Datenerfassung und -analyse in Brainstem Evokierte Reaktion Audiometrie bei Mäusen

Ein zentraler Aspekt der Hirnphysiologie ist seine Fähigkeit, Umweltinformationen zu verarbeiten, die zu unterschiedlichen intrinsischen oder extrinsischen Ergebnissen führen, wie Lernen, Gedächtnis, emotionale Reaktionen oder motorische Reaktionen. Verschiedene experimentelle und diagnostische Ansätze können verwendet werden, um die elektrophysiologische Reaktionsfähigkeit einzelner neuronaler Zelltypen oder Cluster/Ensembles von Neuronen innerhalb einer stimulusbezogenen neuronalen Schaltung zu charakterisieren. Diese elektrophysiologischen Techniken decken verschiedene raumzeitliche Dimensionen auf der Mikro-, Meso- und Makroskala¹ab. Der Mikroskala-Pegel umfasst Spannungs- und Stromklemmenansätze in verschiedenen Patch-Clamp-Modi, z.B. mit kultivierten oder akut dissoziierten Neuronen¹. Diese In-vitro-Techniken ermöglichen die Charakterisierung einzelner Stromentitäten und deren pharmakologische Modulation^2,3. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch der Mangel an systemischen Informationen in Bezug auf die Integration und Verarbeitung von Mikro- und Makroschaltungsinformationen. Diese Beeinträchtigung wird teilweise durch In-vitro-Techniken der Mesoskala überwunden, wie Z. B. Multielektroden-Arrays, die gleichzeitige extrazelluläre Mehrelektrodenaufnahmen nicht nur in kultivierten Neuronen, sondern auch in akuten Hirnscheiben ermöglichen^{4, 5}. Während Mikroschaltungen in den Hirnscheiben in einem bestimmten Ausmaß (z.B. im Hippocampus) konserviert werden können, gehen in der Regel weiträumige Verbindungen^{verloren 6}. Letztlich sind die systemischen in vivo elektrophysiologischen Techniken auf der Makroskala die Methode der Wahl⁷. Diese Ansätze umfassen unter anderem Oberflächen- (epidurale) und tiefe (intracerebrale) EEG-Aufnahmen, die sowohl in Menschen- als auch in Tiermodellen 1 durchgeführt werden. EEG-Signale basieren überwiegend auf dem synchronisierten synaptischen Input auf pyramidenförmigen Neuronen in verschiedenen kortikalen Schichten, die trotz der allgemeinen Dominanz des exzitatorischen Eingangs⁸hemmend oder erregend sein können. Bei der Synchronisation werden exzitatorische postsynaptische potentialbasierte Verschiebungen in extrazellulären elektrischen Feldern summiert, um ein Signal von ausreichender Stärke zu bilden, um mit Oberflächenelektroden auf der Kopfhaut aufgezeichnet zu werden. Insbesondere erfordert eine nachweisbare Kopfhautaufnahme von einer einzelnen Elektrode die Aktivität von zehntausend pyramidenförmigen Neuronen und ein komplexes Bewaffnungsarium von technischen Geräten und Verarbeitungswerkzeugen, einschließlich eines Verstärkers, Filterverfahren (Tiefpassfilter, Hochpassfilter, Kerbfilter) und Elektroden mit spezifischen Leitereigenschaften.

Bei den meisten Versuchstierarten (z. B. Mäusen und Ratten) ist der humanbasierte EEG-Ansatz der Kopfhaut technisch nicht anwendbar, da das vom zugrunde liegenden Kortex erzeugte Signal aufgrund der begrenzten Anzahl synchronisierter pyramidaler Neuronen zu schwach ist^{9, 10,11}. Bei Nagetieren sind Oberflächenelektroden oder subdermale Elektroden daher stark mit Elektrokardiogramm enden und vorwiegend Elektromyogramm-Artefakte, die hochwertige EEG-Aufnahmen unmöglich machen^{9,11, 12}. Bei Verwendung von nicht entsäuerten, frei beweglichen Mäusen und Ratten ist es daher zwingend erforderlich, entweder aus dem Kortex über epidurale Elektroden oder aus den tiefen, intracerebralen Strukturen direkt aufzuzeichnen, um die direkte physikalische Verbindung der Sensorspitze zu gewährleisten. der Blei-/Implantationselektrode zu den signalerzeugenden neuronalen Zellclustern. Diese EEG-Ansätze können entweder in einem zurückhaltenden Systemaufbau oder unter Verwendung des nicht aufhaltenden implantierbaren EEG-Radiotelemetrieansatzes^9,10,11durchgeführt werden. Beide Techniken haben ihre Vor- und Nachteile und können ein wertvoller Ansatz in der qualitativen und quantitativen Charakterisierung der Anfallsanfälligkeit/Seizure-Aktivität, zirkadiane Rhythmizität, Schlafarchitektur, Oszillationsaktivität und Synchronisation sein, einschließlich Zeit-Frequenz-Analyse, Quellenanalyse, etc.^{9,10,13,14,15,16,17}.

Während gebundene Systeme und Funktelemetrie EEG-Aufnahmen unter restriktiven bzw. nicht zurückhaltenden Bedingungen ermöglichen, entsprechen die damit verbundenen Versuchsbedingungen nicht den Anforderungen für ABR-Aufnahmen. Letztere forderung nach definierten akustischen Reizen, die sich im Laufe der Zeit mit definierten Positionen eines Lautsprechers und Versuchstieren und kontrollierten Schalldruckpegeln (SPLs) wiederholen. Dies kann entweder durch Kopffixierung unter restriktiven Bedingungen oder nach Anästhesie^18,19erreicht werden. Um den experimentellen Stress zu reduzieren, werden die Tiere normalerweise während ABR-Experimenten anästhesiert, aber es sollte berücksichtigt werden, dass Anästhesie abRs^19,20stören kann.

Als allgemeines Merkmal besteht das EEG aus unterschiedlichen Frequenzen in einem Spannungsbereich von 50-100 V. Hintergrundfrequenzen und Amplituden hängen stark vom physiologischen Zustand des Versuchstiers ab. Im Wachzustand überwiegen die Beta- und Gamma-Frequenzen mit geringerer Amplitude. Wenn Tiere schläfrig werden oder einschlafen, entstehen Alpha-Frequenzen, Theta (-) und Delta-Frequenzen, die eine erhöhte EEG-Amplitude²¹aufweisen. Sobald ein Sensorkanal (z.B. der akustische Weg) stimuliert wird, wird die Informationsausbreitung über die neuronale Aktivität durch das periphere und zentrale Nervensystem vermittelt. Eine solche sensorische (z.B. akustische) Stimulation löst sogenannte EPs oder evozierte Reaktionen aus. Insbesondere sind ereignisbezogene Potenziale (ERP) in der Amplitude viel geringer als das EEG (d. h. nur ein paar Mikrovolt). Somit würde jedes einzelne ERP, das auf einem einzelnen Stimulus basiert, vor dem eEG-Hintergrund mit höherer Amplitude verloren gehen. Daher erfordert eine Aufzeichnung eines ERP die wiederholte Anwendung identischer Reize (z. B. Klicks in ABR-Aufnahmen) und eine nachfolgende Mittelung, um jegliche EEG-Hintergrundaktivität und Artefakte zu eliminieren. Wenn ABR-Aufnahmen bei anästhesierten Tieren gemacht werden, ist es einfach, hier subdermale Elektroden zu verwenden.

Hauptsächlich umfassen AEPs Kurzlatenz-EPs, die normalerweise mit ABRs oder BERA zusammenhängen, und weitere, später eingesetzte Potenziale wie Midlatenz-EPs (Midlatenz-Antworten [MLR]) und EPs mit langer Latenz²². Wichtig ist, dass Störungen in der Informationsverarbeitung der auditiven Informationen oft ein zentrales Merkmal neuropsychiatrischer Erkrankungen (demyelinisierende Krankheiten, Schizophrenie usw.) und im Zusammenhang mit AEP-Änderungen^23,24 sind. ^,25. Während Verhaltensuntersuchungen nur funktionelle Beeinträchtigungen aufdecken können, ermöglichen AEP-Studien eine präzise raumzeitliche Analyse der auditiven Dysfunktion im Zusammenhang mit spezifischen neuroanatomischen Strukturen²⁶.

ABRs als frühe, kurzlatenzakustische EPs werden normalerweise bei mäßiger bis hochintensiver Klickanwendung erkannt, und es kann bis zu sieben ABR-Peaks (W_I-W_VII)auftreten. Die wichtigsten Wellen (W_I-W_V) beziehen sich auf die folgenden neuroanatomischen Strukturen: W_I mit dem Hörnerv (distaler Teil, im Innenohr); W_II an den Cochlea-Kern (proximaler Teil des Gehörnervs, Hirnstammbeendigung); W_III zum überlegenen Olivary-Komplex (SOC); W_IV zum lateralen Lemniscus (LL); W_V zur Beendigung des lateralen Lemniskus (LL) innerhalb des minderwertigen Colliculus (IC) auf der kontralateralen Seite²⁷ (Ergänzende Abbildung 1). Es sei darauf hingewiesen, dass W_II-W_V wahrscheinlich mehr als eine anatomische Struktur des aufsteigenden Gehörpfades haben, die zu ihnen beiträgt. Insbesondere die genaue Korrelation der Spitzen und der zugrunde liegenden Strukturen des Hörtraktes ist noch nicht vollständig geklärt.

In der Audiologie können ABRs als Screening- und Diagnosewerkzeug sowie zur chirurgischen Überwachung^28,29eingesetzt werden. Es ist am wichtigsten für die Identifizierung von Dysakus, Hypakus und Anakusis (z. B. bei altersbedingtem Hörverlust, lärmbedingtem Hörverlust, metabolischem und angeborenem Hörverlust sowie asymmetrischem Hörverlust und Hördefiziten aufgrund von Fehlbildungen, Verletzungen und Neoplasmen)²⁸. ABRs sind auch als Screening-Test für hyperaktive, geistig behinderte Kinder oder für andere Kinder relevant, die nicht in der Lage wären, auf konventionelle Audiometrie zu reagieren (z. B. bei neurologischen/psychiatrischen Erkrankungen wie ADHS, MS, Autismus usw.^{29 , 30}) und in der Entwicklung und chirurgischen Montage von Cochlea-Implantaten²⁸. Schließlich können ABRs wertvolle Einblicke in die möglichen ototoxischen Nebenwirkungen von Neuropsychopharmaka, wie Antiepileptika^31,32, geben.

Der Wert der Übersetzung neurophysiologischer Kenntnisse aus pharmakologischen oder transgenen Mausmodellen auf den Menschen wurde in zahlreichen Situationen nachgewiesen, insbesondere auf der Ebene der ERPs bei auditiven Paradigmen bei Mäusen und Ratten^{33, 34,35}. Neue Einblicke in veränderte frühe AEPs und damit verbundene Veränderungen in der auditiven Informationsverarbeitung bei Mäusen und Ratten können so auf den Menschen übertragen werden und sind von zentraler Bedeutung bei der Charakterisierung und Endophenotypisierung von Audit, neurologischen und neuropsychiatrischen Erkrankungen in der Zukunft. Hier finden Sie eine detaillierte Beschreibung, wie ABRs erfolgreich bei Mäusen für grundlegende wissenschaftliche, toxikologische und pharmakologische Zwecke aufgezeichnet und analysiert werden können.