Artificial tactile sensation by microstimulation of the hindpaw representation in the primary somatosensory cortex of behaving rats

Abstract

Bu tez çalışmasında, sıçanlar mekanik sinuzoidal titreşimlerin (uyartı süresi: 0.5 s, tepe genliği: 200 um, frekans: 40 Hz) varlığını ya da yokluğunu algılamaya şartlandırılmıştır. Şartlandırma için yeni bir mekanik uyarım sistemi ile donatılmış işlemsel şartlandırma kabini tasarlanmıştır. Psikofiziksel deneylerde, sıçanlara ait psikometrik eğriler üç frekansta (40 Hz, 60 Hz ve 80 Hz) elde edilmiştir. Daha sonra, sıçanların birincil beden duyusu korteksinin arka ayak bölgesine mikro-elektrotlar yerleştirilmiş ve sıçanlar iki-fazlı yük-dengeli akım darbelerini (ICMS) (darbe genişliği: 600 us, akım seviyesi: 20-200 uA) algılamaya şartlandırılmıştır. Psikofziksel deneylerle mekanik deneylerde olduğu gibi psikometrik eğriler elde edilmiştir. Mekanik ve ICMS deneylerinden toplanan psikometrik verilere uyaran genlik ve frekansına göre yüzey eğrileri uydurulmuştur. Elde edilen psikometrik fonksiyonlar ile beş sıçan için psikometrik denklik fonksiyonları (PCF) üretilmiştir. PCF'ler belirlenen bir frekansta verilen mekanik titreşim genliğine psikometrik olarak denk gelen akım genliğini hesaplamakta kullanılmıştır. PCF'ler ile oluşturulan modelin doğruluğu ayrı bir davranışsal deneyde beş frekansta (40 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 70 Hz ve 80 Hz) test edilmiştir. Bu deneylerde, yüksek genlikte bir mekanik uyaran ile algılama görevi yapan sıçanlara içerisinde mekanik ya da ICMS uyaranlardan birinin bulunduğu ödül verilmeyen denemeler sunulmuştur. Bu denemelerde kullanılan mekanik ve ICMS uyaranların genlikleri PCF ile birbirlerine eşleştirilmiştir. Kolmogorov-Smirnov testinin sonucuna göre, mekanik ve ICMS uyaranlar benzer psikometrik eğriler üretmiştir (beş frekans ve beş sıçan için tüm p değerleri >0.05). Böylelikle, psikometrik denkliklere dayalı bu metot beden duyusu protezlerinde kullanılan ICMS uyaranına ait genlik ve frekansın modüle edilmesi için uygun görünmektedir.

In this thesis, rats were trained to detect the presence or absence of bursts of mechanical sinusoidal vibrations (duration: 0.5 s, zero-to-peak amplitude: 200 um, frequency: 40 Hz) delivered to the volar surface of their hindpaws in a novel vibrotactileoperant chamber. In psychophysical experiments, psychometric curves were obtained for three frequencies (40 Hz, 60 Hz and 80 Hz). Then, the rats were implanted with microelectrodes in the hindpaw representation of the primary somatosensory cortex and trained to detect trains of biphasic charge-balanced current pulses (pulse width: 600 us, current intensity: 20-200 uA)(ICMS). They further tested in psychophysical experiments and psychometric curves were obtained for ICMS detection as in vibrotactile experiments. The psychometric data collected from vibrotactile and ICMS experiments were fitted with surface functions using the stimulus intensity and frequency. Psychometric correspondence functions (PCFs) were constructed based on the psychometric functions of five rats. The PCFs were used to estimate current intensities for a given tactile stimulus intensity and frequency. The PCFs were validated in an additional experiment at five frequencies (40 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 70 Hz and 80 Hz). In this experiment, the rats performing vibrotactile detection task were presented with unrewarded trials containing either a vibrotactile or an ICMS stimulus. The vibrotactile and ICMS intensities were matched based on PCFs. Kolmogorov-Smirnov statistic showed that the vibrotactile and ICMS stimuli produced similar psychometric curves in validation experiments (all p values >0.05 for 5 frequencies and 5 rats). Therefore, the PCF based method seems to be feasible for modulating the current intensities and frequency of ICMS in a somatosensory neuroprosthetic application.