Кортикальный зрительный протез

диссертация Марианны Ивановой

статья "Свет в конце нейрона" журнал Эксперт, 2008г

Актуальность ::: Обзор литературы (ч.1) (ч.2) ::: Методы ::: Результаты ::: Обсуждение и выводы ::: Литература

Объект и методы исследования

Тринадцать взрослых здоровых кошек были предварительно испытаны на «способность» к тестам по выработке условных пищевых рефлексов. Одиннадцать из них были взяты для последующего экспериментального исследования.

В эксперименте мы использовали хорошо известный и описанный принцип переноса классического периферического условного рефлекса в центральный условный рефлекс. Наш подход заключался в выработке у всех животных условного пищедобывательного рефлекса в ответ на предъявление «модели фосфенного поля» (МФП) с последующим центральным рефлексом при раздражении током зрительной коры (поле 17).

Имплантировали поверхностные и интракортикальные (на уровень 3-4-го слоя) электроды диаметром 1,0 мм , 0,2 мм или 0,05 мм . В зависимости от глубины имплантации и диаметра электрода животные были разделены на 4 группы.

Перед вживлением все электроды и матрицы стерилизовали в этиловом спирте. Точность введения электродов контролировали по координатам атласа Rejno s o- Suarez et al . (1961) и с помощью вызванных потенциалов на свет, локализацию кончика электрода определяли с точностью до слоя по изменениям вызванного потенциала. После окончательного использования некоторым животным проводили морфологический контроль положения кончиков электродов.

Имплантацию электродов для хронических экспериментов проводили под нембуталовым наркозом в экранированной экспериментальной камере в стерильных условиях на кошках обоего пола весом 2,5 - 4,5 кг .

После 12 – 24 - часовой пищевой депривации вводили нембутал в дозе 33-35 мг/кг , животное через 15 минут засыпало, и его укрепляли в стереотаксическом приборе типа М13-4101. Поверхность кожи на черепе сбривали от носа до загривка, место надреза обрабатывали йодом, кожу надрезали от переносицы до загривка. После этого часть головных мышц на вскрываемой поверхности вырезали, тщательно очищали череп от остатков мягкой ткани шпателем и осушали перекисью водорода.

Координаты электродов размечали на черепе по атласу и осторожно сверлили бором отверстия до мозговой оболочки. Поверхностные электроды вживляли эпикортикально, перед вживлением интракортикальных аккуратно протыкали мозговую оболочку инъекционной иглой. Процедуру вживления проводили в одном и том же направлении (ростро-каудальном или каудо-ростральном). Возникающий из-под введенных электродов на поверхность кости ликвор отсасывали ватными или марлевыми фитилями. Крепили электроды акрилоксидом. Всю свободную поверхность кости, которая должна была находиться под «пробкой», также сначала покрывали акрилоксидом.

После процедур имплантации электродов и матрицы острые углы и выступы нивелировали фрезой, операционное поле тщательно очищали, рану обрабатывали бициллином, пенициллином или стрептоцидом и зашивали. Затем вводили внутримышечно бициллин (100000 ед. на 1 мл новокаина). В конце операции вживления регистрировали контрольные зрительные вызванные потенциалы на свет. Животное вынимали из стереотаксического аппарата и помещали в послеоперационный бокс, где оно приходило в себя после наркоза.

Каждое животное использовалось в течение нескольких недель/месяцев, количество экспериментов с каждым животным по определенной программе составляло несколько десятков.

После проведенной имплантации и периода реабилитации в течение 5–7 дней животное брали в поведенческий эксперимент.

Стимулирующая и регистрирующая аппаратура.

Фотостимуляцию при вертикальных проходках проводили прибором типа ФС-2 с насаженной к лампе-вспышке самодельной оптической системой, позволяющей регулировать размер светового луча от 1 углового градуса и выше. Длительность вспышки была 50 мкс, интенсивность 0,3 Дж. Для регистрации биосигналов мозга использовали усилители фирмы “ Nihon Kohden ” (Япония), подключенные к компьютеру. Верхняя полоса используемых частот составляла 150 Гц, нижняя ограничивалась постоянной времени усилителей, которую при изучении ВП брали равной 0,5 с. Для электрического раздражения коры применяли двухканальный стимулятор фирмы “ Nihon Kohden ”" (Япония), выходы которого были соединены с раздражающими электродами через изолирующие трансформаторы той же фирмы. Токи и напряжение раздражения измеряли этим же прибором. Импеданс электродов измеряли прибором фирмы « Dantec » T ype 15B45.

Контроль положения имплантированных электродов

осуществлялся тремя способами: стереотаксически, электрофизиологически, морфологически.

Модель «фосфенного поля» (МФП)

представляла собой условный раздражитель в виде зрительного паттерна в виде нескольких (4 – 7) пучков света диаметром примерно в 1 угловой градус («имитация фосфенного поля»). Животное обучали поднимать какую-либо лапу при включении светового паттерна МФП, положительным подкреплением служил кусочек мяса. Так как животное перед проведением обучения не кормили в течение нескольких часов, то правильный ответ в виде поднятия лапы на включение светового паттерна с последующим вознаграждением в виде кусочка мяса служили достаточным мотивирующим фактором для животного, чтобы обучиться рефлексу. Во время эксперимента, чтобы ограничить передвижения животному надевали жилет, который веревками прикреплялся к штангам, фиксируя таким образом свободу перемещения животного в радиусе 50 – 70 см .

Выработка условного рефлекса в экспериментальной группе животных в среднем занимала 13 ± 2 дня. Из 13 животных одиннадцать быстро и четко обучились ответу на световой стимул. Оставшиеся животные либо слишком медленно обучались до необходимого процента правильных ответов, либо животное «понимало», что от него требуется, но вследствие индивидуальных особенностей и «характера», уровень правильных ответов в среднем не превышал 40 – 50%. Поэтому данные животные не были взяты в эксперимент по имплантации микроэлектродов и матриц. C тоимость одной микроэлектродной матрицы фирмы NeuroConnex составляет порядка 1800 евро. На основе взаимовыгодного сотрудничества нам были предоставлены матрицы фирмы NeuroConnex , которые мы имплантировали трем животным (№№ 5, 8, 13). Восьми животным была проведена имплантация микроэлектродов собственного производства (№№ 1, 2, 4, 7, 9, 10, 11, 12).

Выработка условного рефлекса

Вначале кошку обучали класть лапу на фонарик в тот момент, когда он зажигался. При правильной реакции животное подкармливалось. Затем фонарик отодвигали от него на расстояние 5 – 10 см . Для быстрого и эффективного обучения кошке надевали жилет, который на веревках прикреплялся к штангам, и тем самым, ограничивая степень ее подвижности, заставлял протягивать лапу (неважно какую) в направлении отдаленного фонарика во время его зажигания.

Обучение завершали через 15 дней, при уровне правильных ответов более 70%. Латентный период поднятия лапы в зависимости от животного изменялся от 2 до 10 сек и стабилизировался на уровне 3-4 сек в конце обучения, суетливые и неуверенные движения исчезали, что указывало на прочность рефлекса. Таким образом, вырабатывался рефлекс на предъявление МФП.

На следующем этапе после имплантации и пятидневного периода реабилитации проводили зрительную депривацию – на глаза животного накладывали повязку из плотного материала.

При закрытых повязкой глазах кошка получала электрическое раздражение коры одновременно от одного или нескольких электродов с помощью двухканального электростимулятора фирмы Nihon Kohden (Япония) выходы которого были соединены с раздражающими электродами через изолирующие трансформаторы той же фирмы. Параметры раздражения (силу тока, полярность и длительность импульса, частоту и длительность трейна импульсов) изменяли при такой конфигурации электродов до тех пор, пока не получали понятных ответов (поднятия лапы).

Сопротивление микроэлектродов измеряли каждый месяц после имплантации.

Далее >> Результаты исследований

Актуальность ::: Обзор литературы (ч.1) (ч.2) ::: Методы ::: Результаты ::: Обсуждение и выводы ::: Литература