Optogenetische stimulatie van de gehoorzenuw

Volgens de World Health Organization, 360 miljoen mensen wereldwijd lijden aan gehoorverlies. In dove proefpersonen, directe elektrische stimulatie van Sgns door CIS staat geopend spraakverstaan ​​in de meerderheid van hen ^1,2,4,5. Ook al CI geïmplanteerd bij meer dan 200.000 mensen, dus de meest succesvolle neuroprothese, geluid codering gedreven door de huidige cochleaire implantaten is beperkt. CI's door elektrische stimulatie een aantal elektrodes waar iedereen activeert een tonotopische gebied van de gehoorzenuw aldus de disfunctionele sensorische orgaan van Corti omzeilen in de cochlea. Normaal horende luisteraars kunnen discrimineren meer dan 2000 frequenties, maar de huidige CI's gebruiken slechts tot 12-22 frequentie kanalen ^4. Dit komt door wijdverspreide stroom uit elke prikkelelektrode ^7,9 activering van een groot aantal Sgns dat vele verschillende geluidsfrequenties ^8,15 vertegenwoordigen. Dezebeperking kan worden verbeterd met behulp van multipolaire stimulatie, maar ten koste van hogere stroomverbruik ^16,17. Hun output dynamisch bereik voor geluid intensiteit is ook beperkt, meestal onder de 6-20 dB ^4,18. Om deze redenen, het verbeteren van de frequentie en intensiteit resolutie zijn belangrijke doelstellingen voor het verhogen van CI prestaties om spraakherkenning te verbeteren in rumoerige omgevingen, prosodie begrip en muziekbeleving.

Een andere optie om de gehoorzenuw stimuleren is optische stimulatie. Licht kan gemakkelijk worden gericht op een kleine populatie SGN target veelbelovende betere ruimtelijke opsluiting toenemende frequentie resolutie en ook groter dynamisch bereik, wat resulteert in een betere resolutie intensiteit. Inderdaad, cochleaire stimulering met infrarood licht heeft uitstekende frequentieresolutie in diermodellen ^10,11,19. Een nadeel van dergelijke stimulatie is dat het hogere energieën dan elektrische stimulatie vereist <sup> 10,11. Bovendien zijn zorgen over het vermogen van de methode om direct te stimuleren auditieve neuronen geuit ^12,20.

Als alternatief voor infrarode stimulatie, in dienst nemen we optogenetics te renderen Sgns licht gevoelig. Optogenetics is een nieuwe benadering die genetische en optische technieken combineert non-invasively en specifiek controle cellen met hoge temporele precisie (reviews ^{21 en 23).} De momenteel meest gebruikte modaliteit stelt de expressie van microbiële channelrhodopsin 2 (ChR2) gen van Chlamydomonas reinhardtii en varianten daarvan, coderend voor een lichte-gated kation kanaal ^24. ChR2 is een 7-transmembraan-helix eiwit dat bij getransduceerd tot neuronen en geactiveerd door blauw licht, fungeert als niet-selectief kation-kanaal, waardoor depolariseren de cellen ^24-27. ChR2 is goed gekarakteriseerd ^{24,28- 31} en veel varianten ontwikkeld om actio wijzigenn spectrum, poorten en permeabiliteitseigenschappen ^32,33. Het doel van ons werk is cochleair optogenetics stellen voor de activering van de gehoorbaan. We merken dat de optogenetic benadering van de gehoorzenuw stimuleren vereist genetische manipulatie van de ganglion spirale voor de expressie van channelrhodopsin. Werken met muizen en ratten maakt het gebruik van beschikbare transgene dieren ^13,34,35, die expressie van channelrhodopsin bieden weinig variabiliteit langs de tonotopische as en in dieren ^36. De combinatie van voorwaardelijke allelen ³⁷ met de juiste Cre-lijnen zorgt voor cel-specifieke expressie. Genoverdracht in de ganglion spirale andere dieren het gebruik van virussen zoals adeno-geassocieerd virus dat een standaard aanpak optogenetics ³⁸ en dat we bleek goed in muizen ^36. Genetische manipulatie en expressie van transgenen coderend buitenaardse eiwitten beer risico op bijwerkingen zoals immune reacties en / of proliferatie, gecompromitteerde toestand of zelfs de dood van de genetisch gemanipuleerde cellen. Ten behoeve van deze demonstratie gebruiken we transgene muizen die ChR2 in ganglion spirale neuronen onder Thy-1 promotor ¹³ optisch stimuleren gehoorbaan. We merken dat andere channelrhodopsin varianten kunnen worden gebruikt voor hetzelfde doel als we aangetoond met virus-bemiddelde overdracht van de variant val ¹⁴ in Sgns ^39.

Terwijl cochleair optogenetics vereist genetische manipulatie, het biedt moleculaire afstelling voor optimale SGN stimulatie en beloften verbeterde frequentie en intensiteit resolutie in vergelijking met elektrische stimulatie. Optogenetische stimulatie van de auditieve route is zeer relevant voor het horen van het onderzoek. Zo belooft vooruitgang in studies van de activiteit-afhankelijke verfijning van tonotopy tijdens de ontwikkeling, in de analyse van de vereiste spectrale integratie geluid localization en de mate van interactie tussen frequentiespecifieke afferente projecties in het centrale auditieve systeem.