Ученые разработали кохлеарный имплантат, который оптогенетически стимулирует слуховой нерв крыс. В результате глухие животные смогли услышать звук — световая стимуляция привела к возбуждению слуховых центров ствола мозга и поведенческой реакции. Пространственное и частотное разрешение оптического имплантата выше, чем у обычного электродного. Статья опубликована в журнале Science Translational Medicine.
Около пяти процентов населения планеты живет с нарушением слуха. Причину самой распространенной формы — нейросенсорной тугоухости — устранять пока не научились, поэтому у сотен тысяч человек в улитке внутреннего уха установлены кохлеарные имплантаты.
Сенсорная часть улитки — это мембрана, свернута в спираль; разные участки мембраны резонируют при колебаниях разной частоты и передают сигнал слуховому нерву (он идет параллельно мембране), а тот — в мозг. Основа кохлеарных имплантатов — электродная цепочка, которую вживляют вдоль мембраны улитки. Электроды стимулируют разные участки слухового нерва в зависимости от частоты звука и позволяют людям с нарушениями слуха воспринимать речь в тишине.
Недостаток современных имплантатов — в низком пространственном (и, соответственно, частотном) разрешении. Один электрод возбуждает широкий участок слухового нерва, и всего устанавливают от 12 до 24 электродов — на соответствующее число отрезков делится весь диапазон звуковых частот. Аналогом может стать оптогенетическая стимуляция: вместо электродов можно использовать светодиоды, если в мембрану нервных волокон вставить светочувствительные каналы. Таким образом получается стимулировать меньшие участки слухового нерва и сигнализировать мозгу о более узком диапазоне частот.
Исследователи из Германии под руководством Патрика Рутера (Patrick Ruther) из Фрайбургского университета и Тобиаса Мозера (Tobias Moser) из Гёттингенского университета разработали оптический кохлеарный имплантат для грызунов — полиимидную ленту с 10 сведодиодами на конце. Светодиодную ленту помещали в улитку трансгенных крыс, в нейронах которых экспрессировались светочувствительные каналы.
Включение светодиодов на четыре секунды вызывало активацию слуховых центров ствола мозга, схожую с возбуждением в ответ на щелкающий звук. Амплитуда сигнала повышалась при увеличении интенсивности света и длительности стимула и уменьшалась с повышением частоты стимуляции.
Ответ слуховых центров ствола мозга на щелкающий звук, оптогенетическое возбуждение через оптоволокно или светодиод
Теоретическое преимущество оптических имплантатов — в лучшем пространственном разрешении. В созданном образце лишь 10 довольно крупных светодиодов, поэтому его разрешение далеко от оптимального, однако целью этого прототипа было исследовать общие возможности технологии. Этим исследователи и занялись — они записали ответ верхнего двухолмия среднего мозга когтистых песчанок (их улитка больше, чем у крыс, и в нее лучше помещается диодная лента) на включение диодов в разных частях улитки. Верхние холмики тонотопичны — нейроны, реагирующие на звуки разных частот, располагаются в разных частях структуры, и по широте их возбуждения можно судить, какие части слухового нерва активировались. Чтобы понять, активация каких нейронов соответствовала тем или иным звуковым частотам, сначала выполнили «калибровку» — регистрировали активацию верхнего двухолмия в ответ на звуки разной частоты.
При слабой силе импульса (и, соответственно, нейронного ответа) возбуждение в ответ на свет распространялось в верхних холмиках на такой же диапазон частот, что и при использовании электродов. Зато при большей силе импульса активация верхнего двухолмия была значительно уже с оптическим имплантатом, чем с электрическим (избирательность воздействия была до 1,7 раз выше).
Распространение возбуждения при стимуляции слухового нерва электродами (желтый и красный), светодиодами (синий) или через оптоволокно (пунктир)
Наконец, ученые присоединили к оптическому кохлеарному имплантату звуковой процессор, который преобразовывал записываемые через микрофон звуки в сигнал для светодиодов. Процессор (вместе с пластиковым футляром он весил всего восемь граммов) приклеили к голове крысам, которым перед этим вставили оптический имплантат и одновременно ввели ототоксичный препарат канамицин, нарушающий функции внутреннего уха. До операции крыс научили бояться звукового сигнала — услышав его, животные переходили в другой отсек экспериментальной камеры или получали удар током.
Дизайн поведенческого эксперимента
Когда глухих крыс с оптическим имплантатом помещали в экспериментальную камеру и включали светодиоды либо напрямую, либо звуковым сигналом через процессор, животные перебегали в другой отсек в 80 процентах случаев; реакция сохранялась в течение месяца. Контрольные животные (крысы без имплантатов, без светочувствительных каналов или с отключенным процессором) не реагировали на сигнал. Получается, имплантат помог глухим крысам услышать звук.
С помощью оптогенетики ученые помогали «услышать» звуки и птицам — правда, активировали не слуховой нерв, а отделы мозга, участвующие в производстве песен. Таким образом исследователи научили зебровых амадин петь — песни при этом получились необычные.
Источник: N+1
