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

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。