Behawioralne określenie dyskryminacji par bodźców słuchowych, akustycznych i elektrycznych z zastosowaniem warunkowania klasycznego i analizy tętna

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zidentyfikowanie obszarów stymulacji jądra ślimakowego oraz wzorców stymulacji neuronalnej, które wywołują odczucia częstotliwości rozróżnialne przez zwierzę. W pierwszej kolejności implantuje się urządzenia do monitorowania tętna, aby umożliwić pomiar odpowiedzi fizjologicznych zwierzęcia. Następnie w jądrze ślimakowym implantuje się elektrodę neuronalną, poprzez którą możliwa jest stymulacja układu słuchowego.

Następnie zwierzę jest warunkowane do wykrywania różnic częstotliwości prezentowanych tonów i wywoływania odpowiedzi fizjologicznej. Na koniec testuje się zwierzę pod kątem wykrywania różnych lokalizacji i wzorców neurostymulacji układu słuchowego. W końcowym etapie można uzyskać wyniki wskazujące, które obszary jądra ślimakowego są najlepiej dostosowane do stymulacji w kontekście protez słuchowych oraz wzorców stymulacji.

Metoda ta najlepiej sprawdza się w zastosowaniu w takich urządzeniach poprzez identyfikację miejsc i wzorców stymulacji, które konsekwentnie wywołują wyraźne odczucia częstotliwości. Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod, takich jak stymulacja neuronów i rejestracja w preparacie ostrym, jest możliwość zidentyfikowania celów i technik stymulacji, które są faktycznie rozróżniane i wykrywane przez zwierzę. Zastosowania tej techniki obejmują terapię leczenia głuchoty w przypadkach, w których implanty ślimakowe nie mogą zostać użyte z powodu uszkodzenia ślimaka lub nerwu słuchowego.

Technika ta pomoże w określeniu strategii stymulacji, które najlepiej naśladują prawidłowe przetwarzanie akustyczne. Od trzech do pięciu dni po implantacji urządzenia do telemetrii elektrokardiograficznej należy rozpocząć implantację elektrod mózgowych, podając najpierw leki przeciwbólowe i środek znieczulający. Po potwierdzeniu znieczulenia należy ogolić głowę zwierzęcia i przemyć ją alkoholem z Betadine, a następnie samym Betadine.

Umieść zwierzę na płycie homeotermicznej. Podnieś zwierzę i ustaw je pomiędzy uchwytami usznymi, a następnie wsuń pierwszy uchwyt do zewnętrznego przewodu słuchowego. Zablokuj pierwszy uchwyt w odpowiedniej pozycji.

Następnie, używając pincety ząbkowanej, wsuń drugi uchwyt uszny na odpowiednią pozycję. Rozchyl pysk zwierzęcia i zahacz górne siekacze o uchwyt zębowy. Po ustaleniu pozycji nasuń stożek na nos, aby rozpocząć podawanie izofluranu, który będzie aplikowany przez cały czas trwania operacji.

Po odsłonięciu kości ciemieniowej należy oczyścić jej powierzchnię, używając 20% roztworu nadtlenku wodoru. Na gaziku należy wywiercić otwór o boku około dwóch milimetrów w najbardziej bocznej części kości międzyciemieniowej. Otwór należy przemyć sterylną solą fizjologiczną, aby usunąć pył lub fragmenty kostne, które mogłyby uszkodzić elektrodę. Pracując pod mikroskopem, należy wywiercić niewielki otwór w lewej kości ciemieniowej oraz w prawej kości międzyciemieniowej.

Następnie wkręć stalowe wkręty chirurgiczne w każdy otwór, pozostawiając około 0,5 milimetra odstępu między łowiskiem każdego wkręta a czaszką. Przymocuj głośnik sprzęgający do lewego pustego wspornika ucha. Umieść manipulator elektrody nad otworem pod kątem rostralnym 10 stopni.

Następnie, używając czubka igły, wykonaj nacięcie w oponie twardej w płaszczyźnie strzałkowej. Wprowadź elektrodę ręcznie na głębokość około dwóch milimetrów do powierzchni mózgu. Podłącz śruby do punktów uziemienia i elektrody referencyjnej wysokoimpedancyjnego wzmacniacza głownego.

Upewnij się, że wzmacniacz jest włączony. Następnie uszczelnij komorę rejestracyjną i rozpocznij cykliczne podawanie szumu filtrowanego pasmowo w zakresie niskich, średnich i wysokich częstotliwości z maksymalną częstotliwością podawania jednego impulsu co 200 milisekund. Monitoruj aktywność neuronalną w każdym kanale w celu wykrycia odpowiedzi na szum. Prezentacja.

Kontynuuj wprowadzanie elektrody, aż całkowita odległość wprowadzenia zbliży się do 8 mm lub do momentu pojawienia się odpowiedzi na prezentację szumu. Jeśli osiągnięto jądro ślimakowe, punkty na końcówce elektrody powinny wykazywać odpowiedzi głównie na bodźce wysokoczęstotliwościowe. Kontynuuj wprowadzanie elektrody, aż końcówka wykryje sygnał.

Reakcje na bodźce o niskiej częstotliwości lub aktywność indukowana słuchowo przestają występować. Jeśli aktywność ustaje, elektroda mogła przejść całkowicie przez jądro ślimakowe i może być konieczna korekta jej umiejscowienia. Należy stworzyć mapę odpowiedzi częstotliwościowo-amplitudowych neuronów w miejscach rozmieszczenia elektrod poprzez prezentację tonów czystych w krokach częstotliwości w żądanym zakresie częstotliwości, przy amplitudach od 1 do 70 decybeli, z 10 powtórzeniami każdego bodźca.

Aby chronić tkankę mózgową i elektrodę, nałóż cienką warstwę elastomeru silikonowego nieco powyżej odsłoniętych trzpieni elektrody, tak aby elastomer spłynął po trzpieniach i pokrył zarówno trzpienie, jak i odsłoniętą powierzchnię mózgu. Aby unieruchomić elektrodę, nałóż cement dentystyczny, podłącz przewód uziemiający elektrody do śrub, a następnie nałóż kolejną warstwę cementu dentystycznego w celu zwiększenia wytrzymałości. Po utwardzeniu cementu zaszyj nacięcie wokół elektrody, a następnie umieść klatkę w domu na podkładce grzewczej na 24 godziny, aby umożliwić zwierzęciu rekonwalescencję.

Po aktywacji urządzenia telemetrycznego umieść zwierzę w komorze testowej i pozwól mu na aklimatyzację przez pięć minut przed rozpoczęciem warunkowania. Aby przeprowadzić procedurę warunkowania, podawaj jeden losowo wybrany element pary bodźców akustycznych wielokrotnie w seriach trwających 250 millisecond, oddzielonych 250 millisecond ciszy, przez czas od 80 do 170 sekund. Każda prezentacja stymulacji musi mieć czas narastania i opadania wynoszący 10 millisecond.

Aby uniknąć postrzegania kliknięcia, należy rozpocząć naprzemienne podawanie bodźców. Drugi element pary bodźców akustycznych z pierwszym, prezentując każdy ton przez 250 milisekund, po których następuje 250 milisekund ciszy. Po 9,5 sekundzie dziesięciosekundowego okresu naprzemiennej prezentacji tonów, należy podać wstrząs stopy o czasie trwania 0,5 milisekundy, a następnie zaprzestać prezentacji tonów na 30 sekund, aby umożliwić stabilizację tętna.

Kontynuuj ten proces, aż zostanie zrealizowanych 48 cykli procedury. Aby zapewnić wystarczającą liczbę powtórzeń każdej pary tonów do analizy, upewnij się, że każda para tonów zostanie zaprezentowana co najmniej cztery razy. Po podłączeniu kabla do stymulacji nerwowej i aktywacji urządzenia telemetrycznego pod narkozą izofluranową, pozwól zwierzęciu na regenerację i aklimatyzację w komorze testowej przez 10 minut przed rozpoczęciem testowania.

Aby utrzymać warunkowanie z dnia poprzedniego, należy podać naprzemienną parę bodźców akustycznych zgodnie z wcześniejszym opisem, a następnie wstrząs stopy o czasie trwania 0,5 millisecond. Po ustabilizowaniu się tętna należy wielokrotnie podawać jeden losowo wybrany element pary bodźców elektrycznych w seriach po 250 millisecond, oddzielonych 250 millisecond ciszy, przez czas od 80 do 170 sekund. Następnie należy wprowadzić naprzemienne podawanie drugiego elementu pary bodźców elektrycznych z pierwszym, prezentując każdy ton przez 250 millisecond, po których następuje 250 millisecond ciszy, przez łącznie 10 sekund.

Powtarzaj cykl z kolejną losowo wybraną parą stymulacji elektrycznej, aż do momentu podania co najmniej 20 prób dla każdej pary w odstępach losowych. Wprowadź parę bodźców akustycznych, aby podtrzymać warunkowanie. Po zakończeniu testów wyłącz urządzenie telemetryczne, odłącz kabel stymulacyjny i zwróć zwierzę do klatki.

Przedstawiona tutaj odpowiedź elektrofizjologiczna dotyczy prawidłowo umieszczonej elektrody. Każdy histogram prezentuje dane dla jednej częstotliwości w jednym miejscu elektrody, a każda kolumna reprezentuje 25 milisekundowy okres czasu na obu ramionach macierzy elektrod. Odpowiedzi są wykrywane w każdym poszczególnym miejscu elektrody tylko w odpowiedzi na dość wąskie pasmo częstotliwości, jednak te wąskie pasma są rozłożone w szerokim zakresie częstotliwości.

Taki rozkład jest optymalny, ponieważ wiele odrębnych obszarów mózgu powiązanych z różnymi częstotliwościami może być stymulowanych niezależnie. Idealnie rozmieszczenie elektrod powinno prowadzić do wykrycia odpowiedzi neuronalnych na bodziec akustyczny na kilku kanałach przy amplitudzie dźwięku tak niskiej jak 10 decibels, co widać w tej odpowiedzi elektrofizjologicznej na kanale 10. Przedstawiona tutaj odpowiedź elektrofizjologiczna pochodzi z niewłaściwie rozmieszczonej elektrody; aktywność występuje na końcach każdego ramienia macierzy elektrod, jednak występuje niewielka zmienność częstotliwości bodźca akustycznego, która wywołuje aktywność w każdym miejscu rozmieszczenia elektrody.

Taka implantacja nie umożliwia stymulacji odrębnej warstwy częstotliwości w celu przeprowadzenia testów dyskryminacyjnych. Przedstawiono tutaj poszczególne zapisy oraz dane dotyczące średniej częstości pracy serca z okresu od ośmiu sekund przed do ośmiu sekund po rozpoczęciu prezentacji naprzemiennych bodźców elektrycznych. Dane te zostały zebrane podczas siódmej sesji testowej i obejmowały 12 prezentacji bodźców elektrycznych.

Szybko po wprowadzeniu drugiego bodźca neuronalnego następuje znaczący spadek częstości akcji serca, po którym następuje znaczący wzrost częstości akcji serca, co sugeruje, że zwierzę wykryło różnicę między pierwszym a drugim bodźcem. Stopień błędu i wariancja odpowiedzi są przedstawione na wykresie proporcjonalnej średniej wraz z błędem standardowym, a istotność spadku i wzrostu po prezentacji drugiego bodźca można zweryfikować, korzystając z 95% przedziałów ufności. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że wszelkie bodźce zewnętrzne, które zwierzę może wykryć, mogą prowadzić do zmian częstości akcji serca, zwiększając zmienność wyników; testowanie i warunkowanie powinny być przeprowadzane w spójnym i dobrze odizolowanym środowisku, aby zminimalizować te efekty. Po opracowaniu ta technika utoruje drogę badaczom w dziedzinie bioniki do poszukiwania lepszych sposobów elektrycznej stymulacji mózgu w różnych systemach sensorycznych w celu uzyskania odpowiedzi istotnych behawioralnie.