고전 컨디셔닝 및 하트 속도 접근법을 사용 청각 음향과 전기 자극의 자극 페어 차별의 행동 결정

이 실험 절차의 전반적인 목표는 와우핵(cochlear nucleus)의 자극 부위와 동물이 구분할 수 있는 주파수 감각을 생성하는 신경 자극 패턴을 확인하는 것입니다. 먼저, 동물의 생리적 반응을 측정할 수 있도록 심박수 모니터링 장치를 삽입합니다. 그다음, 청각 시스템에 자극을 전달할 수 있는 신경 전극을 와우핵에 삽입합니다.

그 다음, 동물은 제시된 톤의 주파수 차이를 감지하고 생리학적 반응을 나타내도록 조건화됩니다. 마지막으로, 청각 시스템의 서로 다른 신경 자극 위치와 패턴에 대한 감지 능력을 테스트합니다. 최종적으로, 와우핵의 어느 영역이 청각 보조 장치 및 자극 패턴을 위한 자극에 가장 적합한지 보여주는 결과를 얻을 수 있습니다.

일관되게 뚜렷한 주파수 감각을 생성하는 자극 위치와 패턴을 식별함으로써 이러한 장치에 사용하기에 가장 적합합니다. 급성 준비 상태에서의 신경 자극 및 기록과 같은 기존 방법과 비교하여 이 기술의 주요 장점은 동물이 실제로 구별하고 감지할 수 있는 자극 표적과 기술을 식별할 수 있다는 점입니다. 이 기술의 시사점은 와우 손상이나 청신경 손상으로 인해 인공 와우를 사용할 수 없는 청각 장애의 치료법으로 확대됩니다.

이 기술은 정상적인 음향 처리 과정을 가장 잘 모방하는 자극 전략을 결정하는 데 도움이 됩니다. 심전도 텔레메트리 장치 삽입 3~5일 후, 먼저 진통제와 마취제를 투여하여 뇌 전극 삽입을 시작합니다. 마취가 확인되면 동물의 머리를 삭모하고 베타딘 스크럽 알코올로 닦아낸 후, 베타딘으로 닦습니다.

동물을 항온 플레이트 위에 놓습니다. 동물을 들어 올려 이어 바(ear bar) 사이에 위치시키고, 첫 번째 이어 바를 외이도(external acoustic meatus) 안으로 밀어 넣습니다. 첫 번째 이어 바를 고정합니다.

그 다음 쥐 치아 포셉을 사용하여 두 번째 귀 고정바(ear bar)를 위치에 맞게 밀어 넣습니다. 동물의 턱을 벌리고 상악 절치(upper incisors)를 치아 홀더에 겁니다. 위치가 잡히면 노즈 콘(nose cone)을 코 위로 밀어 넣어 isof fluorine 공급을 시작하며, 이는 수술이 끝날 때까지 계속됩니다.

두정골을 노출시킨 후, 20% 과산화수소 용액을 사용하여 표면을 닦아냅니다. 거즈 패드 위에서 두정골 사이의 가장 외측 부분에 약 2mm² 크기의 구멍을 뚫습니다. 멸균 식염수로 구멍을 세척하여 전극에 손상을 줄 수 있는 뼈 가루나 뼈 파편을 제거합니다. 현미경 하에서 좌측 두정골과 우측 두정골 사이에 작은 구멍을 뚫습니다.

다음으로, 각 구멍에 외과용 스테인리스 스크류를 조여 넣되, 각 스크류의 머리와 두개골 사이에 약 0.5 millimeters의 간격을 둡니다. 커플링 스피커를 왼쪽 중공 이어바(hollow ear bar)에 부착합니다. 전극 조작기를 개구부 위 적절한 위치로 가져오며, 이때 관상 방향(rostral angle)의 각도는 10 degrees로 설정합니다.

그런 다음 바늘 끝을 사용하여 시상면의 경막에 절개를 가합니다. 전극을 뇌 표면으로 약 2mm 정도 수동으로 삽입합니다. 나사를 고임피던스 헤드 스테이지의 접지 및 기준 전극 지점에 연결합니다.

앰프의 전원이 켜져 있는지 확인하십시오. 그런 다음 기록 챔버를 밀봉하고, 최대 전달 속도를 200 밀리초당 1회 버스트로 하여 저역, 중역 및 고역 대역 통과 필터링된 노이즈의 주기적 전달을 시작하십시오. 각 채널의 신경 활동을 모니터링하여 노이즈에 대한 반응을 감지하십시오. 제시.

전체 삽입 거리가 8mm에 도달하거나 소음 자극에 대한 반응이 나타날 때까지 전극 삽입을 계속하십시오. 와우핵(cochlear nucleus)에 도달했다면, 전극 팁의 부위에서 주로 고주파 자극에 대한 반응이 나타나야 합니다. 전극 팁에서 감지가 이루어질 때까지 삽입을 계속하십시오.

저주파 자극에 대한 반응 또는 청각 유도 활동이 더 이상 나타나지 않습니다. 활동이 중단된 경우, 전극이 와우핵을 완전히 통과했을 가능성이 있으며 전극 배치를 수정해야 할 수도 있습니다. 원하는 주파수 범위에 걸쳐 주파수 단계별로 순음을 제시하고, 각 자극을 10회 반복하며 1에서 70데시벨의 진폭으로 전극 위치에 있는 뉴런의 주파수 진폭 반응 지도를 작성하십시오.

뇌 조직과 전극을 보호하기 위해, 실리콘 엘라스토머 얇은 층을 노출된 전극 샹크(shank)의 약간 윗부분에 도포하여 엘라스토머가 샹크를 따라 흘러내려 샹크와 뇌의 노출된 표면 모두를 코팅하도록 합니다. 전극을 고정하기 위해 치과용 시멘트를 도포하고, 전극 접지선을 나사에 연결한 후 강도를 높이기 위해 치과용 시멘트를 추가로 도포합니다. 시멘트가 굳으면 전극 주변의 절개 부위를 봉합한 다음, 동물이 회복될 수 있도록 홈 케이지를 가열 패드 위에 24시간 동안 둡니다.

텔레메트리 장치를 활성화한 후, 동물을 테스트 챔버에 넣고 조건 형성을 시작하기 전 5분 동안 적응시킵니다. 조건 형성 절차를 수행하려면, 무작위로 선택된 음향 자극 쌍 중 하나를 250ms의 무음 간격을 두고 250ms의 버스트 형태로 80~170초 동안 반복적으로 제공합니다. 각 자극 제시의 상승 및 하강 시간은 10ms여야 합니다.

클릭 소리가 인식되는 것을 방지하기 위해 교차 제시를 시작합니다. 음향 자극 쌍의 두 번째 구성 요소를 첫 번째와 교차하여 각 톤을 250 milliseconds 동안 제시하고, 이어서 250 milliseconds의 무음을 둡니다. 10초의 교차 톤 제시 기간 중 9.5초가 지난 시점에 0.5 millisecond의 발 쇼크를 가한 후, 심박수가 안정될 수 있도록 30초 동안 톤 제시를 중단합니다.

이 과정을 총 48회 반복할 때까지 계속하십시오. 분석을 위해 각 성조 쌍이 충분히 반복되도록, 각 성조 쌍이 최소 4회 이상 제시되도록 하십시오. 이소플루레인 마취 하에 신경 자극 케이블을 부착하고 텔레메트리 장치를 활성화한 후, 테스트 시작 전 동물이 회복하고 테스트 챔버에 적응할 수 있도록 10분간 대기하십시오.

전날의 조건 형성을 유지하기 위해, 앞서 설명한 대로 교대 음향 자극 쌍을 제공하고 이어서 0.5 millisecond의 족부 충격을 가합니다. 심박수가 안정될 때까지 기다린 후, 전기 자극 쌍 중 무작위로 선택된 하나의 구성 요소를 250 millisecond 간격의 버스트 형태로 반복적으로 제공하며, 각 버스트 사이에는 250 millisecond의 무음 구간을 두어 80에서 170초 동안 진행합니다. 그런 다음 전기 자극 쌍의 두 번째 구성 요소를 첫 번째 구성 요소와 교대로 제공하기 시작하며, 각 톤을 250 millisecond 동안 제시하고 이어서 250 millisecond의 무음 구간을 두어 총 10초 동안 수행합니다.

각 쌍당 최소 20회의 시행이 무작위 간격으로 제공될 때까지, 무작위로 선택된 다음 전기 자극 쌍으로 이 사이클을 반복합니다. 조건화를 유지하기 위해 음향 자극 쌍을 삽입합니다. 테스트가 완료되면 텔레메트리 장치를 비활성화하고 자극 케이블을 분리한 후 동물을 홈 케이지로 돌려보냅니다.

정확하게 배치된 전극의 전기생리학적 반응을 보여줍니다. 각 히스토그램은 하나의 전극 부위에서 하나의 주파수에 대한 데이터를 나타내며, 각 열은 전극 어레이의 양쪽 섕크(shank)에서 25 millisecond의 시간 간격을 나타냅니다. 반응은 매우 좁은 범위의 주파수 대역에서만 각 개별 전극 부위에서 검출되지만, 이러한 좁은 대역들은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 분포되어 있습니다.

뇌의 많은 서로 다른 주파수 관련 영역을 독립적으로 자극할 수 있으므로 이러한 분포가 최적입니다. 이상적으로는, 채널 10의 전기생리학적 반응에서 나타나는 것과 같이 10 decibels 정도로 낮은 소리 진폭에서도 음향 자극에 대한 신경 반응이 여러 채널에서 검출될 수 있도록 전극을 배치해야 합니다. 여기 제시된 것은 전극 배치가 잘못되었을 때의 전기생리학적 반응으로, 전극 어레이의 각 섕크(shank) 끝단에서 활동이 일어나지만, 각 전극 부위에서 활동을 유발하는 음향 자극 주파수의 변화는 거의 없습니다.

이러한 이식으로는 변별 테스트를 위한 별도의 주파수 층 자극이 불가능합니다. 여기서는 교차 전기 자극 제시 시작 전 8초부터 시작 후 8초까지의 개별 트레이스와 평균 심박수 비례 데이터가 표시되어 있습니다. 이 데이터는 7번째 테스트 세션 동안 수집되었으며, 12회의 전기 자극 제시를 포함합니다.

두 번째 신경 자극을 가한 직후 심박수가 급격히 유의미하게 감소하며, 이어서 심박수가 유의미하게 상승하는데, 이는 동물이 첫 번째 자극과 두 번째 자극의 차이를 감지했음을 시사합니다. 응답의 오차 정도와 분산은 평균 및 표준 오차 비례 도표에 나타나 있으며, 두 번째 자극 제시 후 나타나는 하강 및 상승의 유의성은 95% 신뢰 구간을 통해 확인할 수 있습니다. 이 절차를 수행할 때, 동물이 감지할 수 있는 외부 자극은 심박수 변화를 유도하여 결과의 변동성을 높일 수 있음을 유념하는 것이 중요합니다. 이러한 영향을 최소화하기 위해 테스트와 조건화는 일관되고 잘 격리된 환경에서 수행되어야 합니다. 개발된 이 기술은 바이오닉스 분야의 연구자들이 다양한 감각 계통에서 행동적으로 유의미한 반응을 유도하기 위해 뇌를 전기적으로 자극하는 더 나은 방법을 탐구할 수 있는 길을 열어줍니다.