Optogenetic Стимуляция слухового нерва

По данным Всемирной организации здравоохранения, 360 миллионов человек во всем мире страдают от потери слуха. В глухих субъектов, прямое электрическая стимуляция SGNs цис обеспечить открытый понимания речи в большинстве из них ^1,2,4,5. Даже при том, ДИ были имплантированы в более чем 200 тысяч людей, поэтому является наиболее успешным neuroprosthesis, звук кодирования обусловлен текущими кохлеарных имплантов ограничено. ДИ на основе электрической стимуляцией с помощью определенного количества электродов, где каждый из них активирует tonotopic область слухового нерва, таким образом, минуя дисфункциональное сенсорную орган Корти в улитке. Нормальный слух слушатели могут дискриминировать более 2000 частот, однако сегодняшние ДИ использовать только до 12-22 частотных каналов ^4. Это связано с широко распространенной тока от каждого стимулирующего электрода ^7,9, активируя большое количество SGNs, которые представляют собой множество различных звуковых частот ^8,15. Этоограничение может быть улучшена с помощью многополярного стимуляцию, но за счет более высокое энергопотребление ^16,17. Их выход динамический диапазон для интенсивности звука также ограничен, как правило, ниже 6-20 дБ ^4,18. По этим причинам, улучшения частоты и разрешения, интенсивность являются важными задачами для повышения производительности CI для улучшения распознавания речи в шумной обстановке, стихосложения понимания и восприятия музыки.

Другой вариант, чтобы стимулировать слуховой нерв является оптический стимуляция. Свет может быть легко направлены в целевой небольшое население SGN, обещает более пространственного ограничения, повышение разрешающей способности по частоте, а также расширение динамического диапазона, в результате чего более высоким разрешением интенсивности. Действительно, кохлеарная стимуляция инфракрасного света показал отличную частотное разрешение на животных моделях ^10,11,19. Одним из недостатков этого вида стимуляции является то, что он требует более высоких энергий, чем электрической стимуляцией <suр> 10,11. Кроме того, опасения по поводу способности метода напрямую стимулировать слуховые нейроны были подняты ^12,20.

В качестве альтернативы инфракрасной стимуляции, мы используем optogenetics оказывать SGNs чувствительна к свету. Optogenetics является новым подходом, который сочетает в себе генетические и оптические методы неинвазивного и специально контрольными клетками с высоким временным точностью (отзывы ^{21- 23).} В настоящее время наиболее часто используется модальность использует выражение микробного channelrhodopsin 2 (ChR2) гена Chlamydomonas reinhardtii и их варианты, кодирующую легкую закрытого катионов канал ^24. ChR2 является 7-трансмембранный-спираль белок, который, когда трансдуцированных в нейроны и активируется синим светом, выступает в качестве неселективного канал катион, таким образом, деполяризации клеток ^{24- 27.} ChR2 был хорошо охарактеризован ^{24,28- 31} и многие варианты были разработаны, чтобы изменить ACTIOн спектр, стробирующие свойства и проницаемость ^32,33. Целью нашей работы является установление кохлеарного optogenetics для активации слухового пути. Отметим, что optogenetic подход к стимулируют слуховой нерв требуется генетическую манипуляцию спирального ганглия для выражения channelrhodopsin. Работа с мышами и крысами позволяет использовать доступные трансгенных животных ^13,34,35, которые обеспечивают экспрессию channelrhodopsin с небольшой изменчивостью вдоль оси tonotopic и через ³⁶ животных. Сочетание условных аллелей ³⁷ с соответствующими CRE-строк предусматривает выражения клеточно-специфической. Перенос гена в спирального ганглия других животных требует использования вируса, таких как адено-ассоциированный вирус, который является стандартным подходом в optogenetics ^38, и что мы показали свою эффективность в мышей ^36. Генетические манипуляции и выражение трансгенов, кодирующих чужеродные протеины несут риски для побочных эффектов, таких как IMMUпе ответы и / или распространение, угрозу состояние или даже смерть генетически модифицированных клеток. Для этой демонстрации мы используем трансгенных мышей, экспрессирующих ChR2 в спиральных нейронов ганглиев под Thy-1 промотора ¹³ оптически стимулировать слуховые пути. Отметим, что другие варианты channelrhodopsin могут быть использованы с той же целью, как мы показали, используя вирус-опосредованной передаче варианта поймать ¹⁴ в SGNs ^39.

В то время как кохлеарная optogenetics требуется генетические манипуляции, он предлагает молекулярную настройки для оптимизации стимуляции SGN и обещания улучшить частоту и разрешение интенсивности по сравнению с электрической стимуляции. Optogenetic стимуляция слухового пути очень важен для слуха исследования. Например, он обещает успехи в изучении деятельности зависит от уточнения tonotopy в процессе разработки, в анализе потребности в спектральной интеграции в звуковой localizatионов и от степени взаимодействия частотно-специфических афферентных проекций в центральной слуховой системы.