Determinación del comportamiento de discriminación de estímulos acústicos par de estímulos auditivos y de corriente mediante el condicionamiento clásico y el enfoque del ritmo cardíaco

El objetivo general de este procedimiento es identificar regiones para la estimulación del núcleo coclear y patrones de estimulación neural que produzcan sensaciones de frecuencia distinguibles por el animal. Primero, se implanta un dispositivo de monitoreo del ritmo cardíaco para permitir la medición de las respuestas fisiológicas del animal. A continuación, se implanta un electrodo neural, mediante el cual se puede aplicar la estimulación al sistema auditivo, en el núcleo coclear.

Luego, se entrena al animal para detectar diferencias de frecuencia en los tonos presentados y producir una respuesta fisiológica. Finalmente, se evalúa la capacidad del animal para detectar diferentes ubicaciones y patrones de neuroestimulación del sistema auditivo. En última instancia, se pueden obtener resultados que muestren qué áreas del núcleo coclear son más adecuadas para la estimulación en prótesis auditivas y patrones de estimulación.

Es especialmente adecuado para su uso en dispositivos de este tipo mediante la identificación de ubicaciones y patrones de estimulación que producen de forma constante sensaciones de frecuencia distintas. La principal ventaja de esta técnica frente a los métodos existentes, como la estimulación y grabación neural en preparaciones agudas, es que permite identificar objetivos y técnicas de estimulación que el animal realmente distingue y detecta. Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia terapias para el tratamiento de la sordera en casos en los que los implantes cocleares no pueden utilizarse, ya sea por una coclea comprometida o por daño en el nervio auditivo.

Esta técnica ayudará a determinar las estrategias de estimulación que mejor imitan el procesamiento acústico normal. De tres a cinco días después de la implantación del dispositivo de telemetría de electrocardiograma, inicie la implantación del electrodo cerebral administrando primero analgesia y anestesia. Una vez confirmada la anestesia, afeite la cabeza del animal y limpie con alcohol de antiséptico Betadine, y luego con Betadine.

Coloque el animal sobre una placa homeotérmica. Levante y posicione al animal entre las barras auriculares y deslice la primera barra auricular dentro del conducto acústico externo. Fije la primera barra auricular en su lugar.

Luego deslice la segunda barra auricular en su posición utilizando fórceps de dientes de rata. Abra la mandíbula del animal y enganche los incisivos superiores sobre el sujetador dental. Una vez en posición, deslice el cono nasal sobre la nariz para iniciar la administración de isoflurano, que continuará durante toda la duración de la cirugía.

Después de exponer el hueso parietal, frote la superficie con una solución de peróxido al 20%. Sobre un trozo de gasa, taladre un orificio de aproximadamente dos milímetros cuadrados en la extensión lateral más externa del hueso interparietal. Lave el orificio con solución salina estéril para eliminar cualquier partícula de hueso, polvo o fragmentos óseos que puedan dañar el electrodo; bajo un microscopio, taladre un orificio pequeño en el hueso parietal izquierdo y en el hueso interparietal derecho.

A continuación, enrosque un tornillo de acero quirúrgico en cada orificio, dejando aproximadamente 0,5 milímetros entre la cabeza de cada tornillo y el cráneo. Conecte el altavoz de acoplamiento al barra auditiva hueca izquierda. Coloque el manipulador de electrodos sobre la abertura con un ángulo rostral Cato de 10 grados.

Luego, utilizando la punta de una aguja, realice una incisión en la duramadre en el plano sagital. Introduzca manualmente el electrodo aproximadamente dos milímetros en la superficie del cerebro. Conecte los tornillos a los puntos del electrodo de tierra y de referencia del cabezal de alta impedancia.

Asegúrese de que el amplificador esté encendido. Luego, selle la cámara de registro e inicie la entrega cíclica de ruido filtrado en bandas de frecuencia media baja y alta, con una tasa máxima de entrega de un impulso cada 200 milisegundos. Monitoree la actividad neuronal en cada canal para detectar respuestas al ruido. Presentación.

Continúe la inserción del electrodo hasta que la distancia total insertada se acerque a ocho milímetros o hasta que se observen respuestas a las presentaciones de ruido. Si se ha alcanzado el núcleo coclear, los sitios en la punta del electrodo deberían mostrar respuestas principalmente a estímulos de alta frecuencia. Continúe insertando el electrodo hasta que la punta detecte.

Las respuestas a estímulos de baja frecuencia o la actividad inducida por estímulos auditivos dejan de ocurrir. Si la actividad cesa, es posible que el electrodo haya atravesado por completo el núcleo coclear, por lo que podría ser necesario revisar la colocación del electrodo. Elabore un mapa de respuesta frecuencia-amplitud de las neuronas en los sitios del electrodo presentando tonos puros en pasos de frecuencia a lo largo del rango de frecuencia deseado, con amplitudes de uno a 70 decibelios y 10 repeticiones de cada estímulo.

Para proteger el tejido cerebral y el electrodo, aplique una capa delgada de elastómero de silicona ligeramente por encima de las puntas del electrodo expuestas, de modo que el elastómero fluya por las puntas y recubra tanto las puntas como la superficie expuesta del cerebro. Para fijar el electrodo en su lugar, aplique cemento dental, conecte el cable de tierra del electrodo a los tornillos y aplique más cemento dental para mayor resistencia. Una vez que el cemento haya endurecido, sutúre la incisión alrededor del electrodo y luego coloque la jaula de alojamiento sobre una almohadilla calefactora durante 24 horas para permitir que el animal se recupere.

Después de activar el dispositivo de telemetría, coloque al animal en la cámara de prueba y permita que se acostumbre durante cinco minutos antes de comenzar el condicionamiento. Para realizar el procedimiento de condicionamiento, administre uno de los dos estímulos acústicos seleccionado al azar, repetidamente en ráfagas de 250 milisegundos separadas por 250 milisegundos de silencio, durante un periodo de 80 a 170 segundos. Cada presentación del estímulo debe tener un tiempo de ascenso y descenso de 10 milisegundos.

Para evitar que un clic sea percibido, comience a alternar. El segundo miembro del par de estímulos acústicos se presenta junto con el primer tono durante 250 milisegundos, seguido de un silencio de 250 milisegundos. Después de 9,5 segundos del período de diez segundos de presentación alternada de tonos, administre una descarga eléctrica en los pies de 0,5 milisegundos, luego detenga la presentación de tonos durante 30 segundos para permitir que la frecuencia cardíaca se estabilice.

Continúe este proceso hasta que se hayan completado 48 ciclos del procedimiento. Para garantizar repeticiones suficientes de cada par de tonos para el análisis, asegúrese de que cada par de tonos se presente al menos cuatro veces. Después de conectar el cable de estimulación neural y activar el dispositivo de telemetría bajo anestesia con isoflurano, permita que el animal se recupere y se aclimate a la cámara de prueba durante 10 minutos antes de comenzar la prueba.

Con el fin de mantener el condicionamiento del día anterior, administre un par de estímulos acústicos alternos como se describió previamente, seguido por una descarga eléctrica en las patas de 0,5 milisegundos. Después de permitir que la frecuencia cardíaca se estabilice, administre repetidamente un miembro seleccionado al azar del par de estímulos eléctricos en ráfagas de 250 milisegundos, separadas por 250 milisegundos de silencio durante 80 a 170 segundos. Luego, comience a alternar el segundo miembro del par de estímulos eléctricos con el primero, presentando cada tono durante 250 milisegundos, seguido de 250 milisegundos de silencio, durante un total de 10 segundos.

Repita el ciclo con el siguiente par de estimulación eléctrica seleccionado al azar hasta que se hayan administrado al menos 20 ensayos de cada par a intervalos aleatorios. Inserte un par de estímulo acústico para mantener el condicionamiento. Cuando finalice la prueba, desactive el dispositivo de telemetría, desconecte el cable de estimulación y devuelva el animal a su hogar.

Se muestra aquí la respuesta electrofisiológica de un electrodo correctamente colocado. Cada histograma presenta datos para una frecuencia en un sitio específico del electrodo, y cada columna representa un período de tiempo de 25 milisegundos en ambas hileras del arreglo de electrodos. Las respuestas se detectan en cada sitio individual del electrodo únicamente en respuesta a una banda bastante estrecha de frecuencias, aunque estas bandas estrechas se distribuyen a lo largo de un amplio rango de frecuencias.

Una distribución así es óptima, ya que muchas regiones distintas del cerebro asociadas con frecuencias diferentes pueden estimularse de forma independiente. Idealmente, la colocación de los electrodos debería permitir detectar respuestas neuronales al estímulo acústico en varios canales con una amplitud de sonido tan baja como 10 decibeles, como se observa en esta respuesta electrofisiológica en el canal 10. Aquí se muestra la respuesta electrofisiológica a través de un electrodo mal colocado: la actividad ocurre en las puntas de cada brazo de la matriz de electrodos, pero hay poca variación en la frecuencia del estímulo acústico que provoca actividad en cada sitio del electrodo.

Dicha implantación no permite la estimulación de una capa de frecuencia distinta para la prueba de discriminación. Aquí se muestran trazos individuales y datos proporcionales de frecuencia cardíaca media, desde ocho segundos antes hasta ocho segundos después del inicio de la presentación del estímulo eléctrico alternante. Estos datos se recopilaron durante la séptima sesión de prueba e incluyeron 12 presentaciones de estímulo eléctrico.

Una disminución significativa de la frecuencia cardíaca ocurre rápidamente tras la introducción del segundo estímulo neural, seguida de un aumento significativo en la frecuencia cardíaca, lo que sugiere que el animal ha detectado la diferencia entre el primer y el segundo estímulo. El grado de error y la varianza de la respuesta se muestran en el gráfico de media proporcional más error estándar, y la significancia del descenso y el aumento tras la presentación del segundo estímulo puede verificarse mediante intervalos de confianza del 95 %. Al realizar este procedimiento, es importante recordar que cualquier estímulo externo que el animal pueda detectar podría provocar cambios en la frecuencia cardíaca, aumentando la variabilidad en los resultados; por ello, las pruebas y el condicionamiento deben llevarse a cabo en un entorno consistente y bien aislado para minimizar estos efectos. Tras su desarrollo, esta técnica allana el camino para que los investigadores en el campo de la biónica exploren mejores formas de estimular eléctricamente el cerebro en una variedad de sistemas sensoriales con el fin de obtener respuestas conductualmente relevantes.