Вчені розробили кохлеарний імплантат, який оптогенетично стимулює слуховий нерв щурів. В результаті глухі тварини змогли почути звук - світлова стимуляція призвела до збудження слухових центрів стовбура мозку і поведінкової реакції. Просторова і частотна роздільна здатність оптичного імплантату вища, ніж у звичайного електродного. Стаття опублікована в журналі.
Близько п "яти відсотків населення планети живе з порушенням слуху. Причину найпоширенішої форми - нейросенсорної тугоухості - усувати поки не навчилися, тому у сотень тисяч людей у равлику внутрішнього вуха встановлені кохлеарні імплантати.
Сенсорна частина равлика - це мембрана, згорнута в спіраль; різні ділянки мембрани резонують при коливаннях різної частоти і передають сигнал слуховому нерву (він йде паралельно мембрані), а той - в мозок. Основа кохлеарних імплантатів - електродний ланцюжок, який вживляють уздовж мембрани равлика. Електроди стимулюють різні ділянки слухового нерва залежно від частоти звуку і дозволяють людям з порушеннями слуху сприймати мову в тиші.
Брак сучасних імплантатів - в низькій просторовій (і, відповідно, частотній) роздільній здатності. Один електрод збуджує широку ділянку слухового нерва, і всього встановлюють від 12 до 24 електродів - на відповідне число відрізків ділиться весь діапазон звукових частот. Аналогом може стати оптогенетична стимуляція: замість електродів можна використовувати світлодіоди, якщо в мембрану нервових волокон вставити світлочутливі канали. Таким чином виходить стимулювати менші ділянки слухового нерва і сигналізувати мозок про більш вузький діапазон частот.
Дослідники з Німеччини під керівництвом Патріка Рутера (Patrick Ruther) з Фрайбурзького університету і Тобіаса Мозера (Tobias Moser) з Геттінгенського університету розробили оптичний кохлеарний імплантат для гризунів - поліімідну стрічку з 10 сведодіодами на кінці. Світлодіодну стрічку поміщали у равлик трансгенних щурів, у нейронах яких експресувалися світлочутливі канали.
Включення світлодіодів на чотири секунди викликало активацію слухових центрів стовбура мозку, схожу з збудженням у відповідь на клацаючий звук. Амплітуда сигналу підвищувалася при збільшенні інтенсивності світла і тривалості стимулу і зменшувалася з підвищенням частоти стимуляції.
Теоретична перевага оптичних імплантатів - в кращій просторовій роздільній здатності. У створеному зразку лише 10 досить великих світлодіодів, тому його роздільна здатність далеко від оптимального, проте метою цього прототипу було дослідити загальні можливості технології. Цим дослідники і зайнялися - вони записали відповідь верхнього дволію середнього мозку когтистих піщанок (їх равлик більше, ніж у щурів, і в нього краще поміщається діодна стрічка) на включення діодів у різних частинах равлика. Верхні горбики тонотопічні - нейрони, що реагують на звуки різних частот, розташовуються в різних частинах структури, і по широті їх збудження можна судити, які частини слухового нерва активувалися. Щоб зрозуміти, активація яких нейронів відповідала тим чи іншим звуковим частотам, спочатку виконали «калібрування» - реєстрували активацію верхнього двоолмію у відповідь на звуки різної частоти.
При слабкій силі імпульсу (і, відповідно, нейронної відповіді) збудження у відповідь на світло поширювалося у верхніх горбиках на такий же діапазон частот, що і при використанні електродів. Зате при більшій силі імпульсу активація верхнього дволмію була значно вже з оптичним імплантатом, ніж з електричним (вибірковість впливу була до 1,7 разів вище).
Нарешті, вчені приєднали до оптичного кохлеарного імплантату звуковий процесор, який перетворював записувані через мікрофон звуки в сигнал для світлодіодів. Процесор (разом з пластиковим футляром він важив всього вісім грамів) приклеїли до голови щурів, яким перед цим вставили оптичний імплантат і одночасно ввели ототоксичний препарат канаміцин, що порушує функції внутрішнього вуха. До операції щурів навчили боятися звукового сигналу - почувши його, тварини переходили в інший відсік експериментальної камери або отримували удар струмом.
Коли глухих щурів з оптичним імплантатом поміщали в експериментальну камеру і включали світлодіоди або безпосередньо, або звуковим сигналом через процесор, тварини перебігали в інший відсік у 80 відсотках випадків; реакція зберігалася протягом місяця. Контрольні тварини (щури без імплантатів, без світлочутливих каналів або з відключеним процесором) не реагували на сигнал. Виходить, імплантат допоміг глухим щурам почути звук.
За допомогою оптогенетики вчені допомагали «почути» звуки і птахам - правда, активували не слуховий нерв, а відділи мозку, що беруть участь у виробництві пісень. Таким чином дослідники навчили зебрових амадин співати - пісні при цьому вийшли незвичайні.