Mechanisms of local synaptic effects of intracortical microstimulation in somatosensory cortex of mice and rats

Abstract

The idea to stimulate neural tissue to restore impaired sensory functions originates from inspiring studies of Brindley and Lewin, who have found that electrical stimulation of human occipital cortex produces simple visual percept (Brindley and Lewin, 1968). Today's most successful application of electrical stimulation is the cochlear implant, a device that stimulates auditory nerve to treat deafness. However patients with lesions at higher stations of central nervous system cannot benefit from stimulation of peripheral nerves, leaving only opportunity to use neocortex for sensory signal introduction. As a result, the feasibility to use direct cortical stimulation to overcome injured pathways has acquired much of scientific attention. The main difficulty in this approach is to encode relevant percepts by using electrically induced neocortical activity. Despite recent evidence that cortical microstimulation is able to provide the substrate for a sensory percept, lack of knowledge about neuronal mechanisms underlying the 'artificial' percepts delays clinical application of intracortical stimulation in neurologic patients. In this light, studies introduced in present thesis are focused on characterizing the neuronal and perceptual effects of intracortical stimulation. They are an attempt to relate percept to detailed spatio-temporal features of electrically evoked activity.

Die Idee, elektrische Stimulation neuronalen Gewebes zur Wiederherstellung eingeschränkter sensorischer Funktionen zu verwenden, entstand aufgrund von Studien von Brindley und Lewin. Diese Autoren fanden heraus, dass die elektrische Anregung des menschlichen okzipitalen Kortex eine einfache visuelle Wahrnehmung erzeugt (Brindley und Lewin, 1968). Die derzeit erfolgreichste Anwendung elektrischer Hirnstimulation ist das Cochlea-Implantat, eine Vorrichtung, welche den Hörnerv tauber Patienten elektrisch anregt. Jedoch können Patienten mit Verletzungen an den höheren Stationen des Zentralnervensystems nicht von der Anregung sensorischer Nerven profitieren; hier bleibt nur der Neokortex als Ziel sensorischer Signaleinspeisung. Das Hauptproblem dieses Ansatzes ist die Kodierung relevanter Perzepte durch elektrisch evozierte neokortikale Aktivität. Obwohl bekannt ist, dass kortikale Mikrostimulation die Grundlage für ein sensorisches Perzept bieten kann, verzögert Mangel an Wissen über die den künstlichen Perzepten zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen die klinische Anwendung bei neurologischen Patienten. Die in dieser Dissertation vorgestellten Studien dienen der Charakterisierung neuronaler und perzeptueller Effekte intrakortikaler Mikrostimulation zur Beschreibung perzeptueller Phänomene als eine Funktion raumzeitlicher Stimulationsparameter.