Optogenetic Stimulering av hørselsnerven

Ifølge Verdens helseorganisasjon, 360 millioner mennesker verden over lider av hørselstap. I døve fag, direkte elektrisk stimulering av SGNs fra IT aktivere åpen tale forståelse i de fleste av dem ^1,2,4,5. Selv om CI'er har blitt implantert i mer enn 200.000 mennesker, derfor er det mest vellykkede neuroprosthesis, lyd koding drevet av dagens cochleaimplantat er begrenset. SUS er basert på elektrisk stimulering av et visst antall elektroder hvor hver enkelt aktiverer en tonotopic regionen i hørselsnerven og dermed omgå dysfunksjonell sensoriske organ Corti i sneglehuset. Normal hørsel lyttere kan diskriminere mer enn 2000 frekvenser, men dagens CI'er bruker bare opp til 12-22 frekvenskanaler ^fire. Dette er på grunn av utstrakt strømgjennomgang fra hver stimulerende elektrode ^7,9, aktivere et stort antall SGNs som representerer mange forskjellige lydfrekvenser ^8,15. DetteBegrensningen kan forbedres ved hjelp av multipolar stimulering, men på bekostning av høyere strømforbruk ^16,17. Deres produksjon dynamisk område for lyd intensitet er også begrenset, vanligvis under 6-20 dB ^4,18. For disse grunner, bedre frekvens og intensitet oppløsning er viktige mål for å øke CI ytelse for å bøte talegjenkjenning i støyende omgivelser, prosodi forståelse og musikk persepsjon.

Et annet alternativ for å stimulere hørselsnerven er optisk stimulering. Lys kan være beleilig fokusert for å målrette en liten SGN befolkning, lovende bedre romlig innesperring, økende frekvens oppløsning og også utvide dynamisk område, noe som resulterer i en bedre intensitet oppløsning. Faktisk har cochlea stimulering med infrarødt lys vist utmerket frekvensoppløsning i dyremodeller ^10,11,19. En ulempe ved denne type stimulering er at den krever høyere energier enn elektrisk stimulering <sup> 10,11. Videre har bekymringer om muligheten av metoden stimulere direkte auditive nevroner blitt reist ^12,20.

Som et alternativ til infrarød stimulering, ansetter vi optogenetics å gjengi SGNs lys sensitive. Optogenetics er en ny tilnærming som kombinerer genetiske og optiske teknikker til ikke-invasiv og spesielt kontrollere celler med høy tidsmessig presisjon (anmeldelser ^{21- 23).} Den for tiden mest brukte modalitet anvender uttrykket av den mikrobielle channelrhodopsin 2 (ChR2) genet av Chlamydomonas reinhardtii og varianter derav, som koder for et lys-gated kation kanalen ^24. ChR2 er en syv-transmembran-helix protein som, når det omformet til neuroner og aktiveres av blått lys, virker som ikke-selektivt kation-kanal, og dermed depolariserende cellene ^{24- 27.} ChR2 har blitt godt karakterisert ^{24,28- 31} og mange varianter er blitt utviklet for å modifisere Action spekteret, gating og permeabilitet egenskaper ^32,33. Målet med vårt arbeid er å etablere cochlea optogenetics for aktivering av hørselsbanen. Vi merker oss at den optogenetic tilnærming for å stimulere hørselsnerven krever genetisk manipulering av spiral ganglion for uttrykket av channelrhodopsin. Arbeide med mus og rotter tillater bruk av tilgjengelige transgene dyr ^13,34,35, som gir uttrykk for channelrhodopsin med liten variasjon langs tonotopic akse og på tvers av ³⁶ dyr. Kombinere betingede alleler ³⁷ med passende Cre-linjer gir for celle-spesifikke uttrykk. Genoverføring inn i spiral ganglion av andre dyr krever bruk av virus som adenoassosiert virus som er en standard tilnærming i optogenetics ³⁸ og at vi viste seg å fungere godt i mus ^36. Genetisk manipulering og uttrykk av transgener som koder fremmede proteiner bjørn risiko for bivirkninger som immungne svar og / eller spredning, kompromittert tilstand eller død av genetisk manipulerte celler. For hensikten med denne demonstrasjonen bruker vi transgene mus som uttrykker ChR2 i spiral ganglion nevroner under Thy-en promotor ¹³ til optisk stimulere hørselsbanen. Vi merker oss at andre channelrhodopsin varianter kan brukes for samme formål som vi demonstrert ved hjelp av virus-mediert overføring av variant fange ¹⁴ inn SGNs ^39.

Mens cochlea optogenetics krever genetisk manipulasjon, og tilbyr molekylær tuning for optimalisert SGN stimulering og løfter forbedret frekvens og intensitet oppløsning sammenlignet med elektrisk stimulering. Optogenetic stimulering av hørselsbanen er svært relevant for å høre forskning. For eksempel, lover den fremskritt i studier av aktiviteten-avhengige foredling av tonotopy under utvikling, i analysen av kravet for spektral integrering i lyd localization og av omfanget av samspillet mellom frekvensspesifikke afferente anslag i det sentrale auditive system.