Diese Arbeit wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (Bernstein Fokus Neurotechnologie für 01GQ0810 gewähren, T. Moser, und MED-EL Deutschland) unterstützt; die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Zentrums für Nanoscale Mikroskopie und Molekularphysiologie des Gehirns (FZT 103, T. Moser) und durch den SFB889, N. und T. Strenzke Moser).

Alle Versuche in dieser Arbeit vorgestellt wurden mit den ethischen Standards, die von der deutschen Gesetz zum Schutz von Versuchstieren durchgeführt definiert. Die Universität Göttingen Board für den Tierschutz und die Tierschutzstelle des Landes Niedersachsen hat den Experimenten. 1. Herstellung der μLED-Stimulator <ol><li> Für μLEDs zuerst die μLED-Stimulator vorzubereiten. Verwenden blauen LEDs mit 200 von 200 um aktive Oberfläche (μLED, siehe Materialien Tabelle). </li><li> Solder Drähte an der μLED. Dann kapseln die μLED und die Verbindungen mit Epoxid-Kleber. Lassen Sie das Gerät über Nacht, um die Epoxyhärtung lassen. </li><li> Für die mechanische Stabilität und die elektrische Isolierung der Drähte Trichter durch einen dünnen Glaskapillare Verwenden von 1 mm Außendurchmesser Borosilikatglas Kapillaren und Abdichtung der Verbindung mit Epoxy (1D), so daß die Kapillare an einem mechanischen Manipulator montiert werden. HINWEIS: Thier ist ein Trade-off der Herstellung der Kapsel dick genug, um einen guten elektrischen Isolierung (Vermeidung von Artefakten Stimulation) zu bekommen, aber dünn genug, um die LED frei bewegen innerhalb der Bulla und um es auf den Cochleostomie finden. Es ist eine gute Praxis, mehr als eine LED vorzubereiten. </li><li> Um eine gute elektrische Isolierung zu bestätigen, zunächst eine Petrischale mit 0,9% NaCl und Dip 3 blanken Kupferdrähten endete in die Flüssigkeit herzustellen. Dies dient dazu, ein Tier mit ABR Elektroden simulieren. Schließen Sie die Drähte an die ABR-Verstärker und von dort auf einem Oszilloskop. </li><li> Verbinden Sie dann das LED an den Stimulator und tauchen sie in die Lösung, bis es völlig bedeckt ist. Fahren Sie die LED mit Pulse (siehe Schritt 3.1.1) bei der maximal zulässige Strom für mehr als 20 min und kontrollieren Stimulation Artefakte. Wenn sie erscheinen, werfen Sie die LED und versuchen eine neue. </li></ol> 2. Operationsverfahren <ol><li> Verwenden Sie 4-10 Wochen alten transgenen Mäusen, die unter der ChR2 Thy1.2 Promotor (Linie 9in Wang et al. 13). , Um das Tier zu manipulieren und führen Sie die Operation, verwenden Sie immer sauber und gut identifizierten chirurgische Instrumente. </li><li> Betäuben Tiere mit einer ip Injektion einer Mischung von Urethan (1,32 mg / kg), Xylazin (5 mg / kg) und Buprenorphin 0,1 ug / g verdünnt in 0,9% steriler Kochsalzlösung und die Maus auf eine Heizplatte für die Aufrechterhaltung der Körper Temperatur bei 37 ° C aufweist. Mit dieser Dosis Anästhesie dauert typischerweise die gesamte Versuchsprotokoll. <ol><li> Ab 10 Minuten nach der ersten Narkose auf Anzeichen der Erregung durch das Zurückziehen der Pfote Reflex. Im Fall von Bewegungen anzuwenden Erhaltungsdosen von Urethan (0,66 mg / kg) und Buprenorphin (0,05 ug / g) in 0,9% steriler Kochsalzlösung verdünnt (ohne Xylazin). Wieder überprüfen Sie die Pfotenrückzugsreflex und gehen nur dann, wenn der Reflex fehlt. </li></ol></li><li> Die retroaurikulär sorgfältig rasieren in Vorbereitung des Einschnitts. Verwenden Sie ein retroaurikulärennähern, um die Bulla (lufthaltige Paukenhöhle) zu erreichen. <ol><li> Mit einer Mikropinzette sorgfältig sezieren und / oder zu entfernen Teil der Nackenmuskulatur, zB Platysma, sternocleidomastoideus und Skalenusmuskeln. </li><li> Finden und setzen die Bulla (Abbildung 1A). Identifizieren Sie die Bulla als knöcherne Struktur mit einer charakteristischen Kugelform mit einem Ring an der Bulla Oberfläche, die das Einführen des Trommelfells (Abbildung 1A) zeigt. Machen Sie ein Loch mit der Spitze eines Insulin-Nadel direkt unter diesem Ring. Starten Sie dort, entfernen Sie die Knochen, die die Bulla mit einem feinen Rongeur (gnawer) oder Mikropinzetten in einer Weise, dass die promontorium der Cochlea ausgesetzt ist (Abbildung 1B) abdeckt. </li></ol></li><li> Für die Cochleostomie, sanft abrasieren die knöcherne Kapsel ein kleines Fenster öffnen (Cochleostomie: ~ 500-800 um), kümmert sich um die häutige Labyrinth (Abbildung 1B) intakt zu lassen. Führen Sie die Cochleostomie auf der zweiten Cochlea-drehen, wie es ist weit genug von der Steigbügelarterie und von der Spitze. Öffnen der Spitze konnte Bruch der Cochlea mit einer Fraktur des modiolus produzieren. </li><li> Für ein rundes Fenster Einführen einer optischen Faser oder μLED-Implantat Paukentreppe, sorgfältig vergrößern die runde Fensternische durch Kratzen der knöchernen Nische mit der Spitze eines scharfen Skalpell (a Schaufelzahl 11 ist eine gute Option). Verwenden Sie immer eine neue Klinge oder Skalpell. Seien Sie sehr vorsichtig, da die Steigbügel Arterie verläuft ganz in der Nähe des runden Fensters (Abbildung 1B). </li></ol> 3. Optische Stimulation mit zwei Ansätze <ol><li> Für transcochlear Stimulation, Nutzung μLEDs oder einer fasergekoppelten Laser. <ol><li> Montieren Sie die Kapillare Tragen des μLED auf einem mechanischen Manipulator und sorgfältig positionieren Sie den μLED auf die Cochleostomie. Verwendung oABR von 3-10 ms lang Stimulation von einer Stromquelle (typischerweise 5-40 mA bei 2,7 V) bei 1-5 Hz hervorgerufen, als ein Mittel, um die Position und oder zu optimierenientation der μLED. </li><li> Für Laserstimulation, verwenden Sie eine 473 nm Dauerstrichlaser und eine optische Faser 250 um (siehe Materialien). Paar die optische Faser zu einem blauen Laserquelle, die im Idealfall bietet schnelle analoge Steuerung der Leistung (aber mit einer akustisch-optischen Gerät oder eine kurze Verschluss, um den optischen Reiz zu definieren). Mit einem Mikromanipulator, suchen Sie die Spitze der Faser direkt auf die Cochleostomie und fixieren Sie sie mit Zahnzement (transcochlear Stimulation). </li></ol></li><li> Für intracochleären Stimulation, legen Sie die Faser durch das runde Fenster in die Scala tympani. Dann nutzen Sie 3-10 ms Laserpulse von 10-30 mW (Macht der Faserausgang) bei 1-5 Hz bis oABR zu entlocken. Die große Amplitude oABR ermöglicht dem Experimentator oABR durch einzelne Impulse auf dem Oszilloskop evozierten zur Optimierung der Position und Ausrichtung des Emitters (μLED oder Faser) mit oABR Amplitude als Auslese beobachten. </li><li> Nach gut oABR erreicht wurden, fixieren Sie die Faser mit cyanoacrcarboxylat Leim oder Zahnzement und warten, bis der Kleber fest ist. HINWEIS: Es ist normal, etwas Flüssigkeit aus der Cochlea herauskommen beobachten. Jedoch zu Problemen bei der Polymerisation des Zements zu vermeiden, empfiehlt es sich, den Bereich mit feinen Dochte austrocknen. </li></ol> 4. Aufnahmen von oABR <ol><li> Legen Nadelelektroden unter der Ohrmuschel, auf dem Scheitel und auf der Rückseite in der Nähe der Beine und schließen diese an den Verstärker. </li><li> Verstärken den Unterschied Potential zwischen Scheitel und des Warzenfortsatzes Subdermalnadeln. Probe bei einer Rate von 50 kHz und der Filter (1-10.000 Hz). Visualisieren Sie die Potentialdifferenz auf einem Oszilloskop ideal in der Nähe der Aufnahmeeinstellungen für die Optimierung der Position des optischen Stimulator. Verwenden Sie die Signalmittelung (50-1,000x) und die Daten auf einem Computer für die Offline-Analyse. </li></ol> 5. Aufnahmen von optisch evozierte Lokale Feldpotentiale <ol><li> Legen Sie das Tier in einen stereotaktischen Rahmen. Mit einer Pinzette CentRallye ziehen Sie die Haut über den Schädel und führen Sie einen Medianschnitt mit einer Schere, die sich von etwa zwischen den Augen bis zu dem Punkt, wo die Nackenmuskulatur zu befestigen, um den Schädel. <ol><li> Spiegeln die Haut seitlich. Schneiden Sie die Knochenhaut der Länge nach entlang der Pfeilnaht und entfernen Sie sie seitwärts durch sanftes Reiben der freiliegenden Schädelknochen mit einem Wattestäbchen. </li></ol></li><li> Positionieren Sie eine maßgeschneiderte Metallplatte auf den freiliegenden Schädel ca. 1 mm Platz zwischen dem Schwanzende der Platte und Lambda verlassen. Mit einem 0,7 mm Durchmesser bohren sorgfältig bohren ein Loch in den Scheitelbein. </li><li> Sanft Schraube in einem Schneckendurchmesser von 0,85 mm - als Referenz für Potenziale aus dem Colliculus inferior aufgezeichnet dienen (IC) - Halten Sie die Schraube mit einer Zange so lange wie die Schraube nicht sicher befestigt sind. Stellen Sie sicher, einen guten Kontakt zwischen Schraube und Dura ohne ins Gehirn eindringen. Kleben Sie die Schraube und die Metallplatte auf den Schädel mit Sekundenkleber. </li><li> Lösen Sie die neck Muskeln vorsichtig aus dem Schädel. Ziehen Sie die Nackenmuskulatur kaudal für circa 1-2 mm. Identifizieren Sie den Schnittpunkt der Sinus sagittalis superior (SSS) und der Quer Sinus (TS). Falls erforderlich, die Transparenz des Schädels durch Befeuchten des Knochens mit physiologischer NaCl-Lösung. <ol><li> Identifizieren Sie die IC in Mäusen als direkt kaudal der SSS und TS Schnittpunkt liegt. Nach der Identifizierung der Lage der IC langsam und vorsichtig durchführen Trepanation verlauf ca. 0,5 mm bis 1,5 mm rostral nach caudal zum TS und etwa 3 mm seitlich. </li><li> Vermeiden Sie Verletzungen des SSS und TS da diese eine erfolgreiche Experiment nicht entgegen. Hier testen, ob das Knochen trepanned hat sich gelöst von sanft eingedrückt wird. Mit einer Pinzette heben langsam vom Knochen. </li></ol></li><li> Mit einem entsprechenden Adapter befestigen einer Mehrkanal-Array und heads auf einem Mikromanipulator. Um die Zerstörung der Mehrkanal-Aufnahme-Array beim Einführen in die IC zu verhindern, entfernen Sie vorsichtig die Duramit einem gebogenen Spitze einer kleinen Injektionsnadel ab der Nähe einer Knochenrand. <ol><li> Entfernen Sie das Tier aus der stereotaktischen Rahmen. Befestigen Sie die Metallplatte in eine Bar, um stereotaktische Fixierung bleiben. Positionieren Sie den Aufnahme-Sonde über die IC und setzen Sie sie unter mikroskopischer Kontrolle, so dass der oberste Kanal ist nur an der Oberfläche sichtbar. </li></ol></li><li> Verstärken der Potentialdifferenz zwischen den einzelnen Kanälen des Aufzeichnungsanordnung und der Referenzschraube im Scheitelbein, Probe mit einer Rate von 32 kHz Tiefpassfilter (300 Hz) und Speicher auf einem Computer für die Offline-Analyse. </li><li> Alle Tiere sollten artgerecht am Ende des Verfahrens vor dem Aufwachraum in Übereinstimmung mit den einschlägigen Richtlinien Euthanasie eingeschläfert werden. Geeignete Methoden der Euthanasie kann Genickbruch oder CO 2 Inhalation umfassen. </li></ol>

<ol>
	<li>Rubinstein, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paediatric+cochlear+implantation:+prosthetic+hearing+and+language+development.">Paediatric cochlear implantation: prosthetic hearing and language development.</a> Lancet. 360 (9331), 483-485 (2002).</li><li>Middlebrooks, J. C., Bierer, J. A., Snyder, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cochlear+implants:+the+view+from+the+brain.">Cochlear implants: the view from the brain.</a> Current opinion in neurobiology. 15 (4), 488-493 (2005).</li><li>Clark, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+multiple-channel+cochlear+implant:+the+interface+between+sound+and+the+central+nervous+system+for+hearing,+speech,+and+language+in+deaf+people-a+personal+perspective.">The multiple-channel cochlear implant: the interface between sound and the central nervous system for hearing, speech, and language in deaf people-a personal perspective.</a> Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences. 361 (1469), 791-810 (2006).</li><li>Zeng, F. G., Rebscher, S., Harrison, W., Sun, X., Feng, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cochlear+implants:+system+design,+integration,+and+evaluation.">Cochlear implants: system design, integration, and evaluation.</a> IEEE reviews in biomedical engineering. 1, 115-142 (2008).</li><li>Wilson, B. S., Dorman, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cochlear+implants:+a+remarkable+past+and+a+brilliant+future.">Cochlear implants: a remarkable past and a brilliant future.</a> Hearing research. 242 (1-2), 3-21 (2008).</li><li>Moore, D. R., Shannon, R. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Beyond+cochlear+implants:+awakening+the+deafened+brain.">Beyond cochlear implants: awakening the deafened brain.</a> Nature neuroscience. 12 (6), 686-691 (2009).</li><li>Shannon, R. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multichannel+electrical+stimulation+of+the+auditory+nerve+in+man.+II.+Channel+interaction.">Multichannel electrical stimulation of the auditory nerve in man. II. Channel interaction.</a> Hearing research. 12 (1), 1-16 (1983).</li><li>Fishman, K. E., Shannon, R. V., Slattery, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Speech+recognition+as+a+function+of+the+number+of+electrodes+used+in+the+SPEAK+cochlear+implant+speech+processor.">Speech recognition as a function of the number of electrodes used in the SPEAK cochlear implant speech processor.</a> Journal of speech, language, and hearing research: JSLHR. 40 (5), 1201-1215 (1997).</li><li>Kral, A., Hartmann, R., Mortazavi, D., Klinke, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+resolution+of+cochlear+implants:+the+electrical+field+and+excitation+of+auditory+afferents.">Spatial resolution of cochlear implants: the electrical field and excitation of auditory afferents.</a> Hearing research. 121 (1-2), 11-28 (1998).</li><li>Izzo, A. D., Suh, E., Pathria, J., Walsh, J. T., Whitlon, D. S., Richter, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selectivity+of+neural+stimulation+in+the+auditory+system:+a+comparison+of+optic+and+electric+stimuli.">Selectivity of neural stimulation in the auditory system: a comparison of optic and electric stimuli.</a> Journal of biomedical. 12 (2), 021008 (2007).</li><li>Richter, C. P., Rajguru, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spread+of+cochlear+excitation+during+stimulation+with+pulsed+infrared+radiation:+inferior+colliculus+measurements.">Spread of cochlear excitation during stimulation with pulsed infrared radiation: inferior colliculus measurements.</a> Journal of neural engineering. 8 (5), 056006 (2011).</li><li>Teudt, I. U., Maier, H., Richter, C. P., Kral, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+events+and+&#8220;optophonic&#8221;+cochlear+responses+induced+by+pulsed+near-infrared+laser.">Acoustic events and &#8220;optophonic&#8221; cochlear responses induced by pulsed near-infrared laser.</a> IEEE transactions on bio-medical engineering. 58 (6), 1648-1655 (2011).</li><li>Wang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+mapping+of+synaptic+connectivity+using+photostimulation+in+Channelrhodopsin-2+transgenic+mice.">High-speed mapping of synaptic connectivity using photostimulation in Channelrhodopsin-2 transgenic mice.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (19), 8143-8148 (2007).</li><li>Kleinlogel, S., Feldbauer, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra+light-sensitive+and+fast+neuronal+activation+with+the+Ca2+-permeable+channelrhodopsin+CatCh.">Ultra light-sensitive and fast neuronal activation with the Ca2+-permeable channelrhodopsin CatCh.</a> Nature neuroscience. 14 (4), 513-518 (2011).</li><li>Friesen, L. M., Shannon, R. V., Baskent, D., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Speech+recognition+in+noise+as+a+function+of+the+number+of+spectral+channels:+comparison+of+acoustic+hearing+and+cochlear+implants.">Speech recognition in noise as a function of the number of spectral channels: comparison of acoustic hearing and cochlear implants.</a> The Journal of the Acoustical Society of America. 110 (2), 1150-1163 (2001).</li><li>Donaldson, G. S., Kreft, H. A., Litvak, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Place-pitch+discrimination+of+single-+versus+dual-electrode+stimuli+by+cochlear+implant+users+(L).">Place-pitch discrimination of single- versus dual-electrode stimuli by cochlear implant users (L).</a> The Journal of the Acoustical Society of America. 118 (2), 623-626 (2005).</li><li>Srinivasan, A. G., Shannon, R. V., Landsberger, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+virtual+channel+discrimination+in+a+multi-channel+context.">Improving virtual channel discrimination in a multi-channel context.</a> Hearing research. 286 (1-2), 19-29 (2012).</li><li>Zeng, F. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Speech+dynamic+range+and+its+effect+on+cochlear+implant+performance.">Speech dynamic range and its effect on cochlear implant performance.</a> The Journal of the Acoustical Society of America. 111 (1 Pt 1), 377-386 (2002).</li><li>Matic, A. I., Walsh, J. T., Richter, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+extent+of+cochlear+infrared+neural+stimulation+determined+by+tone-on-light+masking.">Spatial extent of cochlear infrared neural stimulation determined by tone-on-light masking.</a> Journal of biomedical. 16 (11), 118002 (2011).</li><li>Verma, R., Guex, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Auditory+responses+to+electric+and+infrared+neural+stimulation+of+the+rat+cochlear+nucleus.">Auditory responses to electric and infrared neural stimulation of the rat cochlear nucleus.</a> Hearing research. 310, 69-75 (2014).</li><li>Fenno, L., Yizhar, O., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+development+and+application+of+optogenetics.">The development and application of optogenetics.</a> Annual review of neuroscience. 34, 389-412 (2011).</li><li>Hegemann, P., Nagel, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+channelrhodopsins+to+optogenetics.">From channelrhodopsins to optogenetics.</a> EMBO molecular medicine. 5 (2), 173-176 (2013).</li><li>Packer, A. M., Roska, B., H&#228;usser, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeting+neurons+and+photons+for+optogenetics.">Targeting neurons and photons for optogenetics.</a> Nature neuroscience. 16 (7), 805-815 (2013).</li><li>Nagel, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Channelrhodopsin-2,+a+directly+light-gated+cation-selective+membrane+channel.">Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (24), 13940-13945 (2003).</li><li>Nagel, G., Szellas, T., Kateriya, S., Adeishvili, N., Hegemann, P., Bamberg, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Channelrhodopsins:+directly+light-gated+cation+channels.">Channelrhodopsins: directly light-gated cation channels.</a> Biochemical Society transactions. 33 (Pt 4), 863-866 (2005).</li><li>Nagel, G., Brauner, M., Liewald, J. F., Adeishvili, N., Bamberg, E., Gottschalk, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+activation+of+channelrhodopsin-2+in+excitable+cells+of+Caenorhabditis+elegans+triggers+rapid+behavioral+responses.">Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses.</a> Current biology: CB. 15 (24), 2279-2284 (2005).</li><li>Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Millisecond-timescale,+genetically+targeted+optical+control+of+neural+activity.">Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.</a> Nature neuroscience. 8 (9), 1263-1268 (2005).</li><li>Bamann, C., Kirsch, T., Nagel, G., Bamberg, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+characteristics+of+the+photocycle+of+channelrhodopsin-2+and+its+implication+for+channel+function.">Spectral characteristics of the photocycle of channelrhodopsin-2 and its implication for channel function.</a> Journal of molecular biology. 375 (3), 686-694 (2008).</li><li>Ritter, E., Stehfest, K., Berndt, A., Hegemann, P., Bartl, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monitoring+light-induced+structural+changes+of+Channelrhodopsin-2+by+UV-visible+and+Fourier+transform+infrared+spectroscopy.">Monitoring light-induced structural changes of Channelrhodopsin-2 by UV-visible and Fourier transform infrared spectroscopy.</a> The Journal of biological chemistry. 283 (50), 35033-35041 (2008).</li><li>Berndt, A., Prigge, M., Gradmann, D., Hegemann, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two+open+states+with+progressive+proton+selectivities+in+the+branched+channelrhodopsin-2+photocycle.">Two open states with progressive proton selectivities in the branched channelrhodopsin-2 photocycle.</a> Biophysical journal. 98 (5), 753-761 (2010).</li><li>Kato, H. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crystal+structure+of+the+channelrhodopsin+light-gated+cation+channel.">Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel.</a> Nature. 482 (7385), 369-374 (2012).</li><li>Hegemann, P., M&#246;glich, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Channelrhodopsin+engineering+and+exploration+of+new+optogenetic+tools.">Channelrhodopsin engineering and exploration of new optogenetic tools.</a> Nature methods. 8 (1), 39-42 (2011).</li><li>Mattis, J., Tye, K. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principles+for+applying+optogenetic+tools+derived+from+direct+comparative+analysis+of+microbial+opsins.">Principles for applying optogenetic tools derived from direct comparative analysis of microbial opsins.</a> Nature methods. 9 (2), 159-172 (2012).</li><li>Arenkiel, B. R., Peca, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Vivo+Light-Induced+Activation+of+Neural+Circuitry+in+Transgenic+Mice+Expressing+Channelrhodopsin-2.">In Vivo Light-Induced Activation of Neural Circuitry in Transgenic Mice Expressing Channelrhodopsin-2.</a> Neuron. 54 (2), 205-218 (2007).</li><li>Tomita, H., Sugano, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visual+Properties+of+Transgenic+Rats+Harboring+the+Channelrhodopsin-2+Gene+Regulated+by+the+Thy-1.2+Promoter.">Visual Properties of Transgenic Rats Harboring the Channelrhodopsin-2 Gene Regulated by the Thy-1.2 Promoter.</a> PLoS ONE. 4 (11), e7679 (2009).</li><li>Hernandez, V. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+stimulation+of+the+auditory+pathway.">Optogenetic stimulation of the auditory pathway.</a> The Journal of clinical investigation. 124 (3), 1114-1129 (2014).</li><li>Madisen, L., Mao, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+toolbox+of+Cre-dependent+optogenetic+transgenic+mice+for+light-induced+activation+and+silencing.">A toolbox of Cre-dependent optogenetic transgenic mice for light-induced activation and silencing.</a> Nature Neuroscience. 15 (5), 793-802 (2012).</li><li>Yizhar, O., Fenno, L. E., Davidson, T. J., Mogri, M., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetics+in+neural+systems.">Optogenetics in neural systems.</a> Neuron. 71 (1), 9-34 (2011).</li><li>Hernandez, V. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+stimulation+of+the+auditory+pathway.">Optogenetic stimulation of the auditory pathway.</a> The Journal of clinical investigation. 124 (3), 1114-1129 (2014).</li><li>Gunaydin, L. A., Yizhar, O., Berndt, A., Sohal, V. S., Deisseroth, K., Hegemann, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+optogenetic+control.">Ultrafast optogenetic control.</a> Nature neuroscience. 13 (3), 387-392 (2010).</li><li>Klapoetke, N. C., Murata, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Independent+optical+excitation+of+distinct+neural+populations.">Independent optical excitation of distinct neural populations.</a> Nature methods. 11 (3), 338-346 (2014).</li></ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen konkurrieren.

Die beschriebenen Experimente zeigen die optogenetische Stimulation der SGNS und kann im Prinzip auch für die inneren und / oder äußeren Haarzellen stimulieren, sofern die Expression Opsinen. Diese Experimente erfordern viel Geduld und Sorgfalt. Wie bereits erwähnt, sind die wichtigsten Schritte eine gute Cochleostomie / Rundfenster Einsetzen sowie eine entsprechende Position und Ausrichtung der Lichtquelle. Es gibt Einschränkungen mit optogenetische Stimulation bei der Verwendung von C...

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation, 360 Millionen Menschen weltweit leiden unter Hörverlust. In taub Themen, direkte elektrische Stimulation der SGNS von CIs ermöglichen offenen Sprachverständnis in den meisten von ihnen 1,2,4,5. Auch wenn CIs wurden in mehr als 200.000 Menschen eingepflanzt worden, daher das erfolgreichste Neuroprothese, Sound-Kodierung durch die aktuellen Cochlea-Implantate angetrieben begrenzt. CIs auf elektrische Stimulation durch eine bestimmte Anzahl von Elektroden, wobei jede eine tonotopen Bereich des Gehörnervs unter Umgehung der dysfunktionellen sensorischen Corti-Organ in die Cochlea aktiviert basiert. Normalhörenden kann mehr als 2.000 Frequenzen zu unterscheiden, aber die heutigen CIs nur bis zu 12-22 4 Frequenzkanäle. Dies ist aufgrund der weit verbreiteten Stromfluß von jeder Stimulationselektrode 7,9, Aktivierung einer großen Anzahl von SGNS, die viele verschiedene Schallfrequenzen 8,15 repräsentieren. DiesBegrenzung kann mit multipolaren Stimulation, aber auf Kosten einer höheren Leistungsaufnahme 16,17 verbessert werden. Ihre Ausgangsdynamikbereich für Schallintensität ist auch begrenzt, in der Regel 6-20 dB unter 4,18. Aus diesen Gründen, die Verbesserung der Häufigkeit und Intensität Auflösung sind wichtige Ziele für die Erhöhung CI Leistung der Spracherkennung in lauten Umgebungen, Prosodie Verständnis und Musikwahrnehmung zu verbessern. Eine andere Möglichkeit, den Hörnerv stimulieren ist die optische Stimulation. Licht kann bequem ausgerichtet werden, um eine kleine SGN Bevölkerung zielen, und versprach bessere räumliche Begrenzung, die Erhöhung Frequenzauflösung und auch Dynamikbereich erweitert, was zu einer besseren Intensitätsauflösung. Tatsächlich hat Cochlea-Stimulation mit Infrarotlicht hervorragende Frequenzauflösung in Tiermodellen gezeigt, 10,11,19. Ein Nachteil dieser Art der Stimulation ist, dass es höhere Energie als elektrische Stimulation erfordert <sup&gt; 10,11. Darüber hinaus Bedenken über die Fähigkeit des Verfahrens, um direkt zu stimulieren akustischen Neuronen sind angehoben worden 12,20. Als Alternative zu Infrarot-Stimulation, beschäftigen wir Optogenetik zu machen SGNS lichtempfindlich. Optogenetik ist ein neuartiger Ansatz, der genetische und optische Techniken kombiniert, um nicht-invasiv und gezielt zu steuern Zellen mit hoher zeitlicher Genauigkeit (21-23 Bewertungen). Die derzeit am häufigsten verwendete Modalität verwendet, die Expression der mikrobiellen Kanalrhodopsin 2 (ChR2) Gen von Chlamydomonas reinhardtii und Varianten davon, ein lichtgesteuerter Kationenkanal 24 kodiert. ChR2 ist ein 7-Trans-Helix-Protein, das, wenn es in Neuronen transduziert und durch blaues Licht aktiviert wird, wirkt als nicht-selektiven Kationenkanal, wodurch die Zellen depolarisierende 24 27. ChR2 ist gut charakterisiert worden 24,28- 31 und vielen Varianten wurden entwickelt, um actio ändernn-Spektrum, Gate und Durchlässigkeitseigenschaften 32,33. Das Ziel unserer Arbeit ist es, Cochlea-Optogenetik für die Aktivierung der Hörbahn zu etablieren. Wir stellen fest, dass die optogenetischen Ansatz für den Hörnerv stimulieren erfordert genetische Manipulation der Spiralganglien für die Expression von Kanalrhodopsin. Arbeiten mit Mäusen und Ratten erlaubt die Verwendung der verfügbaren transgenen Tiere 13,34,35, welche die Expression des Kanalrhodopsin mit wenig Variabilität entlang der Achse und quer tonotopen Tiere 36 bereitzustellen. Kombination bedingte Allele 37 mit entsprechenden Cre-Linien sorgt für zellspezifische Expression. Gentransfer in die Spiralganglien von anderen Tieren erfordert die Verwendung von Viren wie Adeno-assoziierten Virus, das ein Standard-Ansatz in der Optogenetik 38 ist, und dass wir zeigten in Mäusen 36 gut zu funktionieren. Genetische Manipulation und Expression von Transgenen kodieren Proteine ​​Alien Bär Risiken für Nebenwirkungen wie IMMUne Reaktionen und / oder Proliferation, beeinträchtigt Zustand oder sogar zum Tod von genetisch manipulierten Zellen. Für den Zweck dieser Demonstration verwenden wir transgenen Mäusen, die ChR2 in Spiralganglienneuronen unter der Thy-1-Promotor 13 optisch stimulieren die Hörbahn. Wir stellen fest, dass andere Kanalrhodopsin Varianten können für den gleichen Zweck verwendet werden, wie wir mit Virus-vermittelte Übertragung der Variante Catch 14 in SGNS 39 demonstriert. Während Cochlea-Optogenetik erfordert genetische Manipulation, bietet es molekulare Tuning für optimierte SGN Stimulation und verspricht verbesserte Häufigkeit und Intensität Auflösung im Vergleich zu elektrischen Stimulation. Optogenetische Stimulation der Hörbahn ist für Gehörforschung von großer Bedeutung. Beispielsweise verspricht Verbesserungen in Studien des aktivitätsabhängigen Ausgestaltung Tonotopie während der Entwicklung in der Analyse der Anforderung für die spektrale Integration in Schall localizatIonen und des Ausmaßes der Wechselwirkung zwischen frequenzspezifischen afferenten Vorsprünge im zentralen auditorischen System.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="769">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Urethane</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>U2500-100G</td>
			<td>Anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xylazine HCl</td>
			<td>RXV</td>
			<td></td>
			<td>Sedative and analgesic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buprenorphine</td>
			<td>Reckitt Benckiser</td>
			<td></td>
			<td>Analgesic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dumont #5 Forceps</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>11251-10</td>
			<td>It is used to hold hard tissue, e.g. bone or materials. Never use them to hold soft delicated tissue&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dumont #5 - Fine Forceps</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>11254-20</td>
			<td>Only to be used to hold soft tissue</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fine Scissors - Sharp</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>14060-09</td>
			<td>To open the skin and help with the muscle dissection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lempert Rongeurs&#160;</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>16004-16</td>
			<td>They are very useful to easily remove the bone from the bulla</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>473-nm laser&#160;</td>
			<td>Changchun New Industries</td>
			<td>MLL-III473</td>
			<td>100 mW solid state 473 nm laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser driver&#160;</td>
			<td>Changchun New Industries</td>
			<td>DPSSL MLL 100 mW</td>
			<td>TTL operated laser driver</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>250 &#181;m optical fiber</td>
			<td>Any comercial ; e.g. Thorlabs</td>
			<td>M42L05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acousto-optical modulator</td>
			<td>Crystal Technology, Inc.</td>
			<td>PCAOM VIS</td>
			<td>Control the amount of light coupled into the fiber from the laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Controller for Acousto-optical modulator</td>
			<td>Crystal Technology, Inc.</td>
			<td>160T1-8SAR-24-0.8</td>
			<td>Control the acousto-optic modulator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solo2 laser power &#38; energy meter</td>
			<td>Gentec-EO</td>
			<td></td>
			<td>Used to measure light intensity of the LED and the fiber coupled laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blue &#181;LED</td>
			<td>Cree</td>
			<td>C470UT200</td>
			<td>It is necessary to build several &#956;LED devices because easily get damaged or the isolation is not good enough</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TDT System&#160;</td>
			<td>Tucker-Davis Technologies</td>
			<td>RZ6-A-P1</td>
			<td>It can be used any system for stimulus generation&#160; presentation and data acquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Single-shank, 16-channel silicon probe</td>
			<td>Neuronexus</td>
			<td>a1x16-5mm-100-177-CM16LP&#160;</td>
			<td>These are fragile devises, must be handled carefully and cleaned after use</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Omnidrill</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>503598</td>
			<td>Perform craniotomy for IC recordings and reference screw implantation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro Drill Steel Burrs</td>
			<td>any commercial; e.g. Fine Science Tools</td>
			<td>19007-07</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Self tapping bone screw</td>
			<td>any commercial; e.g. Fine Science Tools</td>
			<td>19010-10</td>
			<td>Reference screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micromanipulator</td>
			<td>any commercial; e.g. Luigs+NeumannInVivo Unit Junior 4 axis</td>
			<td></td>
			<td>Positioning of recording probe</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optogenetic stimulation of the auditory nerve

Direkten elektrischen Stimulation von Spiralganglienneuronen (SGNS) von Cochlea-Implantaten (CI) ermöglicht offenen Sprachverständnis in der Mehrzahl der Probanden implantiert taub 1-6. Dennoch, Soundcodierung mit aktuellen CIs schlechte Frequenz und Intensität Auflösung durch breite aktuellen Verbreitung von jeder Elektrode Kontakt Aktivierung einer großen Anzahl von SGNS entlang der Achse tonotopen der Cochlea 7-9. Optische Stimulation wird als Alternative zur elektrischen Stimulation, die räumlich begrenzt verspricht Aktivierung SGNS und damit höhere Frequenzauflösung der Codierung vorgeschlagen. In den letzten Jahren direkte Infrarotbeleuchtung der Cochlea wurde verwendet, um Reaktionen in der Hörnerv 10 hervorrufen. Dennoch höheren Energien erfordert als elektrische Stimulation 10,11 und die Unsicherheit bleibt, wie auf den zugrunde liegenden Mechanismus 12. Hier eine Methode, die auf Optogenetik zu stimulieren SGNS beschreiben wirmit geringer Intensität blaues Licht, mit transgenen Mäusen, die mit neuronalen Ausdruck Kanalrhodopsin 2 (ChR2) 13 oder Virus-vermittelte Expression des ChR2-Variante Catch 14. Wir verwendeten Mikro Leuchtdioden (μLEDs) und fasergekoppelte Laser zu ChR2-exprimierenden SGNS durch eine kleine künstliche Öffnung (Cochleostomie) oder das runde Fenster zu stimulieren. Wir untersucht die Reaktionen von Kopfhaut-Aufnahmen von Licht-evozierte Potentiale (optogenetische Hirnstamm-Reaktion: oABR) oder durch Mikroelektroden-Aufnahmen aus der Hörbahn und verglichen sie mit akustischer und elektrischer Stimulation.

<html> Eine optimale Cochleostomie kritisch ist und die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Versuchs. Das heißt, die Fenster regelmäßig ist, klein, und es gibt keine Schädigung der internen Strukturen der Cochlea. Zum Beispiel zeigt Blutungsschaden der Stria vascularis. Ein gutes Beispiel ist in 1B dargestellt. Mit ChR2-transgenen Mäusen wird ChR2 in den SGNS in der Cochlea (1C) ausgedrückt. Blaues Licht Beleuchtung entweder durch μ...

Watch this Scientific Journal Video about Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve at JoVE.com

Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve

Cochlea-Implantate (CI) ermöglichen durch direkte elektrische Stimulation des Hörnervs zu hören. , Schlechte Frequenz und Intensität Auflösung begrenzt jedoch die Qualität der mit CIs zu hören. Hier beschreiben wir optogenetische Stimulation des Hörnervs bei Mäusen als alternative Strategie für auditive Forschung und Entwicklung künftiger CIs.

Optogenetische Stimulation des Hörnervs

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted ...

optogenetic-stimulation-of-the-auditory-nerve

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.5K Aufrufe.  University Medical Center Goettingen.  Cochlea-Implantate (CI) ermöglichen durch direkte elektrische Stimulation des Hörnervs zu hören. , Schlechte Frequenz und Intensität Auflösung begrenzt jedoch die Qualität der mit CIs zu hören. Hier beschreiben wir optogenetische Stimulation des Hörnervs bei Mäusen als alternative Strategie für auditive Forschung und Entwicklung künftiger CIs. 

Serie: Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve

TMS: Using the Theta-Burst Protocol to Explore Mechanism of Plasticity in Individuals with Fragile X Syndrome and Autism

Fragile X Syndrome (FXS), also known as Martin-Bell Syndrome, is a genetic abnormality found on the X chromosome.1,2 Individuals suffering from FXS display abnormalities in the expression of FMR1 - a protein required for typical, healthy neural development.3 Recent data has suggested that the loss of this protein can cause the cortex to be hyperexcitable thereby affecting overall patterns of neural plasticity.4,5
In addition, Fragile X shows a strong comorbidity with autism: in fact, 30% of children with FXS are diagnosed with autism, and 2 - 5% of autistic children suffer from FXS.6
Transcranial Magnetic Stimulation (a non-invasive neurostimulatory and neuromodulatory technique that can transiently or lastingly modulate cortical excitability via the application of localized magnetic field pulses 7,8) represents a unique method of exploring plasticity and the manifestations of FXS within affected individuals. More specifically, Theta-Burst Stimulation (TBS), a specific stimulatory protocol shown to modulate cortical plasticity for a duration up to 30 minutes after stimulation cessation in healthy populations, has already proven an efficacious tool in the exploration of abnormal plasticity.9,10 
Recent studies have shown the effects of TBS last considerably longer in individuals on the autistic spectrum - up to 90 minutes.11 This extended effect-duration suggests an underlying abnormality in the brain's natural plasticity state in autistic individuals - similar to the hyperexcitability induced by Fragile X Syndrome.
In this experiment, utilizing single-pulse motor-evoked potentials (MEPs) as our benchmark, we will explore the effects of both intermittent and continuous TBS on cortical plasticity in individuals suffering from FXS and individuals on the Autistic Spectrum.

In this article, we examine the effects of Theta-Burst TMS stimulation on cortical plasticity in individuals suffering from Fragile X syndrome and individuals on the autistic spectrum.

TMS: Mit dem Theta-Burst-Protokoll zu Mechasnism der Plastizität in Individuen sich mit Fragile X-Syndrom und Autismus

Fragile X Syndrome (FXS), also known as Martin-Bell Syndrome, is a genetic abnormality found on the X chromosome.1,2 Individuals suffering from FXS ...

Forschung

Neurowissenschaften

The NeuroStar TMS Device: Conducting the FDA Approved Protocol for Treatment of Depression

The Neuronetics NeuroStar Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) System is a class II medical device that produces brief duration, pulsed magnetic fields. These rapidly alternating fields induce electrical currents within localized, targeted regions of the cortex which are associated with various physiological and functional brain changes.1,2,3
In 2007, O'Reardon et al., utilizing the NeuroStar device, published the results of an industry-sponsored, multisite, randomized, sham-stimulation controlled clinical trial in which 301 patients with major depression, who had previously failed to respond to at least one adequate antidepressant treatment trial, underwent either active or sham TMS over the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). The patients, who were medication-free at the time of the study, received TMS five times per week over 4-6 weeks.4
The results demonstrated that a sub-population of patients (those who were relatively less resistant to medication, having failed not more than two good pharmacologic trials) showed a statistically significant improvement on the Montgomery-Asberg Depression Scale (MADRS), the Hamilton Depression Rating Scale (HAMD), and various other outcome measures. In October 2008, supported by these and other similar results5,6,7, Neuronetics obtained the first and only Food and Drug Administration (FDA) approval for the clinical treatment of a specific form of medication-refractory depression using a TMS Therapy device (FDA approval K061053).
In this paper, we will explore the specified FDA approved NeuroStar depression treatment protocol (to be administered only under prescription and by a licensed medical profession in either an in- or outpatient setting).

In this article, we examine the methodology and considerations relevant to the FDA approved depression treatment protocol using the Neuronetics NeuroStar TMS device.

Die Neurostar TMS Device: Die Durchführung der FDA genehmigten Protokoll für die Behandlung von Depression

The Neuronetics NeuroStar Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) System is a class II medical device that produces brief duration, pulsed magnetic ...

Selective Viral Transduction of Adult-born Olfactory Neurons for Chronic in vivo Optogenetic Stimulation

Local interneurons are continuously regenerated in the olfactory bulb of adult rodents1-3. In this process, called adult neurogenesis, neural stem cells in the walls of the lateral ventricle give rise to neuroblasts that migrate for several millimeters along the rostral migratory stream (RMS) to reach and incorporate into the olfactory bulb. To study the different steps and the impact of adult-born neuron integration into preexisting olfactory circuits, it is necessary to selectively label and manipulate the activity of this specific population of neurons. The recent development of optogenetic technologies offers the opportunity to use light to precisely activate this specific cohort of neurons without affecting surrounding neurons4,5. Here, we present a series of procedures to virally express Channelrhodopsin2(ChR2)-YFP in a temporally restricted cohort of neuroblasts in the RMS before they reach the olfactory bulb and become adult-born neurons. In addition, we show how to implant and calibrate a miniature LED for chronic in vivo stimulation of ChR2-expressing neurons.

Selective Viral Transduction of Adult-born Olfactory Neurons for Chronic in vivo Optogenetic Stimulation

Adult-born neurons of the olfactory bulb can be optogenetically controlled using Channelrhodopsin2-expressing lentiviral injection in the rostral migratory stream and chronic photostimulation with an implanted miniature LED.

Selektive Viral Transduktion von Adult-geboren olfaktorischen Neuronen für chronische In vivo Optogenetische Stimulation

Local interneurons are continuously regenerated in the olfactory bulb of adult rodents1-3. In this process, called adult neurogenesis, neural stem cells ...

Fiber-optic Implantation for Chronic Optogenetic Stimulation of Brain Tissue

Elucidating patterns of neuronal connectivity has been a challenge for both clinical and basic neuroscience. Electrophysiology has been the gold standard for analyzing patterns of synaptic connectivity, but paired electrophysiological recordings can be both cumbersome and experimentally limiting. The development of optogenetics has introduced an elegant method to stimulate neurons and circuits, both in vitro1 and in vivo2,3. By exploiting cell-type specific promoter activity to drive opsin expression in discrete neuronal populations, one can precisely stimulate genetically defined neuronal subtypes in distinct circuits4-6. Well described methods to stimulate neurons, including electrical stimulation and/or pharmacological manipulations, are often cell-type indiscriminate, invasive, and can damage surrounding tissues. These limitations could alter normal synaptic function and/or circuit behavior. In addition, due to the nature of the manipulation, the current methods are often acute and terminal. Optogenetics affords the ability to stimulate neurons in a relatively innocuous manner, and in genetically targeted neurons. The majority of studies involving in vivo optogenetics currently use a optical fiber guided through an implanted cannula6,7; however, limitations of this method include damaged brain tissue with repeated insertion of an optical fiber, and potential breakage of the fiber inside the cannula. Given the burgeoning field of optogenetics, a more reliable method of chronic stimulation is necessary to facilitate long-term studies with minimal collateral tissue damage. Here we provide our modified protocol as a video article to complement the method effectively and elegantly described in Sparta et al.8 for the fabrication of a fiber optic implant and its permanent fixation onto the cranium of anesthetized mice, as well as the assembly of the fiber optic coupler connecting the implant to a light source. The implant, connected with optical fibers to a solid-state laser, allows for an efficient method to chronically photostimulate functional neuronal circuitry with less tissue damage9 using small, detachable, tethers. Permanent fixation of the fiber optic implants provides consistent, long-term in vivo optogenetic studies of neuronal circuits in awake, behaving mice10 with minimal tissue damage.

The development of optogenetics now provides the means to precisely stimulate genetically defined neurons and circuits, both in vitro and in vivo. Here we describe the assembly and implantation of a fiber optic for chronic photostimulation of brain tissue.

LWL-Implantation für chronische optogenetische Stimulation des Hirngewebes

Elucidating patterns of neuronal connectivity has been a challenge for both clinical and basic neuroscience. Electrophysiology has been the gold standard ...

Optogenetic Stimulation of Escape Behavior in Drosophila melanogaster

A growing number of genetically encoded tools are becoming available that allow non-invasive manipulation of the neural activity of specific neurons in Drosophila melanogaster1. Chief among these are optogenetic tools, which enable the activation or silencing of specific neurons in the intact and freely moving animal using bright light. Channelrhodopsin (ChR2) is a light-activated cation channel that, when activated by blue light, causes depolarization of neurons that express it. ChR2 has been effective for identifying neurons critical for specific behaviors, such as CO2 avoidance, proboscis extension and giant-fiber mediated startle response2-4. However, as the intense light sources used to stimulate ChR2 also stimulate photoreceptors, these optogenetic techniques have not previously been used in the visual system. Here, we combine an optogenetic approach with a mutation that impairs phototransduction to demonstrate that activation of a cluster of loom-sensitive neurons in the fly's optic lobe, Foma-1 neurons, can drive an escape behavior used to avoid collision. We used a null allele of a critical component of the phototransduction cascade, phospholipase C-&beta;, encoded by the norpA gene, to render the flies blind and also use the Gal4-UAS transcriptional activator system to drive expression of ChR2 in the Foma-1 neurons. Individual flies are placed on a small platform surrounded by blue LEDs. When the LEDs are illuminated, the flies quickly take-off into flight, in a manner similar to visually driven loom-escape behavior. We believe that this technique can be easily adapted to examine other behaviors in freely moving flies.

Optogenetic Stimulation of Escape Behavior in Drosophila melanogaster

Genetically encoded optogenetic tools enable noninvasive manipulation of specific neurons in the Drosophila brain. Such tools can identify neurons whose activation is sufficient to elicit or suppress particular behaviors. Here we present a method for activating Channelrhodopsin2 that is expressed in targeted neurons in freely walking flies.

Optogenetische Stimulation von Escape Verhalten in<em&gt; Drosophila melanogaster</em

A  growing number of genetically encoded tools are becoming available that allow non-invasive  manipulation of the neural activity of specific neurons in ...

Selective Tracing of Auditory Fibers in the Avian Embryonic Vestibulocochlear Nerve

The embryonic chick is a widely used model for the study of peripheral and central ganglion cell projections. In the auditory system, selective labeling of auditory axons within the VIIIth cranial nerve would enhance the study of central auditory circuit development. This approach is challenging because multiple sensory organs of the inner ear contribute to the VIIIth nerve 1. Moreover, markers that reliably distinguish auditory versus vestibular groups of axons within the avian VIIIth nerve have yet to be identified. Auditory and vestibular pathways cannot be distinguished functionally in early embryos, as sensory-evoked responses are not present before the circuits are formed. Centrally projecting VIIIth nerve axons have been traced in some studies, but auditory axon labeling was accompanied by labeling from other VIIIth nerve components 2,3. Here, we describe a method for anterograde tracing from the acoustic ganglion to selectively label auditory axons within the developing VIIIth nerve. First, after partial dissection of the anterior cephalic region of an 8-day chick embryo immersed in oxygenated artificial cerebrospinal fluid, the cochlear duct is identified by anatomical landmarks. Next, a fine pulled glass micropipette is positioned to inject a small amount of rhodamine dextran amine into the duct and adjacent deep region where the acoustic ganglion cells are located. Within thirty minutes following the injection, auditory axons are traced centrally into the hindbrain and can later be visualized following histologic preparation. This method provides a useful tool for developmental studies of peripheral to central auditory circuit formation.

Here we describe a microdissection technique followed by fluorescent dye injection into the acoustic ganglion of early chick embryos for selective tracing of auditory axon fibers in the nerve and hindbrain.

Selektive Tracing von Auditory Fibers im Avian Embryonale vestibulocochlearis

The embryonic chick is a widely used model for the study of peripheral and central ganglion cell projections. In the auditory system, selective labeling ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution has been a long sought tool for neuroscientists in the systems-level search for the neural circuitry governing complex behavioral states. Optogenetics is a cutting-edge tool that is revolutionizing the field of neuroscience and represents one of the first systematic approaches to enable causal testing regarding the relation between neural signaling events and behavior. By combining optical and genetic approaches, neural signaling can be bi-directionally controlled through expression of light-sensitive ion channels (opsins) in mammalian cells. The current protocol describes delivery of specific wavelengths of light to opsin-expressing cells in deep brain structures of awake, freely-moving rodents for neural circuit modulation. Theoretical principles of light transmission as an experimental consideration are discussed in the context of performing in vivo optogenetic stimulation. The protocol details the design and construction of both simple and complex laser configurations and describes tethering strategies to permit simultaneous stimulation of multiple animals for high-throughput behavioral testing.

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

Optogenetics has become a powerful tool for use in behavioral neuroscience experiments. This protocol offers a step-by-step guide to the design and set-up of laser systems, and provides a full protocol for carrying out multiple and simultaneous in vivo optogenetic stimulations compatible with most rodent behavioral testing paradigms.

In vivo optogenetische Stimulation des Nager Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Direct Visualization of the Murine Dorsal Cochlear Nucleus for Optogenetic Stimulation of the Auditory Pathway

Investigation into the use of virus-mediated gene transfer to arrest or reverse hearing loss has largely been relegated to the peripheral auditory system. Few studies have examined gene transfer to the central auditory system. The dorsal cochlear nucleus (DCN) of the brainstem, which contains second order neurons of the auditory pathway, is a potential site for gene transfer. In this protocol, a technique for direct and maximal exposure of the murine DCN via a posterior fossa approach is demonstrated. This approach allows for either acute or survival surgery. Following direct visualization of the DCN, a host of experiments are possible, including injection of opsins into the cochlear nucleus and subsequent stimulation by an optical fiber coupled to a blue light laser.&#160;Other neurophysiology experiments, such as electrical stimulation and neural injector tracings are also feasible.&#160;The level of visualization and the duration of stimulation achievable make this approach applicable to a wide range of experiments.

The goal of this protocol is to outline a surgical approach to provide direct access to the dorsal cochlear nucleus in a murine model.

Direkte Visualisierung der Murine Rücken Cochlear Nucleus für optogenetische Stimulation der Hörbahn

Investigation into the use of virus-mediated gene transfer to arrest or reverse hearing loss has largely been relegated to the peripheral auditory system. ...

Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels). The present protocol describes how this method can be used to stimulate the posterior tibial nerve that activates plantar flexor muscles. Percutaneous electrical nerve stimulation consists of inducing an electrical stimulus to a motor nerve to evoke a muscular response. Direct (M-wave) and/or indirect (H-reflex) electrophysiological responses can be recorded at rest using surface electromyography. Mechanical (twitch torque) responses can be quantified with a force/torque ergometer. M-wave and twitch torque reflect neuromuscular transmission and excitation-contraction coupling, whereas H-reflex provides an index of spinal excitability. EMG activity and mechanical (superimposed twitch) responses can also be recorded during maximal voluntary contractions to evaluate voluntary activation level. Percutaneous nerve stimulation provides an assessment of neuromuscular function in humans, and is highly beneficial especially for studies evaluating neuromuscular plasticity following acute (fatigue) or chronic (training/detraining) exercise.

We present a protocol to assess changes in neuromuscular function. Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method that evokes muscular responses. Electrophysiological and mechanical properties of these responses permit the evaluation of neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels).

Beurteilung der neuromuskulären Funktion Mit Perkutane elektrische Nervenstimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...

Tracking Drosophila Larval Behavior in Response to Optogenetic Stimulation of Olfactory Neurons

The ability of insects to navigate toward odor sources is based on the activities of their first-order olfactory receptor neurons (ORNs). While a considerable amount of information has been generated regarding ORN responses to odorants, the role of specific ORNs in driving behavioral responses remains poorly understood. Complications in behavior analyses arise due to different volatilities of odorants that activate individual ORNs, multiple ORNs activated by single odorants, and the difficulty in replicating naturally observed temporal variations in olfactory stimuli using conventional odor-delivery methods in the laboratory. Here, we describe a protocol that analyzes Drosophila larval behavior in response to simultaneous optogenetic stimulation of its ORNs. The optogenetic technology used here allows for specificity of ORN activation and precise control of temporal patterns of ORN activation. Corresponding larval movement is tracked, digitally recorded, and analyzed using custom written software. By replacing odor stimuli with light stimuli, this method allows for a more precise control of individual ORN activation in order to study its impact on larval behavior. Our method could be further extended to study the impact of second-order projection neurons (PNs) as well as local neurons (LNs) on larval behavior. This method will thus enable a comprehensive dissection of olfactory circuit function and complement studies on how olfactory neuron activities translate in to behavior responses.

Tracking Drosophila Larval Behavior in Response to Optogenetic Stimulation of Olfactory Neurons

This protocol analyzes navigational behavior of Drosophila larva in response to simultaneous optogenetic stimulation of its olfactory neurons. Light of 630 nm wavelength is used to activate individual olfactory neurons expressing a red-shifted channel rhodopsin. Larval movement is simultaneously tracked, digitally recorded, and analyzed using custom-written software.