Un aspetto centrale della fisiologia cerebrale è la sua capacità di elaborare le informazioni ambientali con conseguente produzione intrinseca o estrinseca diversa, come l’apprendimento, la memoria, le reazioni emotive o le risposte motorie. Vari approcci sperimentali e diagnostici possono essere utilizzati per caratterizzare la reattività elettrofisiologica dei singoli tipi di cellule neuronali o ammassi/insiemi di neuroni all’interno di un circuito neuronale correlato allo stimolo. Queste tecniche elettrofisiologiche coprono diverse dimensioni spatiotemporali su micro, meso e macroscala¹. Il livello di microscala comprende la tensione e gli approcci di morsetto di corrente in diverse modalità patch-clamp utilizzando, ad esempio, neuroni coltivati o acutamente dissociati¹. Queste tecniche in vitro consentono la caratterizzazione delle singole entità attuali e la loro modulazione farmacologica^2,3. Un inconveniente essenziale, tuttavia, è la mancanza di informazioni sistemiche per quanto riguarda l’integrazione e l’elaborazione delle informazioni micro e macrocircuitiche. Questa menomazione è parzialmente superata da tecniche in vitro del mesoscalato, come gli array multielettrodi che consentono registrazioni simultanee di multielettrodi extracellulari non solo nei neuroni coltivati, ma anche nelle fette acute del cervello^{4, 5}. Mentre i microcircuiti possono essere conservati nelle fette di cervello in misura specifica (ad esempio, nell’ippocampo), le interconnessioni a lungo raggio sono in genere perse⁶. In definitiva, per studiare le interconnessioni funzionali all’interno dei circuiti neuronali, le tecniche elettrofisiologiche sistemiche in vivo sulla macroscala sono il metodo di scelta⁷. Questi approcci includono, tra le altre cose, le registrazioni EEG di superficie (epidurale) e profonde (intracerebrali) che vengono effettuate sia nell’uomo che nei modelli animali¹. I segnali EEG sono prevalentemente basati sull’input sinaptico sincronizzato sui neuroni piramidali in diversi strati corticali che possono essere inibitori o eccitatori in principale, nonostante la predominanza generale dell’input eccitatorio⁸. Dopo la sincronizzazione, gli eccitatori spostamenti post-based potenziali nei campi elettrici extracellulari vengono riassunti per formare un segnale di forza sufficiente per essere registrati sul cuoio capelluto utilizzando elettrodi di superficie. In particolare, una registrazione del cuoio capelluto rilevabile da un singolo elettrodo richiede l’attività di diecimila neuroni piramidali e un complesso armamentario di dispositivi tecnici e strumenti di lavorazione, tra cui un amplificatore, processi di filtraggio (filtro a passa-basso, filtro passa-alto, filtro tacca) ed elettrodi con proprietà specifiche del conduttore.

Nella maggior parte delle specie animali sperimentali (ad esempio topi e ratti), l’approccio EEG del cuoio capelluto basato sull’uomo non è tecnicamente applicabile, in quanto il segnale generato dalla corteccia sottostante è troppo debole a causa del numero limitato di neuroni piramidali sincronizzati^{9, 10,11}. Nei roditori, gli elettrodi superficiali (scalp) o gli elettrodi subdermici sono quindi gravemente contaminati da elettrocardiogramma e prevalentemente artefatti elettromiogramma che rendono impossibili le registrazioni EEG di alta qualità^{9,11, 12}. Quando si utilizzano topi e ratti in movimento libero senza soscia, è quindi obbligatorio registrare direttamente dalla corteccia tramite elettrodi epidurali o dalle strutture profonde e intracerebrali per garantire il collegamento fisico diretto della punta di rilevamento dell’elettrodo piombo/impiantato ai cluster di cellule neuronali che generano segnale. Questi approcci EEG possono essere eseguiti sia in una configurazione di sistema legato restrittivo o utilizzando l’approccio di telemetria radio EEG impiantabile non restraining^9,10,11. Entrambe le tecniche hanno i loro pro e contro e possono essere un approccio prezioso nella caratterizzazione qualitativa e quantitativa della suscettibilità/sequestro delle crisi epilettiche, della ritmicità circadiana, dell’architettura del sonno, dell’attività oscillatoria e della sincronizzazione, compresa l’analisi della frequenza temporale, l’analisi delle fonti, ecc.^{9,10,13,14,15,16,17}.

Mentre i sistemi di tetheing e la telemetria radio consentono rispettivamente le registrazioni EEG in condizioni di contenimento/semirestraining o non di addestramento, le condizioni sperimentali correlate non corrispondono ai requisiti per le registrazioni ABR. Quest’ultima richiesta di stimoli acustici definiti che vengono presentati ripetutamente nel tempo con posizioni definite di un altoparlante e livelli di pressione sonora sperimentale e controllati (SPL). Questo può essere ottenuto sia con la fissazione della testa in condizioni di contenimento o in seguito all’anestesia^18,19. Per ridurre lo stress sperimentale, gli animali sono normalmente anestesizzati durante la sperimentazione ABR, ma va considerato che l’anestesia può interferire con gli ABR^19,20.

Come caratteristica generale, l’EEG è costituito da frequenze diverse in un intervallo di tensione di 50-100 – V. Frequenze di sfondo e ampiezze dipendono fortemente dallo stato fisiologico dell’animale sperimentale. Nello stato di veglia predominano le frequenze beta e gamma (z) con ampiezza inferiore. Quando gli animali si addormentano, si verificano frequenze alfa (z), theta (z) e delta (z) , che presentano una maggiore ampiezza EEG²¹. Una volta stimolato un canale sensoriale (ad esempio, il percorso acustico), la propagazione delle informazioni viene mediata attraverso l’attività neuronale attraverso il sistema nervoso periferico e centrale. Tale stimolazione sensoriale (ad esempio acustica) attiva i cosiddetti EP o risponde alle risposte evocate. In particolare, i potenziali legati agli eventi (ERP) sono molto più bassi rispetto all’EEG (cioè solo alcuni microvolt). Pertanto, ogni singolo ERP basato su un singolo stimolo andrebbe perso in un contesto EEG ad alta ampiezza. Pertanto, una registrazione di un ERP richiede l’applicazione ripetitiva di stimoli identici (ad esempio, clic nelle registrazioni ABR) e la successiva media per eliminare qualsiasi attività e artefatti in background EEG. Se le registrazioni ABR vengono eseguite in animali anestesizzati, è facile usare elettrodi subdermici qui.

Principalmente, gli AEP includono EP a breve latenza, che sono normalmente correlati ad ATAR o BERA, e ulteriori potenziali successivi come eP di midlatency (risposte di midlatency [MLR]) e EP a lunga latenza²². È importante sottolineare che il disturbo nell’elaborazione delle informazioni uditive è spesso una caratteristica centrale delle malattie neuropsichiatriche (malattie demielinanti, schizofrenia, ecc.) e associato a alterazioni AEP^{23,24 ,25}. Mentre le indagini comportamentali sono in grado di rivelare solo un danno funzionale, gli studi AEP consentono un’analisi spatiotemporale precisa della disfunzione uditiva relativa a specifiche strutture neuroanatomiche²⁶.

ADR come primi, breve latenza acusticamente EP sono normalmente rilevati su applicazione di click da moderata ad alta intensa, e ci possono verificarsi fino a sette picchi ABR (W_I-W_VII). Le onde più importanti (W_I-W_V)sono legate alle seguenti strutture neuroanatomiche: W_I al nervo uditivo (porzione distale, all’interno dell’orecchio interno); W_II al nucleo cocleare (parte prossimale del nervo uditivo, terminazione del tronco encefalico); W_III al complesso olivastico superiore (SOC); W_IV al lemniscus laterale (LL); W_V alla terminazione del lemniscus laterale (LL) all’interno del collicolo inferiore (IC) sul lato contralaterale²⁷ (supplementari Figura 1). Va notato che W_II-W_V hanno probabilmente più di una struttura anatomica del percorso uditivo ascendente che li contribuisce. In particolare, l’esatta correlazione dei picchi e delle strutture sottostanti del tratto uditivo non è ancora completamente chiarita.

In audiologia, gli ADR possono essere utilizzati come strumento di screening e diagnostica e per il monitoraggio chirurgico^28,29. È molto importante per l’identificazione di disacusis, ipacusi e anacusie (ad esempio, nella perdita dell’udito legata all’età, perdita dell’udito indotta dal rumore, perdita dell’udito metabolica e congenita e perdita uditiva asimmetrica e deficit uditivi a causa di deformità o malformazioni, lesioni e neoplasmi)²⁸. Gli ADR sono rilevanti anche come test di screening per bambini iperattivi, con disturbi dell’intestino o per altri bambini che non sarebbero in grado di rispondere all’audiometria convenzionale (ad esempio, in malattie neurologiche/psichiatriche come ADHD, SM, autismo ecc.^{29 , 30}) e nello sviluppo e nell’allestimento chirurgico di impianti cocleari²⁸. Infine, le ADR possono fornire preziose informazioni sui potenziali effetti collaterali ototossici dei neuropsicofarmaci, come gli antiepilelettici^31,32.

Il valore della traduzione delle conoscenze neurofisiologiche ottenute da modelli murini farmacologici o transgenici all’uomo è stato dimostrato in numerosi ambienti, in particolare sul livello di ERP nei paradigmi uditivi nei topi e nei ratti^{33, 34,35}. Nuove informazioni sui primi AEP alterati e sui cambiamenti associati nell’elaborazione delle informazioni uditive nei topi e nei ratti possono quindi essere tradotti nell’uomo ed è di importanza centrale nella caratterizzazione e nell’endofenotipizzazione uditiva, neurologica e neuropsichiatriche in futuro. Qui forniamo una descrizione dettagliata di come gli ADR possono essere registrati e analizzati con successo nei topi per scopi scientifici, tossicologici e farmacologici di base.