Optogenetische Stimulation des Hörnervs

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation, 360 Millionen Menschen weltweit leiden unter Hörverlust. In taub Themen, direkte elektrische Stimulation der SGNS von CIs ermöglichen offenen Sprachverständnis in den meisten von ihnen ^1,2,4,5. Auch wenn CIs wurden in mehr als 200.000 Menschen eingepflanzt worden, daher das erfolgreichste Neuroprothese, Sound-Kodierung durch die aktuellen Cochlea-Implantate angetrieben begrenzt. CIs auf elektrische Stimulation durch eine bestimmte Anzahl von Elektroden, wobei jede eine tonotopen Bereich des Gehörnervs unter Umgehung der dysfunktionellen sensorischen Corti-Organ in die Cochlea aktiviert basiert. Normalhörenden kann mehr als 2.000 Frequenzen zu unterscheiden, aber die heutigen CIs nur bis zu 12-22 ⁴ Frequenzkanäle. Dies ist aufgrund der weit verbreiteten Stromfluß von jeder Stimulationselektrode ^7,9, Aktivierung einer großen Anzahl von SGNS, die viele verschiedene Schallfrequenzen ^8,15 repräsentieren. DiesBegrenzung kann mit multipolaren Stimulation, aber auf Kosten einer höheren Leistungsaufnahme ^16,17 verbessert werden. Ihre Ausgangsdynamikbereich für Schallintensität ist auch begrenzt, in der Regel 6-20 dB unter ^4,18. Aus diesen Gründen, die Verbesserung der Häufigkeit und Intensität Auflösung sind wichtige Ziele für die Erhöhung CI Leistung der Spracherkennung in lauten Umgebungen, Prosodie Verständnis und Musikwahrnehmung zu verbessern.

Eine andere Möglichkeit, den Hörnerv stimulieren ist die optische Stimulation. Licht kann bequem ausgerichtet werden, um eine kleine SGN Bevölkerung zielen, und versprach bessere räumliche Begrenzung, die Erhöhung Frequenzauflösung und auch Dynamikbereich erweitert, was zu einer besseren Intensitätsauflösung. Tatsächlich hat Cochlea-Stimulation mit Infrarotlicht hervorragende Frequenzauflösung in Tiermodellen gezeigt, ^10,11,19. Ein Nachteil dieser Art der Stimulation ist, dass es höhere Energie als elektrische Stimulation erfordert <sup> 10,11. Darüber hinaus Bedenken über die Fähigkeit des Verfahrens, um direkt zu stimulieren akustischen Neuronen sind angehoben worden ^12,20.

Als Alternative zu Infrarot-Stimulation, beschäftigen wir Optogenetik zu machen SGNS lichtempfindlich. Optogenetik ist ein neuartiger Ansatz, der genetische und optische Techniken kombiniert, um nicht-invasiv und gezielt zu steuern Zellen mit hoher zeitlicher Genauigkeit ^(21-23 Bewertungen). Die derzeit am häufigsten verwendete Modalität verwendet, die Expression der mikrobiellen Kanalrhodopsin 2 (ChR2) Gen von Chlamydomonas reinhardtii und Varianten davon, ein lichtgesteuerter Kationenkanal ²⁴ kodiert. ChR2 ist ein 7-Trans-Helix-Protein, das, wenn es in Neuronen transduziert und durch blaues Licht aktiviert wird, wirkt als nicht-selektiven Kationenkanal, wodurch die Zellen depolarisierende ^{24 27.} ChR2 ist gut charakterisiert worden ^{24,28- 31} und vielen Varianten wurden entwickelt, um actio ändernn-Spektrum, Gate und Durchlässigkeitseigenschaften ^32,33. Das Ziel unserer Arbeit ist es, Cochlea-Optogenetik für die Aktivierung der Hörbahn zu etablieren. Wir stellen fest, dass die optogenetischen Ansatz für den Hörnerv stimulieren erfordert genetische Manipulation der Spiralganglien für die Expression von Kanalrhodopsin. Arbeiten mit Mäusen und Ratten erlaubt die Verwendung der verfügbaren transgenen Tiere ^13,34,35, welche die Expression des Kanalrhodopsin mit wenig Variabilität entlang der Achse und quer tonotopen Tiere ³⁶ bereitzustellen. Kombination bedingte Allele ³⁷ mit entsprechenden Cre-Linien sorgt für zellspezifische Expression. Gentransfer in die Spiralganglien von anderen Tieren erfordert die Verwendung von Viren wie Adeno-assoziierten Virus, das ein Standard-Ansatz in der Optogenetik ³⁸ ist, und dass wir zeigten in Mäusen ³⁶ gut zu funktionieren. Genetische Manipulation und Expression von Transgenen kodieren Proteine ​​Alien Bär Risiken für Nebenwirkungen wie IMMUne Reaktionen und / oder Proliferation, beeinträchtigt Zustand oder sogar zum Tod von genetisch manipulierten Zellen. Für den Zweck dieser Demonstration verwenden wir transgenen Mäusen, die ChR2 in Spiralganglienneuronen unter der Thy-1-Promotor ¹³ optisch stimulieren die Hörbahn. Wir stellen fest, dass andere Kanalrhodopsin Varianten können für den gleichen Zweck verwendet werden, wie wir mit Virus-vermittelte Übertragung der Variante Catch ¹⁴ in SGNS ³⁹ demonstriert.

Während Cochlea-Optogenetik erfordert genetische Manipulation, bietet es molekulare Tuning für optimierte SGN Stimulation und verspricht verbesserte Häufigkeit und Intensität Auflösung im Vergleich zu elektrischen Stimulation. Optogenetische Stimulation der Hörbahn ist für Gehörforschung von großer Bedeutung. Beispielsweise verspricht Verbesserungen in Studien des aktivitätsabhängigen Ausgestaltung Tonotopie während der Entwicklung in der Analyse der Anforderung für die spektrale Integration in Schall localizatIonen und des Ausmaßes der Wechselwirkung zwischen frequenzspezifischen afferenten Vorsprünge im zentralen auditorischen System.