten Reizes kann mithilfe von 95 %-Konfidenzintervallen überprüft werden. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist zu beachten, dass jegliche äußere Reize, die das Tier wahrnehmen kann, zu Veränderungen der Herzfrequenz führen und somit die Variabilität der Ergebnisse erhöhen können. Die Tests und die Konditionierung sollten daher in einer konsistenten und gut abgeschirmten Umgebung durchgeführt werden, um diese Effekte zu minimieren. Nach ihrer Entwicklung ebnet diese Technik den Forschern auf dem Gebiet der Bionik den Weg, verbesserte Methoden zur elektrischen Stimulation des Gehirns in einer Vielzahl sensorischer Systeme zu erforschen, um verhaltensrelevante Antworten zu erzielen.