Hjernestammen fremkalt respons audiometri er et viktig redskap i klinisk nevrofysiologi. I dag, hjernestammen fremkalt respons audiometri er også brukt i grunnleggende vitenskap og prekliniske studier som involverer både farmakologiske og genetiske dyremodeller. Her gir vi en detaljert beskrivelse av hvordan hørsels hjernestammen responser kan bli vellykket innspilt og analysert hos mus.
Hjernestammen fremkalt respons audiometri (BERA) er av sentral relevans i klinisk nevrofysiologi. Som andre fremkalt (EP) teknikker, slik som visuelt fremkalt potensiale (VEPs) eller somatosensory fremkalt potensiale (SEPs), utløses hørsels potensialet (AEPs) av repeterende presentasjon av identiske stimuli, elektroencefalografiske (EEG) respons som senere gjennomsnitt resulterer i distinkte positive (p) og negative (n) krengingen. Hos mennesker kan både amplituden og ventetiden til individuelle topper brukes til å karakterisere endringer i synkronisering og Lednings hastighet i de underliggende neuronal kretser. Viktigere, AEPs er også brukt i grunnleggende og prekliniske vitenskap å identifisere og karakterisere hørsels funksjonen i farmakologiske og genetiske dyremodeller. Enda mer, er dyremodeller i kombinasjon med farmakologisk testing benyttet for å undersøke for potensielle fordeler i behandlingen av sensorineural hørselstap (f. eks, alder-eller støy-indusert hørsels underskudd). Her gir vi en detaljert og integrerende beskrivelse av hvordan å spille inn hørsels hjernestammen-fremkalt respons (ABRs) i mus ved hjelp av klikk og tone-burst program. Et bestemt fokus for denne protokollen er på pre-eksperimentelle dyr bolig, anestesi, ABR-opptak, ABR filtreringsprosesser, automatiserte wavelet amplitude vekst funksjon analyse, og latency deteksjon.
Et sentralt aspekt av hjernen fysiologi er dens evne til å behandle miljøinformasjon som resulterer i ulike iboende eller ytre produksjon, for eksempel læring, minne, følelsesmessige reaksjoner, eller motoriske svar. Ulike eksperimentelle og diagnostiske tilnærminger kan brukes til å karakterisere den elektrofysiologisk respons av individuelle neuronal celletyper eller klynger/ensembler av neurons innenfor en stimulans-relaterte neuronal kretser. Disse elektrofysiologisk teknikkene dekker ulike spatiotemporal dimensjoner på mikro-, Meso-og macroscale1. Mikroskala nivået inkluderer spenning og strøm klemme tilnærminger i forskjellige patch-Clamp moduser ved hjelp, for eksempel, kultivert eller akutt dissosiert neurons1. Disse in vitro-teknikkene gjør det mulig å karakterisering av individuelle nåværende enheter og deres farmakologiske moduleringshjul2,3. En vesentlig ulempe er imidlertid mangelen på systemisk informasjon når det gjelder mikro-og macrocircuitry informasjons integrasjon og prosessering. Denne verdifall er delvis overvunnet av in vitro teknikker av mesoscale, slik som multielectrode arrays som tillater for samtidige ekstracellulære multielectrode innspillinger ikke bare i kulturperler neurons men også i akutte hjerne skiver4, 5. mens microcircuitries kan bevares i hjernen skiver til en viss grad (for eksempel i hippocampus), langtrekkende sammenkoblinger er vanligvis tapt6. Til syvende og sist, for å studere den funksjonelle sammenkoblinger innen neuronal kretser, er systemisk in vivo elektrofysiologisk teknikker på macroscale metoden for valg7. Disse tilnærmingene inkluderer blant annet overflate (epidural) og dype (intracerebrale) EEG innspillinger som utføres i både mennesker og dyremodeller1. EEG signaler er overveiende basert på synkronisert Synaptic input på pyramideformet neurons i ulike kortikale lag som kan være hemmende eller eksitatoriske i hovedstol, til tross for generell overvekt av eksitatoriske input8. Ved synkronisering, eksitatoriske postsynaptic potensielle-baserte skift i ekstracellulære elektriske felt summeres for å danne et signal av tilstrekkelig styrke til å bli registrert i hodebunnen ved hjelp av overflate elektroder. Spesielt krever en synlig hode bunns innspilling fra en individuell elektrode aktiviteten til 10000 av pyramideformet neurons og en kompleks armamentarium av tekniske enheter og prosesserings verktøy, inkludert en forsterker, filtreringsprosesser (low-pass filter, høypassfilter, hakk filter), og elektroder med spesifikke lederegenskaper.
I de fleste eksperimentelle dyrearter (dvs. mus og rotter), den menneske-baserte hodebunnen EEG tilnærmingen er teknisk ikke aktuelt, da signalet generert av underliggende cortex er for svakt på grunn av begrenset antall synkroniserte pyramideformet neurons9, 10,11. I gnagere, overflate (hodebunn) elektroder eller subdermal elektroder er dermed sterkt forurenset av elektro og hovedsakelig electromyogram gjenstander som gjør høykvalitets EEG innspillinger umulig9,11, 12. Når du bruker unanesthetized fritt bevegelige mus og rotter, er det derfor obligatorisk å direkte ta opp enten fra cortex via epidural elektroder eller fra de dype, intracerebrale strukturene for å sikre direkte fysisk tilkobling av sensing spissen av bly/implantert elektroden til signal-generering neuronal celle klynger. Disse EEG-tilnærmingene kan utføres enten i et begrensende bundet systemoppsett eller ved hjelp av nonrestraining implanterbare EEG-radio telemetri tilnærming9,10,11. Begge teknikkene har sine fordeler og ulemper, og kan være en verdifull tilnærming i den kvalitative og kvantitative karakterisering av beslag mottakelighet/beslag aktivitet, døgn rhythmicity, søvn arkitektur, oscillasjon aktivitet, og synkronisering, inkludert tids frekvens analyse, kilde analyse, etc.9,10,13,14,15,16,17.
Mens bundet systemer og radio telemetri tillater EEG innspillinger under begrensende/semirestraining eller nonrestraining forhold, henholdsvis relaterte eksperimentelle forhold ikke samsvarer med kravene for ABR innspillinger. Sistnevnte etterspørsel etter definerte akustiske stimuli som presenteres full av gjentagelser over tid med definerte posisjoner av en høyttaler og eksperimentelle dyr og kontrollerte lydtrykksnivåer (SPLs). Dette kan oppnås enten ved hode fiksering under begrensende forhold eller etter anestesi18,19. For å redusere eksperimentell stress, dyr er normalt anesthetized under ABR eksperimentering, men det bør vurderes at anestesi kan forstyrre ABRs19,20.
Som en generell karakteristikk, er EEG bygget opp av forskjellige frekvenser i et spenningsområde på 50-100 μV. bakgrunns frekvenser og amplituder sterkt avhengig av den fysiologiske tilstanden til forsøks dyret. I våken tilstand, beta (β) og gamma (γ) frekvenser med lavere amplitude dominerer. Når dyr blir søvnig eller sovner, Alpha (α), theta (θ), og deltaet (δ) frekvenser oppstår, viser økt EEG amplitude21. Når en sensorisk kanal (f. eks, den akustiske veien) stimuleres, informasjon forplantning er formidlet via neuronal aktivitet gjennom perifere og sentrale nervesystemet. En slik sensorisk (f.eks. akustisk) stimulering utløser såkalte EPs-eller fremkalt respons. Spesielt, Event-relaterte potensialer (ERPs) er mye lavere i amplitude enn EEG (dvs. noen mikrovolt bare). Således, alle individ ERP basert på en enkelt stimulans ville gå tapt imot det høyere-amplitude EEG miljøet. Derfor, en innspilling av en ERP krever repeterende anvendelse av identiske stimuli (f. eks, klikk i ABR innspillinger) og påfølgende snitt for å eliminere enhver EEG bakgrunns aktivitet og gjenstander. Hvis ABR innspillinger er gjort i anesthetized dyr, er det lett å bruke subdermal elektroder her.
I hovedsak inkluderer AEPs kort ventetid EPs, som normalt er relatert til ABRs eller BERA, og videre, senere utbruddet potensialer som midlatency EPs (midlatency responser [MLR]) og lang ventetid EPs22. Det er viktig at forstyrrelse i informasjons behandlingen av hørsels informasjonen ofte er et sentralt trekk ved nevropsykiatriske sykdommer (demyeliniserende sykdommer, schizofreni, etc.) og assosiert med AEP-forandringer23,24 ,25. Mens atferdsmessige undersøkelser er bare i stand til å avsløre funksjonell svekkelse, AEP studier tillater presis spatiotemporal analyse av hørbar dysfunksjon knyttet til spesifikke nevroanatomi strukturer26.
ABRs så tidlig, kort latens, er akustisk EPs vanligvis oppdaget ved moderat til høy-intens klikk program, og det kan forekomme opptil sju ABR-topper (WI-wVII). De viktigste bølgene (Wi-wV) er knyttet til følgende nevroanatomi strukturer: Wi til hørselsnerven (den ytre delen, i det indre øret); WII til cochlear nucleus (proksimale del av hørselsnerven, hjernestammen terminering); WIII til overlegen olivary kompleks (SoC); WIV til lateral LEMNISCUS (ll); WV til opphør av lateral LEMNISCUS (ll) i den underlegne COLLICULUS (IC) på kontralateral side27 (supplerende figur 1). Det bør bemerkes at WII-WV er sannsynlig å ha mer enn én anatomisk struktur av stigende hørbar veien bidrar til dem. Spesielt er den nøyaktige sammenhengen mellom topper og underliggende strukturer i hørsels trakten fortsatt ikke helt avklart.
I audiology, ABRs kan brukes som en screening og diagnostisk verktøy og for kirurgisk overvåking28,29. Det er viktigst for identifisering av dysacusis, hypacusis og anacusis (f.eks. i alders relatert hørselstap, støy indusert hørselstap, metabolsk og medfødt hørselstap, og asymmetrisk hørselstap og hørsels underskudd på grunn av misdannelser eller misdannelser, skader og svulster)28. ABRs er også relevant som en screening test for hyperaktiv, intellektuelt nedsatt barn eller for andre barn som ikke ville være i stand til å svare på konvensjonelle audiometri (f. eks, i nevrologiske/psykiatriske sykdommer som ADHD, MS, autisme etc.29 , 30) og i utvikling og kirurgisk montering av cochlea implantater28. Til slutt kan ABRs gi verdifull innsikt i de potensielle ototoxic bivirkningene av neuropsychopharmaceuticals, slik som antiepileptika31,32.
Verdien av oversettelsen av nevrofysiologiske kunnskap innhentet fra farmakologiske eller transgene mus modeller til mennesker har blitt demonstrert i en rekke innstillinger, spesielt på nivået av ERPs i hørbar paradigmer hos mus og rotter33, 34,35. Ny innsikt i endrede tidlige AEPs og tilhørende endringer i hørsels informasjonsbehandling hos mus og rotter kan dermed oversettes til mennesker og er av sentral betydning for karakterisering og endophenotyping av hørsels-, nevrologiske og nevropsykiatriske sykdommer i fremtiden. Her gir vi en detaljert beskrivelse av hvordan ABRs kan bli vellykket registrert og analysert hos mus for grunnleggende vitenskapelige, toksikologiske og farmakologiske formål.
Denne protokollen gir en detaljert og integrerende beskrivelse av hvordan å spille inn hørbar fremkalt hjernestammen svar i mus. Det setter spesielt fokus på dyr forbehandling, anestesi, og potensielle metodisk forvirrende faktorer. Sistnevnte omfatter blant annet kjønn, muse linje, alder, og bolig forhold. Det bør bemerkes at alle disse faktorene kan ha innvirkning på sensorineural hørselstap og grunnleggende aspekter ved behandling av hørsels informasjon. Dermed er passende lagdeling av hørbar profilering stud…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gjerne takke Dr. Christina Kolb (German Center for nevrodegenerative sykdommer [DZNE]) og Dr. Robert Stark (DZNE) for deres assistanse i dyreoppdrett og dyr helsevesenet. Dette arbeidet ble økonomisk støttet av Federal Institute for Drugs and Medical Devices (Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte, BfArM, Bonn, Tyskland).
AEP/OAE Software for RZ6 (BioSigRZ software) | Tucker-Davis Technologies (TDT) | BioSigRZ | |
Binocular surgical magnification microscope | Zeiss Stemi 2000 | 0000001003877, 4355400000000, 0000001063306, 4170530000000, 4170959255000, 4551820000000, 4170959040000, 4170959050000 | |
Cages (Macrolon) | Techniplast | 1264C, 1290D | |
Carprox vet, 50mg/ml | Virbac Tierarzneimittel GmbH | PZN 11149509 | |
Cold light source | Schott KL2500 LCD | 9.705 202 | |
Cotton tip applicators (sterile) | Carl Roth | EH12.1 | |
Custom made meshed metal Faraday cage (stainless steel, 2 mm thickness, 1 cm mesh size) | custom made | custom made | |
5% Dexpanthenole (Bepanthen eye and nose creme) | Bayer Vital GmbH | PZN: 01578681 | |
Disposable Subdermal stainless steel Needle electrodes, 27GA, 12mm |
Rochester Electro-Medical, Inc. | S03366-18 | |
Surgical drape sheets (sterile) | Hartmann | PZN 0366787 | |
Ethanol, 70% | Carl Roth | 9065.5 | |
1/4'' Free Field Measure Calibration Mic Kit | Tucker-Davis Technologies (TDT) | PCB-378C0 | |
Gloves (sterile) | Unigloves | 1570 | |
Graefe Forceps-curved, serrated | FST | 11052-10 | |
GraphPad Prism 6 Software, V6.07 | GraphPad Prism Software, Inc. | https://www.graphpad.com/ | |
Heat-based surgical instrument sterilizer | FST | 18000-50 | |
Homeothermic heating blanked |
ThermoLux | 461265 / -67 | |
Ketanest S (Ketamine), 25mg/ml | Pfizer | PZN 08707288 | |
Ringer’s solution (sterile) | B.Braun | PZN 01471434 | |
Matlab software | MathWorks, Inc. | https://de.mathworks.com/products/matlab.html | |
Medusa 4-Channel Low Imped. Headstage | Tucker-Davis Technologies (TDT) | RA4LI | |
Medusa 4-Channel Pre-Amp/Digitizer | Tucker-Davis Technologies (TDT) | RA4PA | |
Microphone | PCB Pieztronics | 378C01 | |
Multi Field Speaker- Stereo | Tucker-Davis Technologies (TDT) | MF1-S | |
Oscilloscope | Tektronix | DPO3012 | |
Optical PC1 express card for Optibit Interface) | Tucker-Davis Systems (TDT) | PO5e | |
Askina Braucel pads (cellulose absorbet pads) | B.Braun | PZN 8473637 | |
Preamplifier | PCB Pieztronics | 480C02 | |
RZ6 Multi I/O Processor system (BioSigRZ) | Tucker-Davis Technologies (TDT) | RZ6-A-PI | |
0.9% saline (NaCl, sterile) | B.Braun | PZN:8609255 | |
SigGenRZ software | Tucker-Davis Technologies (TDT) | https://www.tdt.com/ | |
Software R (version 3.2.1) + Reshape 2 (Version 1.4.1) + ggplot 2 (version 1.0.1) + datatable (version 1.9.4), + gdata (version 2.13.3), + pastecs (version 1.3.18), + waveslim (version 1.7.5), + MassSpecWavelet (version 1.30.0) | The R Foundation, R Core Team 2015 | Open Source Software (freely distributable) | |
Sound attenuating cubicle | Med Associates Inc. | ENV-018V | |
Standard Pattern Forceps, 12cm and 14.5 cm length | FST | 11000-12, 11000-14 | |
Leukosilk tape | BSN medical GmbH & Co. KG | PZN 00397109 | |
Tissue Forceps- 1×2 Teeth 12 cm | FST | 11021-12 | |
Uniprotect ventilated cabinet | Bioscape | THF3378 | |
Ventilated cabinet | Tecniplast | 9AV125P | |
Xylazine (Rompun), 2% | Bayer Vital GmbH | PZN 1320422 |