Stimolazione optogenetic del nervo uditivo

Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità, 360 milioni di persone nel mondo soffrono di perdita dell'udito. Nei soggetti non udenti, la stimolazione elettrica diretta del SGNs da CIS abilitare aperto comprensione discorso nella maggior parte di essi ^1,2,4,5. Anche se i CI sono stati impiantati in più di 200.000 persone, quindi essendo il neuroprosthesis di maggior successo, la codifica audio guidato dagli attuali impianti cocleari è limitata. CI sono basati su stimolazione elettrica di un certo numero di elettrodi in cui ognuno attiva una regione tonotopic del nervo uditivo bypassando così l'organo sensoriale disfunzionale del Corti nella coclea. Ascoltatori udito normale possono discriminare più di 2.000 frequenze, tuttavia IC odierni utilizzano solo fino a 12-22 canali di frequenza ^4. Ciò è dovuto alla diffusa flusso di corrente da ciascun elettrodo stimolante ^7,9, attivando un gran numero di SGNs che rappresentano molte diverse frequenze sonore ^8,15. Questolimitazione può essere migliorata mediante stimolazione multipolare ma a scapito di una maggiore potenza assorbita ^16,17. La loro uscita gamma dinamica per intensità del suono è anche limitata, di solito sotto 6-20 dB ^4,18. Per queste ragioni, migliorando la frequenza e la risoluzione intensità sono obiettivi importanti per aumentare le prestazioni CI per migliorare il riconoscimento vocale in ambienti rumorosi, comprensione prosodia e percezione musicale.

Una scelta diversa per stimolare il nervo uditivo è la stimolazione ottica. La luce può essere focalizzata comodamente a bersaglio una piccola popolazione SGN, promettendo una migliore confinamento spaziale, aumentando la risoluzione di frequenza e ampliare anche la gamma dinamica, con conseguente risoluzione intensità migliore. Infatti, la stimolazione cocleare con luce infrarossa ha dimostrato un'eccellente risoluzione in frequenza in modelli animali ^10,11,19. Uno svantaggio di questo tipo di stimolazione è che richiede energie superiori a stimolazione elettrica <sup> 10,11. Inoltre, le preoccupazioni circa la capacità del metodo di stimolare direttamente i neuroni uditivi sono state sollevate ^12,20.

In alternativa alla stimolazione infrarossi, impieghiamo optogenetics rendere SGNs sensibile alla luce. Optogenetics è un nuovo approccio che combina tecniche genetiche e ottici per non invasivo e controllo specificamente cellule con alta precisione temporale (recensioni ^{21- 23).} La modalità attualmente utilizzata più frequentemente impiega l'espressione del microbica channelrhodopsin 2 (ChR2) gene di Chlamydomonas reinhardtii e sue varianti, che codifica per un canale cationico luce-dipendenti ^24. ChR2 è una proteina transmembrana-7-elica che, quando trasdotto in neuroni e attivato dalla luce blu, agisce come canale cationico non selettivo, depolarizzanti così le cellule ^{di 24 27.} ChR2 è stato ben caratterizzato ^{24,28- 31} e molte varianti sono state sviluppate per modificare action spettro, gating e permeabilità proprietà ^32,33. Lo scopo del nostro lavoro è quello di stabilire optogenetics cocleare per l'attivazione della via uditiva. Notiamo che l'approccio optogenetic per stimolare il nervo uditivo richiede manipolazione genetica del ganglio spirale per l'espressione di channelrhodopsin. Lavorando con topi e ratti consente l'utilizzo di animali transgenici disponibili ^13,34,35, che forniscono espressione di channelrhodopsin con poca variabilità lungo l'asse tonotopic e attraverso gli animali ^36. La combinazione di alleli condizionali ³⁷ con le opportune linee Cre prevede per l'espressione specifica delle cellule. Il trasferimento genico nel ganglio spirale di altri animali richiede l'uso di virus come il virus adeno-associato che è un approccio standard in optogenetics ³⁸ e che abbiamo dimostrato di lavorare bene nei topi ^36. La manipolazione genetica ed espressione di transgeni codificanti per proteine ​​estranee rischi orso di effetti negativi come immurisposte e / o proliferazione ne, condizione compromessa o addirittura la morte delle cellule geneticamente manipolate. Ai fini di questa dimostrazione usiamo topi transgenici che esprimono ChR2 nei neuroni gangliari a spirale sotto il Thy-1 promotore ¹³ per stimolare visivamente il percorso uditivo. Notiamo che altre varianti channelrhodopsin possono essere utilizzati per lo stesso scopo, come abbiamo dimostrato con il trasferimento virus-mediata delle catture variante ¹⁴ in SGNs ^39.

Mentre optogenetics cocleare richiede manipolazione genetica, che offre la sintonizzazione molecolare per la stimolazione SGN ottimizzata e promesse migliorato la frequenza e la risoluzione di intensità rispetto alla stimolazione elettrica. Stimolazione optogenetic della via uditiva è molto rilevante per ascoltare la ricerca. Ad esempio, promette progressi negli studi della raffinatezza attività-dipendente di tonotopy durante lo sviluppo, nell'analisi del requisito di integrazione spettrale localizat suonoione e del grado di interazione tra specifica frequenza proiezioni afferenti al sistema uditivo centrale.