İşitsel Sinir optogenetic uyarılması
Summary
Koklear implantlar (CI) işitme siniri doğrudan elektriksel stimülasyon ile işitme sağlarlar. Bununla birlikte, kötü sıklığı ve yoğunluğu çözünürlüğü CI ile işitme kalitesini sınırlar. Burada işitsel araştırma ve gelecekteki CI'ler geliştirmek için alternatif bir strateji olarak farelerde işitme sinirinin Optogenetic uyarılmasını açıklamaktadır.
Abstract
Koklear implant (CI) spiral ganglion nöronları (SGNs) Doğrudan elektrik stimülasyonu implante sağır konularda 1- 6 çoğunluğunda açık konuşma anlama sağlar. Yine de, mevcut CI ile ses kodlama nedeniyle koklea 7-9'un tonotopic ekseni boyunca SGNs çok sayıda aktive her elektrot temas geniş akımı yaymak için zayıf sıklığı ve şiddeti çözünürlüğe sahiptir. Optik stimülasyon uzaysal fazla dolayısıyla, SGNs aktivasyonunu sınırlı ve sözler elektriksel stimülasyon, kodlama yüksek frekans çözünürlüğü için bir alternatif olarak önerilmiştir. Son yıllarda, koklea doğrudan kızılötesi aydınlatma işitme siniri 10 tepkiler uyandırmak için kullanılır olmuştur. Elektriksel stimülasyon 10,11 ve belirsizlik altında yatan mekanizma 12 olarak kalır daha Yine de yüksek enerjileri gerektirir. Burada SGNs uyarma optogenetik dayanan bir yöntem açıklanmaktadırchannelrhodopsin 2 (CHR2) 13 veya ChR2 varyant catch 14 virüs aracılı ifade nöronal ifadesi ile transgenik fareler kullanılarak düşük yoğunlukta mavi ışık ile. Biz küçük bir yapay açıklık (cochleostomy) veya yuvarlak pencereden ChR2 ifade SGNs uyarmak için diyotlar (μLEDs) ve fiber lazerler yayan mikro-ışık kullanılır. Biz ışık uyarılmış potansiyeller (Optogenetic işitsel beyinsapı cevabı: oABR) arasında kafa derisi kayıtları ile yanıtları analiz veya işitsel yolundan mikroelektrod görüntüleri ve akustik ve elektrik stimülasyonu ile karşılaştırıldı.
Introduction
Dünya Sağlık Örgütü'ne göre, 360 milyon insan dünyada işitme kaybına muzdarip. Sağır deneklerde, CI'lerin tarafından SGNs doğrudan elektriksel uyarım bunların 1,2,4,5 çoğunluğunda açık konuşma anlama etkinleştirin. Olsa bile CIs nedenle en başarılı neuroprosthesis olmaktan, 200.000 'den fazla insan implante edilmiş, mevcut koklear implant ile tahrik ses kodlama sınırlıdır. CIs her biri işitme siniri böylece kokleadaki Corti işlevsiz duyusal organı atlayarak bir tonotopic bölgesini aktive elektrotlar belli sayısına göre elektrik stimülasyonu dayanmaktadır. Normal işitme dinleyici Ancak bugünün CI sadece yukarı 12-22 frekans kanalları 4 için kullanmak, 2.000 'den fazla frekansları ayırt edebilir. Bu, pek çok farklı ses frekanslarının 8,15 temsil SGNs çok sayıda aktive her Uyarıcı elektrotun 7,9, geniş çaplı bir akım akışına etmektir. Buçok-kutuplu bir sınırlama stimülasyonu kullanılarak, ancak bu daha yüksek bir güç tüketimi 16,17 pahasına geliştirilebilir. Ses yoğunluğu için kendi çıkış dinamik aralığı da genellikle 6-20 dB 4,18 aşağıda, sınırlıdır. Bu nedenlerle, iyileştirilmesi sıklığı ve yoğunluğu çözünürlüğü gürültülü ortamlarda, prozodi anlama ve müzik algısı konuşma tanıma iyileştirmek CI performansını artırmak için önemli hedeflerdir.
Işitme siniri uyarmak için farklı bir seçenek optik stimülasyon. Işık uygun, daha iyi mekansal hapsini vaat frekans çözünürlüğü artırmak ve aynı zamanda daha iyi bir yoğunluk çözünürlükle sonuçlanır, dinamik yelpazemizi genişleterek, küçük bir SGN nüfusu hedef odaklı olabilir. Nitekim, kızılötesi ışık ile koklear uyarım hayvan modellerinde 10,11,19 mükemmel frekans çözünürlüğü göstermiştir. Uyarım bu tür dezavantajlarından biri, elektrik uyarımı daha yüksek enerjili gerektirmesidir <sus> 10,11. Ayrıca, doğrudan işitsel nöronlar uyarma yöntemi yeteneği hakkında kabul 12,20 artmıştır.
Kızılötesi stimülasyon alternatif olarak, SGNs ışığa duyarlı hale getirmek için optogenetik kullanır. Optogenetik non-invaziv genetik ve optik tekniklerini birleştiren ve özellikle yüksek zamansal hassasiyet (yorum 21-23) ile kontrol hücreleri yeni bir yaklaşımdır. Şu anda en sık kullanılan yöntem Chlamydomonas reinhardtii mikrobiyal channelrhodopsin 2 (CHR2) geninin ifadesini kullanan ve bir ışık geçişli katyon kanalı 24 şifreleyen, bunların türevleri olabilir. CHR2 nöronlar dönüştürülebilen ve mavi ışık ile aktive edildiğinde, böylece hücreler, 24-27, depolarize edici olmayan-selektif katyon kanal hareket eden bir 7-transmembran-sarmal bir proteindir. ChR2, iyi karakterize edilmiştir 24,28- 31 ve pek çok çeşidi Actio değiştirmek için geliştirilmiştirn spektrumu, yolluk ve geçirgenlik özellikleri 32,33. Çalışmalarımızın amacı, işitme yollarının aktivasyonu için koklear optogenetik kurmaktır. Bu işitsel siniri uyarmak için Optogenetic yaklaşım channelrhodopsin ekspresyonu için spiral ganglion genetik manipülasyonu gerektirir unutmayın. Fare ve sıçanlarla yapılan çalışma tonotopic eksenleri boyunca ve 36 hayvan içinde çok az değişkenlik olan channelrhodopsin üretilmesini sağlamak mevcut transgenik hayvanların 13,34,35 kullanımını sağlar. Uygun Cre çizgilerle koşullu alelleri 37 birleştiren hücreye spesifik eksprese edilmesini sağlar. Diğer hayvanların spiral ganglion gen transferi gibi optogenetik 38, standart bir yaklaşımdır adeno-ilişkili virüs ve 36 farelerde iyi çalışması için gösterdi virüsün kullanılmasını gerektirir. Genetik manipülasyon ve bu immünohistokimyası gibi yan etkileri için yabancı proteinlerin ayı riskleri kodlayan Transgenlerin ifadesiNE reaksiyonu ve / veya çoğalması dahil, tehlikeye durum ya da genetik olarak manipüle edilmiş hücrelerden hatta ölüm. Bu gösteri amaçla optik işitsel yolu uyarmak için Thy-1 yükselticisi 13 altında sarmal gangliyon nöronlarındaki ChR2 ifade eden transgenik fareler kullanır. Biz SGNs 39 içine varyant yakalamak 14 virüs kaynaklı transfer ile gösterildiği gibi, diğer channelrhodopsin varyantları, aynı amaç için kullanılabilir unutmayın.
Koklear optogenetik genetik manipülasyon gerektirir iken, optimize SGN uyarılması için moleküler ayar sunar ve elektriksel stimülasyon ile kıyaslandığında sözler sıklığı ve yoğunluğu çözünürlüğü geliştirilmiş. Işitsel yolun optogenetic uyarılması araştırma işitme için son derece önem taşımaktadır. Örneğin, ses localizat spektral entegrasyon için gereksinimi analizi, gelişim sırasında tonotopy bir aktivite-bağımlı arıtma çalışmalarında ilerlemeler vaatiyonu ve merkezi işitme sistemine frekansa özgü iletici çıkıntılar arasındaki etkileşim ölçüde.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tarif edilen deneyler SGNs en Optogenetic uyarılmasını göstermektedir, ve prensip olarak, aynı zamanda, iç ve / veya dış saç hücrelerini uyarmak için kullanılabilir opsins ekspresyonunu sağladı. Bu deneyler çok sabır ve özen gerektirir. Daha önce de belirtildiği gibi, en önemli adımlar ışık kaynağının iyi cochleostomy / yuvarlak bir pencere ekleme hem de uygun bir konumu ve yönelimi vardır.
ChR2 kullanarak Optogenetic stimülasyonu ile sınırlamaları vardır. S…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Eğitim ve Araştırma (Neurotechnology Bernstein Odak T. Moser, 01GQ0810 hibe ve MED-EL Almanya) Alman Federal Bakanlığı tarafından desteklenen; N. Strenzke ve T. Moser Alman Araştırma Nanoseviyede Mikroskopi ve Beyin Moleküler Fizyoloji Merkezi aracılığıyla Vakfı (FZT 103, T. Moser) ve SFB889 yoluyla).
Materials
| Urethane | Sigma Aldrich | U2500-100G | Anesthetic |
| Xylazine HCl | RXV | Sedative and analgesic | |
| Buprenorphine | Reckitt Benckiser | Analgesic | |
| Dumont #5 Forceps | Fine Science Tools | 11251-10 | It is used to hold hard tissue, e.g. bone or materials. Never use them to hold soft delicated tissue |
| Dumont #5 – Fine Forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | Only to be used to hold soft tissue |
| Fine Scissors – Sharp | Fine Science Tools | 14060-09 | To open the skin and help with the muscle dissection |
| Lempert Rongeurs | Fine Science Tools | 16004-16 | They are very useful to easily remove the bone from the bulla |
| 473-nm laser | Changchun New Industries | MLL-III473 | 100 mW solid state 473 nm laser |
| Laser driver | Changchun New Industries | DPSSL MLL 100 mW | TTL operated laser driver |
| 250 µm optical fiber | Any comercial ; e.g. Thorlabs | M42L05 | |
| Acousto-optical modulator | Crystal Technology, Inc. | PCAOM VIS | Control the amount of light coupled into the fiber from the laser |
| Controller for Acousto-optical modulator | Crystal Technology, Inc. | 160T1-8SAR-24-0.8 | Control the acousto-optic modulator |
| Solo2 laser power & energy meter | Gentec-EO | Used to measure light intensity of the LED and the fiber coupled laser | |
| Blue µLED | Cree | C470UT200 | It is necessary to build several μLED devices because easily get damaged or the isolation is not good enough |
| TDT System | Tucker-Davis Technologies | RZ6-A-P1 | It can be used any system for stimulus generation presentation and data acquisition |
| Single-shank, 16-channel silicon probe | Neuronexus | a1x16-5mm-100-177-CM16LP | These are fragile devises, must be handled carefully and cleaned after use |
| Omnidrill | World Precision Instruments | 503598 | Perform craniotomy for IC recordings and reference screw implantation |
| Micro Drill Steel Burrs | any commercial; e.g. Fine Science Tools | 19007-07 | |
| Self tapping bone screw | any commercial; e.g. Fine Science Tools | 19010-10 | Reference screw |
| Micromanipulator | any commercial; e.g. Luigs+NeumannInVivo Unit Junior 4 axis | Positioning of recording probe |
References
- Rubinstein, J. T. Paediatric cochlear implantation: prosthetic hearing and language development. Lancet. 360 (9331), 483-485 (2002).
- Middlebrooks, J. C., Bierer, J. A., Snyder, R. L. Cochlear implants: the view from the brain. Current opinion in neurobiology. 15 (4), 488-493 (2005).
- Clark, G. M. The multiple-channel cochlear implant: the interface between sound and the central nervous system for hearing, speech, and language in deaf people-a personal perspective. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences. 361 (1469), 791-810 (2006).
- Zeng, F. G., Rebscher, S., Harrison, W., Sun, X., Feng, H. Cochlear implants: system design, integration, and evaluation. IEEE reviews in biomedical engineering. 1, 115-142 (2008).
- Wilson, B. S., Dorman, M. F. Cochlear implants: a remarkable past and a brilliant future. Hearing research. 242 (1-2), 3-21 (2008).
- Moore, D. R., Shannon, R. V. Beyond cochlear implants: awakening the deafened brain. Nature neuroscience. 12 (6), 686-691 (2009).
- Shannon, R. V. Multichannel electrical stimulation of the auditory nerve in man. II. Channel interaction. Hearing research. 12 (1), 1-16 (1983).
- Fishman, K. E., Shannon, R. V., Slattery, W. H. Speech recognition as a function of the number of electrodes used in the SPEAK cochlear implant speech processor. Journal of speech, language, and hearing research: JSLHR. 40 (5), 1201-1215 (1997).
- Kral, A., Hartmann, R., Mortazavi, D., Klinke, R. Spatial resolution of cochlear implants: the electrical field and excitation of auditory afferents. Hearing research. 121 (1-2), 11-28 (1998).
- Izzo, A. D., Suh, E., Pathria, J., Walsh, J. T., Whitlon, D. S., Richter, C. P. Selectivity of neural stimulation in the auditory system: a comparison of optic and electric stimuli. Journal of biomedical. 12 (2), 021008 (2007).
- Richter, C. P., Rajguru, S. M., et al. Spread of cochlear excitation during stimulation with pulsed infrared radiation: inferior colliculus measurements. Journal of neural engineering. 8 (5), 056006 (2011).
- Teudt, I. U., Maier, H., Richter, C. P., Kral, A. Acoustic events and “optophonic” cochlear responses induced by pulsed near-infrared laser. IEEE transactions on bio-medical engineering. 58 (6), 1648-1655 (2011).
- Wang, H., et al. High-speed mapping of synaptic connectivity using photostimulation in Channelrhodopsin-2 transgenic mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (19), 8143-8148 (2007).
- Kleinlogel, S., Feldbauer, K., et al. Ultra light-sensitive and fast neuronal activation with the Ca2+-permeable channelrhodopsin CatCh. Nature neuroscience. 14 (4), 513-518 (2011).
- Friesen, L. M., Shannon, R. V., Baskent, D., Wang, X. Speech recognition in noise as a function of the number of spectral channels: comparison of acoustic hearing and cochlear implants. The Journal of the Acoustical Society of America. 110 (2), 1150-1163 (2001).
- Donaldson, G. S., Kreft, H. A., Litvak, L. Place-pitch discrimination of single- versus dual-electrode stimuli by cochlear implant users (L). The Journal of the Acoustical Society of America. 118 (2), 623-626 (2005).
- Srinivasan, A. G., Shannon, R. V., Landsberger, D. M. Improving virtual channel discrimination in a multi-channel context. Hearing research. 286 (1-2), 19-29 (2012).
- Zeng, F. G., et al. Speech dynamic range and its effect on cochlear implant performance. The Journal of the Acoustical Society of America. 111 (1 Pt 1), 377-386 (2002).
- Matic, A. I., Walsh, J. T., Richter, C. P. Spatial extent of cochlear infrared neural stimulation determined by tone-on-light masking. Journal of biomedical. 16 (11), 118002 (2011).
- Verma, R., Guex, A. A., et al. Auditory responses to electric and infrared neural stimulation of the rat cochlear nucleus. Hearing research. 310, 69-75 (2014).
- Fenno, L., Yizhar, O., Deisseroth, K. The development and application of optogenetics. Annual review of neuroscience. 34, 389-412 (2011).
- Hegemann, P., Nagel, G. From channelrhodopsins to optogenetics. EMBO molecular medicine. 5 (2), 173-176 (2013).
- Packer, A. M., Roska, B., Häusser, M. Targeting neurons and photons for optogenetics. Nature neuroscience. 16 (7), 805-815 (2013).
- Nagel, G., et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (24), 13940-13945 (2003).
- Nagel, G., Szellas, T., Kateriya, S., Adeishvili, N., Hegemann, P., Bamberg, E. Channelrhodopsins: directly light-gated cation channels. Biochemical Society transactions. 33 (Pt 4), 863-866 (2005).
- Nagel, G., Brauner, M., Liewald, J. F., Adeishvili, N., Bamberg, E., Gottschalk, A. Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses. Current biology: CB. 15 (24), 2279-2284 (2005).
- Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature neuroscience. 8 (9), 1263-1268 (2005).
- Bamann, C., Kirsch, T., Nagel, G., Bamberg, E. Spectral characteristics of the photocycle of channelrhodopsin-2 and its implication for channel function. Journal of molecular biology. 375 (3), 686-694 (2008).
- Ritter, E., Stehfest, K., Berndt, A., Hegemann, P., Bartl, F. J. Monitoring light-induced structural changes of Channelrhodopsin-2 by UV-visible and Fourier transform infrared spectroscopy. The Journal of biological chemistry. 283 (50), 35033-35041 (2008).
- Berndt, A., Prigge, M., Gradmann, D., Hegemann, P. Two open states with progressive proton selectivities in the branched channelrhodopsin-2 photocycle. Biophysical journal. 98 (5), 753-761 (2010).
- Kato, H. E., et al. Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel. Nature. 482 (7385), 369-374 (2012).
- Hegemann, P., Möglich, A. Channelrhodopsin engineering and exploration of new optogenetic tools. Nature methods. 8 (1), 39-42 (2011).
- Mattis, J., Tye, K. M., et al. Principles for applying optogenetic tools derived from direct comparative analysis of microbial opsins. Nature methods. 9 (2), 159-172 (2012).
- Arenkiel, B. R., Peca, J., et al. In Vivo Light-Induced Activation of Neural Circuitry in Transgenic Mice Expressing Channelrhodopsin-2. Neuron. 54 (2), 205-218 (2007).
- Tomita, H., Sugano, E., et al. Visual Properties of Transgenic Rats Harboring the Channelrhodopsin-2 Gene Regulated by the Thy-1.2 Promoter. PLoS ONE. 4 (11), e7679 (2009).
- Hernandez, V. H., et al. Optogenetic stimulation of the auditory pathway. The Journal of clinical investigation. 124 (3), 1114-1129 (2014).
- Madisen, L., Mao, T., et al. A toolbox of Cre-dependent optogenetic transgenic mice for light-induced activation and silencing. Nature Neuroscience. 15 (5), 793-802 (2012).
- Yizhar, O., Fenno, L. E., Davidson, T. J., Mogri, M., Deisseroth, K. Optogenetics in neural systems. Neuron. 71 (1), 9-34 (2011).
- Hernandez, V. H., et al. Optogenetic stimulation of the auditory pathway. The Journal of clinical investigation. 124 (3), 1114-1129 (2014).
- Gunaydin, L. A., Yizhar, O., Berndt, A., Sohal, V. S., Deisseroth, K., Hegemann, P. Ultrafast optogenetic control. Nature neuroscience. 13 (3), 387-392 (2010).
- Klapoetke, N. C., Murata, Y., et al. Independent optical excitation of distinct neural populations. Nature methods. 11 (3), 338-346 (2014).
