Koklear Implant ameliyatı ve elektriksel olarak uyarılmış işitsel beyin sapı yanıt kayıtları C57BL/6 farelerde
Summary
Koklear implant hayvan modelleri elektrik stimülasyonu ile kalıcı sensorinöral işitme kaybı tedavisinde teknolojik üsler bilgisine ilerletebilirsiniz. Bu çalışmada akut sağır edici ve fareler hem de işlevsel değerlendirme İşitsel Beyin Sapı Davranım Odyometrisi ile bir elektrot dizinin koklear implantasyon için cerrahi bir Protokolü sunar.
Abstract
Koklear implant (CIS) İşitme duygusu için sağır kişi sağlayabilir neuroprosthetic cihazlardır. Ancak, bir CI işitme tüm yönleriyle geri yükleyemezsiniz. CI kullanıcılar müzik algıladıkları ve rakip Konuşmacılar, yansımaları ve diğer sesleri ile bir sesi işitme gibi daha doğal ortamlarda gerçekleştirmek üzereyseniz implant teknolojisi geliştirilmesi gereklidir. Böyle geliştirme koklea içinde elektrik stimülasyon ve yanıtları tüm işitme sisteminin içinde mekanizmaları daha iyi anlamak için deneysel hayvan gerektirir. Fare birçok genetik model kullanılabilir nedeniyle giderek daha cazip bir modeldir. Ancak, sınırlı bu tür CI model olarak ağırlıklı olarak küçük elektrot dizilerin Reproduction zorluk nedeniyle kullanmaktır. Bu nedenle cerrahi işlem hakkında daha fazla bilgi vardır CI araştırma farelerde kullanımı genişletmek için büyük ilgi.
Bu raporda, akut sağır edici ve C57BL/6 fare zorlanma bir elektrot dizide Koklear implantasyonu için protokolü biz ayrıntılı olarak tarif. Biz bu yordamı elektriksel olarak uyarılmış İşitsel Beyin Sapı Davranım Odyometrisi (eABR) ile fonksiyonel etkinliğini göstermek için ve yüz sinir stimülasyonu örnekleri gösterir. Son olarak, biz de normalde işitme kullanırken sağır edici bir yordam da dahil olmak üzere önemini tartışmak hayvan. Bu fare modeli CI kullanıcılar için konu ile ilgili olurdu genetik ve nörobiyolojik mekanizmaları incelemek için güçlü bir fırsat sağlar.
Introduction
Koklear implant (CIS) İşitme duygusu ağır ve derin işitme kaybı kişilere sağlayabilir elektronik aygıtlardır. Bu doğrudan işitme uyarmak için cerrahi olarak iç kulak koklea içinde implante elektrotlar kullanılır. Bugüne kadar CI en başarılı duyusal protez ve fazla 600.000 kişi dünya çapında1yardımcı oldu. Ancak, cihaz eksiklikleri vardır. İlk olarak, aygıt tarafından sağlanan yararları büyük ölçüde alıcılar arasında değişir. İkinci olarak, gürültülü ortamlarda ve müzik konuşma hala kötü algılanan çoğu CI Kullanıcı tarafından.
Uzun yıllar boyunca, hayvan modelleri CI araştırma bu konuları daha iyi anlamak için ve güvenlik ve cihazların etkinliğini sürekli iyileştirmek için kullanılmıştır. Modelleri çeşitli olaylar, CI implantasyon2, aşağıdaki yer alan beyin plastik değişiklikler gibi değerli fikir verdik kalan işitme3ve biyofiziksel özellikleri korumak için gen tedavisi uygulayarak etkisini elektrikle siniri4, birçok diğer örnekler arasında teşvik.
Fareler güçlü model organizma sağırlık genetik modellerini büyük durumu nedeniyle değildir. Diğer avantajı yeteneği fare genom işlemek için içerir (örneğin, CRISPR-Cas sistemi üzerinden), kullanmak için fırsat mekanizmaları, özellikle de beyin, yüksek üreme hızı, hızlı bir gelişim eğitim teknikleri Imaging gelişmiş ve kolay yetiştirme ve işleme. CI ameliyatları farelerde performans ana teknik sorunları koklea küçük boyutu ve büyük stapedial arter (SA) varlığı vardır. SA genellikle insanlarda embriyonik gelişim sırasında kaldırılır, ancak hayatı, kemirgenler, fare, sıçan ve gerbils dahil olmak üzere bir dizi boyunca devam ederse. SA koklea erişim için sadelik ve cerrahi riski artırır yuvarlak pencere niş altında çalışır.
Önceki çalışmalar fareler5,6,7‘ CI implantasyon fizibilite göstermiştir. Irving vd. kronik intracochlear elektriksel stimülasyon en fazla bir ay için elde edilebilir gösterdi. Akut uyarılması da gerçekleştirildi ancak kayıtları değil sunuldu. Onlar stapedial arter doldurarak işitme eşiği veya sarmal ganglion nöronların sayısı üzerinde önemli bir etkisi vardı ve aminoglikosite paromisin, bir ototoksik ilaç topikal uygulama etkili bir sağır edici işlemi olduğunu gösterdi Fareler5. Soken vd. fare koklea yuvarlak pencereden daha iyi işitme durumu6korumak için değiştirilmiş bir dorsal yaklaşım nitelendirdi. Ekleme bir platin-iridyum tel önemli kalıntı işitme 28 dB (ABR) eşiğinde bir artan İşitsel Beyin Sapı Davranım Odyometrisi ile gözlenmiştir. Otoacoustic emisyon (OAE) büyük ABR eşik vardiya6ile hayvanlarda kaybedildi. Mistry vd., elektrik stimülasyon7yokluğunda implantasyon işlevsel ve histopatolojik etkileri test. Rağmen işitme farelerde 3 ve 6 ay-eski implante düşük frekanslarda korundu, implantasyon fibrozis gibi doku implant etrafında ve çevresinde bullostomy7osteoneogenesis sonuçlandı.
Kısacası, farelerde dışında üç çalışmalar BDT Tarih, tek CI uyarım fonksiyonel kaydını gösterir. Irving ve arkadaşları hem akut ve kronik eABR kayıtları yapılır ama yalnızca veri kronik CI uyarım5gösterdi. Ancak, kronik modeli Irving vd tarafından geliştirilen tam implante edilebilir bir aygıt ile teknik olarak zordur. Akut CI uyarım, hem daha az zor ve daha hızlı, benzer sonuçlar elde edebilirsiniz Eğer henüz bilinmemektedir.
CIS artık işitme cihazları yarar ciddi ve derin işitme kaybı olan kişiler tarafından kullanılır. CI kullanıcılar için hayvan modelleri bu nedenle zaman normalde hayvanlar kullanılan işitme sağır edici bir yordam içermelidir. İşitme hayvanlar gerekirse mi çarpışacağız bir başka bir sağır veya işitme koklea elektriksel stimülasyon farklı sinirsel tepkiler4,8,9,10,11, üreten nedendir 12. bir sağır koklea elektriksel stimülasyon doğrudan işitsel sinir lifleri etkinleştirir ve bir electroneural yanıt (α) oluşturur. Kısa gecikme süresi ve küçük bir dinamik alan çevre8,10ile karakterizedir. Öte yandan, elektrik stimülasyon işitme koklea saç hücreleri uzun gecikmeleri ve daha geniş dinamik alan4,11ile karakterize bir electrophonic tepki (β) heyecanlandırıyor. Electrophonic yanıt sinir lifleri normal uyarma için iç saç hücreleri, dış saç hücrelerinin elektriksel olarak bağlı kasılma ve seyahat eden bir dalga4nesil tarafından atfedilir. Electroneural ve electrophonic yanıt da merkezi sinir sistemi9iki farklı etkinlik şekillerindeki neden. Sato ve ark. orta nöronlar implante CI eskiden şiling şimdi domuz bir önce ve sonra electrophonic katkı ortadan kaldırır paromisin ile kulakları sağır kaydetti. Onlar oranı düzeyinde işlev eğimini dik ve yüksek deafened durumda işitme durumu9‘ a göre oranları ateş gösterdi. Bu nedenle, belirtilen araştırma soru bağlı olarak, ayrı electrophonic ve electroneural yanıt işitme elektrik stimülasyon üzerine sağır edici dahil etmeyi düşünün önemlidir.
Burada, bir fare bir elektrot dizide koklear implantasyon yanı sıra elektrikle uyarılmış İşitsel Beyin Sapı Davranım Odyometrisi (eABR) ile intracochlear elektrik stimülasyon ve fonksiyonel kayıt ve akut sağır edici yordamı açıklar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu el yazması akut sağır edici ve fare, aynı zamanda CI uyarım İşitsel Beyin Sapı Davranım Odyometrisi ile fonksiyonel değerlendirilmesi Koklear implantasyonu için cerrahi yaklaşım anlatılmaktadır. Fare koklea küçük olmasına rağmen ve zorlu cerrahi, CI fare modeli mümkün olduğunu ve işitsel araştırma değerli bir araç olarak hizmet vermektedir.
Stapedial arter fare orta kulakta mevcuttur. Arter bulla arka-hemen girer ve kasılır yuvarlak pencere niş ile çalışır ve sonra onu oval pencere niş konumlanmıştır. Fare modeli ilk gelişiminde, Biz esas olarak bulla erişilirken ölümcül intraoperatif kanama aşağıdaki travma stapedial arter için deneyimli. Sonuç olarak, daha sınırlı bir yaklaşım uyarlanmış ve daha küçük, zarif diseksiyon adımda bulla erişilebilir. Kanama nedeniyle daha da komplikasyon bundan sonra tespit edildi. Büyük bir özen ve dikkat ameliyat sırasında alınır sürece o stapedial arter Koterizasyon fareler5, bizce, işitme eşiği veya sarmal ganglion nöronların sayısı önemli etkisi yoktur aslında rağmen bu gereksizdir. Biz iyi psikomotor becerilerini geliştirmek ve teknik yeterlilik ulaşmak için gereken zaman ayırdığınız öneririz. Kapatma implante elektrot dizi çevresinde ilk kesi ortalama süre genellikle 1-1,5 saat var.
Açıklanan akut CI cerrahi farelerde “ventral” yordamı ve fareler ve gerbils20,21,22de dahil olmak üzere diğer kemirgen içinde kullanılan yuvarlak pencere ekleme benzer. Diğer kemirgen çalışmaları “dorsal yaklaşım” Bazal dönüş cochleostomy sa nın tamamen kaçınmak ve daha derin6,23,24dizi ekleme bir yuvarlak pencere ekleme yerine kullanmış. Kronik stimulasyon derleme farelerde implantasyonu implant ve ameliyat sonrası bakım5düzeltmek için Dacron kafes ilavesi ile bu iletişim kuralı açıklandığı gibi aynı adımlar izlenir.
Ana teknik zorluklar CI ameliyatları farelerde gerçekleştirirken fareler ve gerbils koklea ve büyük bir SA varlığı ile karşılaştırıldığında koklea küçük boyutu vardır. SA sıçanlar değil gerbils ama olan de vardır. Fare fareler ve gerbils küçük olduğundan, buna ek olarak, onlar için cerrahi işlemler daha savunmasızdır.
Electrophonic yanıt eABR kayıtları ortadan kaldırmak için ve saç hücre kaybı çoğu CI Kullanıcı içinde bulunan taklit etmek için biz hayvanlar CI ekleme önce sağır. Fareler çünkü sistemik aminoglikozitler ototoksisite neden için gerekli konsantrasyonları bir dar doz pencere ototoxically içinde vivo25 gerekirse mi çarpışacağız zor: alt Oysa hiçbir saç hücre kaybı birkaç gün sonuçlarında verilen doz tek bir enjeksiyon daha yüksek bir doz-ebilmek var olmak öldürücü26. Ayrıca, aminoglikozitler duyarlılık zorlanma bağımlı26yaşında. Ancak, aminoglikozitler bir döngü idrar söktürücü ile birlikte tek bir doz aşırı dış saç hücre kaybı olmadan ölümcül sonuçları27CBA/CaJ farelerde üretebilir gösterilmiştir. Gecikmeli iç saç hücre ölümü tüm muayene cochleae27yarısı bildirildi.
Bu makale, biz son zamanlarda C57BL/6 fareler5için kurulmuş Protokolü esinlenerek aminoglikozitler paromisin topikal uygulama kullanılır. Paromisin akut uygulanması önemli ölçüde tıklayın uyarılmış işitme eşiği artan 46 dB ± 6,1 tarafından. Bu artış Irving vd tarafından bildirilen 35 dB artış daha büyük olmasına rağmen (ön vs ameliyat sonrası: 41.6 dB ± 3.3 vs 76,6 dB ± 4.4, p = 0.02, n = 3) 5, aynı sonrası sağır edici eşik (75,7 dB ± 3.7 vs 76,6 dB ± 4.4) elde etti. iç saç hücre kaybı27gerçekleşmesi için daha fazla zaman alır gibi % 0.05 paromisin hızlı dış saç hücre ölümü, ağırlıklı olarak işitme kaybına neden bir kısmi düşünülmektedir. Bu nedenle mümkün olan bu electrophonic, her ikisi için de iç yanıtını ve dış saç hücreleri4,8,9,10,11,12, biricik kalan işitme ile Sağır Hayvanlarda kısmen ortadan kaldırılmıştır. Rağmen % 0.05 (ağırlık/hacim) paromisin 4 hafta5sonrası sağır edici sarmal ganglion nöronların sayısı azalmaz, olduğunu paromisin bizim akut kurulumunda işitsel sinir lifleri etkiler veya synaptopathy (sinapslarda kaybı teşvik bilinmeyen iç saç hücreleri ve türü arasındaki ben işitsel lifleri sinir). Başka bir belirsizlik topikal paromisin tedavi tekdüze dağılım koklea boyunca saç hücre kaybı üretmek olmayabilir olduğunu. Gelecekteki çalışmalar bu sorulara cevap vermek gerekir.
Özet olarak, genetik modeller için insan sağırlık ve biyokimyasal araçlar için giderek artan sayıda fare işitsel araştırma CIS alanı dahil olmak üzere için çekici bir hayvan model olun.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Pierre Stahl, Oticon tıp, Nice, Fransa, belgili tanımlık hayvan stimülasyon Platform ve tavsiye stimülasyon paradigmalar ve James B. Fallon ve Andrew K. akıllı biyonik Enstitüsü’nden, Melbourne, Avustralya, cerrahi tavsiye için verdiğiniz için teşekkür ederiz istiyorum . Bu eser İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (ERC transfer grant T.R.B. için) bir hibe tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Hardware | |||
| Sound-proof booth | IAC Acoustics, Winchester, UK | Mac-2 Enclosure RF Shielded Box 2A | |
| MF1 Speaker | Tucker Davis Technologies (TDT), FL, USA | ||
| PCB microphone | PCB Piezotronics, Inc, NY, USA | Model 378C01 | |
| Low impedance headstage | TDT, FL, USA | RA4LI | |
| Medusa pre-amplifier | TDT, FL, USA | RA4PA | |
| RZ6 auditory processor | TDT, FL, USA | ||
| Animal Stimulator Platform | ASP, Oticon Medical, Nice, France | ||
| Multimeter | Fluks | #115 | |
| Surgical equipment | |||
| Closed-loop heating pad | FHC, Inc. ME, USA | ||
| Eye ointment | Alcon, CH | Lacrinorm Augengel | |
| Acoustic foam | Otoform Ak, Dreve Otoplastik GmbH | #464 | |
| Disposable subdermal needle electrodes | Horizon, Rochester Electro-Medical Inc. | S83018-R9, 27G | |
| Self-retaining retractor tool (Mini Collibri Retractor) | Fine Science Tools | #17000-01 | |
| Suction wedges | Agnthos, SE | #42-886-460 | |
| Absorbable paper point (Medium) | WPI, FL, USA | #504182 | |
| Intracochlear electrode array | Bionics Institute, Melbourne, Australia | 4 channel | |
| Spongostan Standard | Ferrosan Medical Devices | #MS0002 | |
| Tissue glue. Loctite 4161 Superbond | Henkel | Part No 19743 | |
| Animal Stimulator Platform (ASP) | Oticon Medical, Nice, France | ||
| Drugs/chemicals | |||
| Ketamine (Narketan) | Provet AG, CH | 100mg/mL, #VQ_320265 | |
| Xylazine (Rompun) | Provet AG, CH | Inj Diss 2%, # 1315 | |
| Bupivacaine | Compendium, CH | Bupivacain Sintetica inj Diss 0.5% | |
| Atropine (Atropinesulfat Amino) | Amino AG, CH | 1 mg/ml | |
| Betadine (Povidone/iodine) | Provedic, CH | ||
| Neomycin (Neomycin trisulfate salt) | Sigma | N1876-25G, Lot#WXBB7516V | |
| Software | |||
| BioSigRZ | TDT, FL, USA | ||
| Matlab | MathWorks, MA, USA | ||
| ASP software | Oticon Medical, Nice, France |
References
- The-Ear-Foundation. . Cochlear Implants Update. , (2018).
- Fallon, J. B., Irvine, D. R. F., Shepherd, R. K. Cochlear Implants and Brain Plasticity. Hearing Research. 238 (1-2), 110-111 (2008).
- Pfingst, B. E., et al. Neurotrophin Gene Therapy in Deafened Ears with Cochlear Implants: Long-term Effects on Nerve Survival and Functional Measures. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 18 (6), 731-750 (2017).
- Miller, C. A., et al. Electrical excitation of the acoustically sensitive auditory nerve: single-fiber responses to electric pulse trains. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 7 (3), 195-210 (2006).
- Irving, S., et al. Cochlear implantation for chronic electrical stimulation in the mouse. Hearing Research. 306, 37-45 (2013).
- Soken, H., et al. Mouse cochleostomy: a minimally invasive dorsal approach for modeling cochlear implantation. Laryngoscope. 123 (12), E109-E115 (2013).
- Mistry, N., Nolan, L. S., Saeed, S. R., Forge, A., Taylor, R. R. Cochlear implantation in the mouse via the round window: effects of array insertion. Hearing Research. 312, 81-90 (2014).
- Hartmann, R., Topp, G., Klinke, R. Discharge patterns of cat primary auditory fibers with electrical stimulation of the cochlea. Hearing Research. 13 (1), 47-62 (1984).
- Sato, M., Baumhoff, P., Kral, A. Cochlear Implant Stimulation of a Hearing Ear Generates Separate Electrophonic and Electroneural Responses. The Journal of Neuroscience. 36 (1), 54-64 (2016).
- Pfingst, B. E., Spelman, F. A., Sutton, D. Operating ranges for cochlear implants. Annals of Otology, Rhinology & Laryngology. 89 (2), (1980).
- Miller, C. A., Hu, N., Zhang, F., Robinson, B. K., Abbas, P. J. Changes across time in the temporal responses of auditory nerve fibers stimulated by electric pulse trains. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 9 (1), 122-137 (2008).
- Shepherd, R. K., Javel, E. Electrical stimulation of the auditory nerve. I. Correlation of physiological responses with cochlear status. Hearing Research. 108 (1-2), 112-144 (1997).
- Akil, O., Oursler, A. E., Fan, K., Lustig, L. R. Mouse Auditory Brainstem Response Testing. Bio Protocol. 6 (6), (2016).
- Willott, J. F. Measurement of the auditory brainstem response (ABR) to study auditory sensitivity in mice. Current Protocols in Neuroscience. Chapter 8 (Unit 8.21B. , (2006).
- TDT. . ABR User Guide: A Guide to ABR Testing with the System 3 RZ6. , (2017).
- Muller, M., von Hunerbein, K., Hoidis, S., Smolders, J. W. A physiological place-frequency map of the cochlea in the CBA/J mouse. Hearing Research. 202 (1-2), 63-73 (2005).
- Cushing, S. L., Papsin, B. C., Gordon, K. A. Incidence and characteristics of facial nerve stimulation in children with cochlear implants. Laryngoscope. 116 (10), 1787-1791 (2006).
- Berrettini, S., Vito, D. A., Bruschini, L., Passetti, S., Forli, F. Facial nerve stimulation after cochlear implantation: our experience. Acta Otorhinolaryngologica Italica. 31 (1), 11-16 (2011).
- Hu, H., Kollmeier, B., Dietz, M. Reduction of stimulation coherent artifacts in electrically evoked auditory brainstem responses. Biomedical Signal Processing and Control. 21, 74-81 (2015).
- Wiegner, A., Wright, C. G., Vollmer, M. Multichannel cochlear implant for selective neuronal activation and chronic use in the free-moving Mongolian gerbil. Journal of Neuroscience Methods. 273, 40-54 (2016).
- Hessel, H., et al. Meriones unguiculatus (Gerbil) as an animal model for the ontogenetic cochlear implant research. American Journal of Otolaryngology. 18 (S21), (1997).
- Pinilla, M., Ramirez-Camacho, R., Jorge, E., Trinidad, A., Vergara, J. Ventral approach to the rat middle ear for otologic research. Otolaryngology Head Neck Surgery. 124 (5), 515-517 (2001).
- King, J., Shehu, I., Roland, J. T., Svirsky, M. A., Froemke, R. C. A physiological and behavioral system for hearing restoration with cochlear implants. Journal of Neurophysiology. 116 (2), 844-858 (2016).
- Lu, W., Xu, J., Shepherd, R. K. Cochlear implantation in rats: a new surgical approach. Hearing Research. 205 (1-2), 115-122 (2005).
- Poirrier, A. L., et al. Ototoxic drugs: difference in sensitivity between mice and guinea pigs. Toxicology Letters. 193 (1), 41-49 (2010).
- Wu, W. J., et al. Aminoglycoside ototoxicity in adult CBA, C57BL and BALB mice and the Sprague-Dawley rat. Hearing Research. 158 (1-2), 165-178 (2001).
- Taylor, R. R., Nevill, G., Forge, A. Rapid hair cell loss: a mouse model for cochlear lesions. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 9 (1), 44-64 (2008).
