LEDストリップは聴覚障害ラットの補聴器に取って代わります

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ラットの内耳の蝸牛内のLED

科学者たちは、ラットの聴覚神経をオプトジェネティックに刺激する人工内耳を開発しました。その結果、聴覚障害のある動物は音を聞くことができました-光刺激は脳幹の聴覚中枢の興奮と行動反応につながりました。光学インプラントの空間および周波数分解能は、従来の電極インプラントよりも高くなっています。この記事はジャーナルScienceTranslationalMedicineに掲載されました。

世界の人口の約5%が聴覚障害を抱えて生活しています。最も一般的な形態である感音難聴の原因はまだ解明されていないため、何十万人もの人々が内耳の蝸牛に人工内耳を装着しています。

蝸牛の感覚部分は、らせん状に巻かれた膜です。膜のさまざまな部分がさまざまな周波数の振動と共鳴し、聴覚神経に信号を送信し(膜と平行に走ります)、その信号は脳に送られます。人工内耳の基本は、蝸牛膜に沿って埋め込まれる電極チェーンです。電極は、音の周波数に応じて聴覚神経のさまざまな部分を刺激し、聴覚障害のある人が無音で音声を知覚できるようにします。

最新のインプラントの欠点は、空間(したがって周波数)分解能が低いことです。 1つの電極が聴覚神経の広い領域を励起し、合計12〜24個の電極が取り付けられています-音の周波数の全範囲が対応する数のセグメントに分割されています。アナログは光遺伝学的刺激である可能性があります。光感受性チャネルが神経線維の膜に挿入されている場合は、電極の代わりにLEDを使用できます。このようにして、聴覚神経のより小さな部分を刺激し、より狭い周波数範囲について脳に信号を送ることがわかります。

フライブルク大学のPatrickRutherとゲッティンゲン大学のTobiasMoserが率いるドイツの研究者は、げっ歯類用の光学人工内耳を開発しました。これは、最後に10個の刃物付きダイオードを備えたポリイミドテープです。 LEDストリップはトランスジェニックラットの蝸牛に配置され、そのニューロンでは光感受性チャネルが発現していました。

LEDを4秒間オンにすると、クリック音に反応した覚醒と同様に、脳幹の聴覚中枢が活性化されます。信号振幅は、光強度と刺激持続時間の増加とともに増加し、刺激周波数の増加とともに減少しました。

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カチッという音、ファイバーまたはLEDを介した光遺伝学的励起に対する脳幹の聴覚中枢の反応

光学インプラントの理論上の利点は、より良い空間分解能です。作成されたサンプルでは、​​かなり大きなLEDが10個しかないため、その解像度は最適にはほど遠いですが、このプロトタイプの目的は、テクノロジーの一般的な機能を調査することでした。これは研究者がしたことです-彼らは爪のあるスナネズミの中脳の上丘の反応を記録しました(彼らのカタツムリはラットのそれよりも大きく、ダイオードテープはそれによく合います)カタツムリ。上部のヒロックはトノトピーです-異なる周波数の音に反応するニューロンは構造の異なる部分にあり、それらの興奮の緯度によって、聴覚神経のどの部分が活性化されたかを判断できます。どのニューロンの活性化が特定の音の周波数に対応するかを理解するために、最初に「キャリブレーション」を実行しました。上丘の活性化は、さまざまな周波数の音に応答して記録されました。

弱いインパルス強度(したがって、神経応答)では、電極を使用する場合と同じ周波数範囲にわたって、上部ヒロックに広がる光に応答する励起が発生します。しかし、より大きな衝撃力では、上丘の活性化は、電気インプラントよりも光学インプラントの方が大幅に狭かった(衝撃の選択性は最大1.7倍高かった)。

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聴覚神経が電極(黄色と赤)、LED(青)、または光ファイバー(点線)で刺激されたときの興奮伝播

最後に、科学者たちは、マイクロフォンを介して録音された音をLEDの信号に変換する、人工内耳にサウンドプロセッサを取り付けました。プロセッサー(プラスチックケースと合わせて、重さはわずか8グラム)をラットの頭に接着しました。ラットの頭は、事前に光学インプラントに挿入され、同時に内耳の機能を破壊する耳毒性薬カナマイシンが注射されました。手術の前に、ラットは音の信号を恐れるように教えられました-それを聞いて、動物は実験室の別の区画に移動するか、電気ショックを受けました。

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行動実験計画

光学インプラントを装着した聴覚障害者のラットを実験室に置き、LEDを直接、またはプロセッサを介した音声信号によってオンにすると、動物は80%の時間で別の区画に走りました。反応は1ヶ月続きました。対照動物(インプラントなし、感光チャネルなし、またはプロセッサが無効になっているラット)は信号に応答しませんでした。インプラントは聴覚障害のネズミが音を聞くのを助けたことがわかりました。

科学者たちは、光遺伝学の助けを借りて、鳥が音を「聞く」のを助けましたが、聴覚神経ではなく、歌の生成に関与する脳の部分を活性化しました。したがって、研究者たちはキンカチョウに歌うように教えました-そしてその歌は珍しいことが判明しました。

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