Here we demonstrate the use of a wireless enabling technology for electroencephalogram (EEG) in neonatal rodent models of human disease. With telemetry, there are no encumbering connections, thus allowing natural behaviors.
العديد من الأمراض العصبية التقدمية في البشر، مثل الصرع، تتطلب النماذج الحيوانية ما قبل السريرية التي تتطور ببطء المرض من أجل اختبار التدخلات في مراحل مختلفة من عملية المرض. هذه النماذج الحيوانية هي صعبة للغاية لتنفيذ في القوارض غير ناضجة، كائن النموذج التقليدي لدراسة مختبرية لهذه الاضطرابات. تسجيل EEG المستمر في النماذج الحيوانية الشباب من المضبوطات واضطرابات عصبية أخرى يمثل تحديا تقنيا بسبب الحجم الصغير من القوارض الشباب واعتمادهم على السد قبل الفطام. لذلك، ليس هناك فقط حاجة واضحة لتحسين الأبحاث ما قبل السريرية التي من شأنها تحديد أفضل تلك العلاجات المناسبة للترجمة إلى العيادة ولكن أيضا الحاجة إلى أجهزة جديدة قادرة على تسجيل المستمر EEG في القوارض غير ناضجة. هنا، وصفنا وراء التكنولوجيا وشرح استخدام نظام القياس عن بعد مصغرة الرواية، وهندستها خصيصا للاستخدام في الفئران غير ناضجة سالفئران ص، والتي هي أيضا فعالة لاستخدامها في الحيوانات البالغة.
أقدم – والتي لا تزال الأكثر استخداما على نطاق واسع – تقنية لتسجيل biopotentials في الدماغ هو الكهربائي (EEG). يتم استخدامه سريريا لشذوذات عصبية، بما في ذلك الكشف الاستيلاء 1، توطين الاستيلاء بؤر 2، وتشخيص ارتجاج 3،4. كما انها تستخدم على نطاق واسع هذه التقنية لتوفير المعلومات الأساسية حول آليات النوم وتشخيص اضطرابات النوم 5،6.
كما هو الحال في التشخيص السريري للالصرع، أصبح EEG لا غنى عنه للبحوث متعدية في النماذج الحيوانية على حد سواء الصرع الوراثي والمكتسب. في التطبيقات البحثية الحالية "السلكية" أو تسجيلات "المربوطة" هي المعيار، وتمارس بشكل روتيني في القوارض الكبار لعدة أسابيع في وقت 7. ومع ذلك، الضجيج الكهربائي، والتحف الحركة، والمخاطر التي المربوطة الحيوانات وتجرح نفسها عن طريق سحب على الكابل يكون ل compr طويلةomised هذه التجارب. وبالتالي، من أجل تحسين شروط ومعدلات النجاح التجريبية، نحن بحاجة إلى تطوير تقنيات جديدة من شأنها أن تسمح للقضاء على واجهة السلكية بين الحيوان والأجهزة. المنطقة الأكثر وضوحا للتنمية هو تصميم وتنفيذ نظم القياس الذي يسمح للتسجيلات عالية الجودة، مع الحفاظ على حياة مفيدة طويلة وتقليل الانزعاج للمواد الدراسية الحيوان. سوف يقلل من الحجم الفعلي لهذه الأجهزة تمكين الأبحاث المترجمة في نماذج القوارض حديثي الولادة والأحداث من الاضطرابات العصبية.
ويعمل انخفاض تسجيلات EEG قناة العد في الفئران نطاق واسع لتطوير علاجات جديدة لقمع نوبات الصرع قادرة على ترجمة للبشر. تسجيلات من مواقع واحدة أو أكثر لفترة طويلة تفتح العديد من الفرص لاستخدام نماذج القوارض من الصرع في الأبحاث المترجمة. تهدف الكثير من البحوث المعاصرة في هذا المجال لمنع وقوع seiz المزمنةures أو تطوير الصرع (أي epileptogenesis)، ومثل هذه الجهود البحثية تتطلب واسعة النطاق إذا رصد EEG لا المستمر لفحص فعالية العلاج المقترح 8؛ فإن وبسيطة، ونظام القياس عن بعد صغير مع واحد أو اثنين أو أربع قنوات تعمل بين ،1-100 هرتز لكل قناة تروج بقوة هذا النوع من الأبحاث المترجمة. وغالبا ما تحدث النوبات Electrographic مع السلوكيات الحد الأدنى (بالتأكيد دون تشنجات)، الأمر الذي يحد من فائدة المقايسات بناء على المضبوطات السلوكية. استراتيجية الجمع بين تسجيل EEG ورصد الفيديو في وقت واحد يسمح لأحد إمكانية التقاط كل نوبة. وعلاوة على ذلك، هذه الأساليب التحليلية قد تسمح التقييم الكمي من المسامير النشبات التي تحدث في المخ الصرع بين "نشبي" (أو الاستيلاء عليها) أحداث 9. وعلاوة على ذلك، فإن القدرة على الحصول مستمرة عالية الجودة منخفضة قطعة أثرية EEG التسجيلات، التي التكنولوجيا اللاسلكية بشكل عاممتفوقة، سيسمح لتطوير استخدام الخوارزميات القائم على الحاسوب لدراسة الموجات محددة EEG (على سبيل المثال، ثيتا، جاما)، وكذلك الكشف التلقائي من المضبوطات، والحد بشكل كبير من عبء العمل المجرب.
نموذج ما قبل السريرية الأولية لدراسة الصرع المزمن بعد اصابة في الدماغ هو فأر بالغ أو الماوس، إما من خلال-الاختلاج الكيماوي (أي حمض الكايينيك أو بيلوكاربين) أو المحرضة كهربائيا حالة صرعية (SE)، والتي تبعتها الصرع المزمن. في ظل هذه الظروف، لا يمكن للتشنجات شديدة مرتبطة SE أو النوبات اللاحقة في الحيوانات الصرع يؤدي إلى إصابة من تمزق حيوان أو سحب على حبل وتخفيف الخناق التي تحافظ على مرفق من مترسة الرأس. في نهاية المطاف، هذا هو المشكلة التي تنتهي عادة هذه التجارب، وبعد الحاجة للحصول على سجلات EEG عالية الدقة على المدى الطويل للتجارب تهدف إلى تطوير علاجات جديدة للأمراض المزمنةالصرع هو الهدف الأسمى. بالإضافة إلى ذلك، والإسكان، ورصد وتحليل البيانات من الحيوانات على المدى الطويل زرعها هو استثمار كبير في كل من التكاليف المباشرة والوقت محقق. لذلك، من السابق لأوانه إنهاء التجربة يمكن أن يؤدي إلى تكاليف كبيرة للباحثين. وهذه النماذج من التقدم الصرع والنوبات عادة تصبح أكثر تواترا وأشد 10-12، مما يزيد من احتمال أن الحيوانات والجرحى، كما فائدتها لتطوير علاجات جديدة يصبح أعظم. ويمكن لهذه الحيوانات تتطور بشكل روتيني العشرات من نوبات تشنج يوميا، والتي تحدث في مجموعات 13 في كثير من الأحيان.
ربما كان واحدا من أهم التطورات في مجال العلوم الطبية الحيوية استخدام استهداف الجينات في نماذج الماوس. وقد سمح هذا النهج، وسوف تستمر في السماح، وتطوير نماذج حيوانية من الصرع الوراثي التي تتكاثر المتلازمات الإنسان الفعلية 14-16. ويمكن إجراء التلاعب الجيني كماإثبات صحة المبدأ العلاجات لقمع نوبات الصرع أو حتى منع تطور مرض الصرع بعد إصابات الدماغ 17-20. وهذا النوع من البحوث تستفيد بشكل كبير من القدرة على أداء عالية الإنتاجية التسجيل المتواصل من EEG. في الوقت الحاضر، فمن الممكن أن يسجل من الفئران مع أي أنظمة المربوطة أو القياس. ومع ذلك، فإن التحديات للحصول على جودة عالية، والتسجيلات خالية من القطع الأثرية هي إلى حد كبير أكثر صعوبة من الفئران، وغالبا ما يتطلب ذلك أشكال مختلفة من الظهر أن الفئران تحاول باستمرار لإزالة. الإجهاد يمكن أن تزيد شدة النوبة، وتواتر و / أو المدة، وبالتالي فإنها تعديل في نهاية المطاف الصرع من حيوانات التجارب، مما يفند الدراسة. وهناك، وخفيفة الوزن، وانخفاض المستوى نظام القياس عن بعد مصغرة صغيرة تسهيل تسجيل طويل الأجل EEG من نماذج الماوس الوراثية من الأمراض التي تصيب البشر.
بالإضافة إلى المشاكل المذكورة أعلاه، تسجيل EEG في نموذج القوارض غير ناضجةالصورة من المرض لديه مجموعة فريدة من نوعها من التحديات. يمكن للحيوانات غير ناضجة تزن اقل من 6 ز (P8 الماوس) إلى 17 غرام (الفئران P6). يكاد يكون من المستحيل لجعل المسلسل عدة أيام تسجيلات EEG المربوطة بسبب زيادة الضغط من حبل وعدم السماح للتربية الطبيعية من الجرو بسبب السد. حتى مفطوم الحيوانات، ويجب أن تظل في رعاية السد. السد هو عرضة للتدمير أي التجمع موصل تخريجها على الجرو، إنهاء الجرو، وفي بعض الحالات إنهاء القمامة بأكملها. وعلاوة على ذلك، والقوارض الجمجمة غير ناضجة يجعل من الصعب تحميل أي رمى الكهربائي في الجمجمة مع السلامة الميكانيكية. هذه التحديات، فريدة من نوعها لالقوارض غير ناضجة، تتطلب حلا جديدا لجعل التسجيلات electrographic قوي وطويل الأجل. نحن هنا التركيز على إظهار غرس وتسجيل EEG باستخدام جهاز ارسال لاسلكي مصغر رواية والحاضر ثلاثة إثبات صحة المبدأ التجارب كأمثلة لاستخدام مصغرة نظام القياس عن بعد لاسلكي: 1) ايمناضجة الفئران نموذج الجرو من نقص الأكسجة نقص التروية، 2) الفئران البالغة تعامل مع DFP للحث على صرعية حالة والمضبوطات عفوية لاحقة، و3) نموذج الجيني للتشوهات الأوعية الدموية الغائرة التي تسفر عن ضبط والموت في فئران بالغة.
تم تصميم نظام القياس عن بعد لاسلكية مصغرة لتلبية أربعة شروط رئيسية هي: (1) زرع الجراحية الغازية الحد الأدنى؛ (2) التوافق على المساكن من الجراء القوارض مع السد وتتزاحم؛ (3) انخفاض استهلاك الطاقة للوحدة، وبالتالي السماح لعدة أشهر من المراقبة المستمرة دون جراحة إعادة الزرع؛ و (4) القدرة على تسجيل الطول الموجي EEG عالية الجودة مع الحد الأدنى من القطع الأثرية الحركة. الارسال اللاسلكي يزن <0.6، 2.3، و 4 G و هو <0.3، 0.8، و 1.4 سم 3 اعتمادا على البطارية مع بصمة من 5 × 7، 7 × 9 أو 7 × 12 ملم الذي يتصاعد بسهولة في الجمجمة الحيوان مع هلام cyanoacrylate. هناك حاجة إلى أي المراسي المسمار العظام لتركيب الجهاز بشكل آمن لالجمجمة، مما يقلل من عدد من الثقوب التي تحتاج إلى حفر في الجمجمة والوقت الجراحة. الجهاز قادر على تضخيم قناتين من EEG أو امكانات الحقل المحلية من هياكل الدماغ العميقة، مثل الحصين، لأكثر من 2 أسابيع، 2 أشهر، أو 6 أشهر في هذا التكوين. صغر حجم جهاز الإرسال اللاسلكي يقلل من خطر العدوى، ويزيد من حركية الحيوانات، وفي نهاية المطاف يقلل من معدلات الاعتلال والوفيات التي تزيد على خلاف ذلك الوقت، والمال، وعدد الحيوانات اللازمة للتجربة. وبوعاء جميع الالكترونيات والبطارية في الصف الطبية الايبوكسي الذي يجعل الجهاز للماء وصعبة، ومنع السد من المضغ على الارسال التي يمكن أن تجعل ذلك الجهاز غير صالحة للعمل. على عكس أجهزة الإرسال الترددات الراديوية، يستخدم نظام القياس عن بعد اقتران بالسعة بين المرسل وهوائي الاستقبال التي تقع أسفل القفص الحيواني، مما يتيح للمستخدم للحفاظ على الحيوانات في السكن القوارض القياسية. قنوات متعددة من recordiنانوغرام تسمح لتسجيل biopotentials متعددة الوسائط، مثل تخطيط القلب الكهربائي و. سوف نماذج حيوانية من الحالات المرضية شارك في الاستفادة من القدرة على تسجيل biopotentials خلال السلوك 21-23. والجمع بين السلوك مع EEG رصد تزويد الباحثين أداة أفضل للأبحاث والدراسات ما قبل السريرية.
يمكن أن يكون مكلفا جدا لجعل التسجيلات electrographic على المدى الطويل في نماذج الحيوانات الصغيرة من المرض. من خلال الاعتماد على الدوائر الكهربائية البسيطة والتركيز على الاستهلاك المنخفض للطاقة، وكنا قادرين على إنشاء نظام الارسال (الشكلان 1 و 2) أن يقلل من تكلفة التجارب رصد طويل الأجل. التكلفة الإجمالية للتجربة الرصد 6 أشهر يمكن أن تكون منخفضة مثل 470 $، بالإضافة إلى تكاليف الحيوان (~ $ 1،5 الحيوان البدل اليومي، 200 $ مرسل). صغر حجم الارسال يسمح التسجيلات electrographic دون انقطاع مستمر في الحيوانات الصغيرة، ونماذج ما قبل السريرية من الأمراض التي تصيب البشر، والتي يصعب جدا الحصول عليها مع أنظمة محاسبة اللاسلكية القائمة على الترددات الراديوية-المربوطة أو (الشكل 4). وأخيرا، فإن طبيعة محمولة على جمجمة الارسال يقلل من الوقت لعملية جراحية والإجهاد على الحيوان التي يمكن أن تعرض على خلاف ذلك تجربة. هنا، وتبين لنا إثبات صحة المبدأ التجارب من ثلاثة فرقنماذج تجريبية erent من المضبوطات: فترة ما حول الولادة نقص الأكسجة نقص التروية 13، 27، 28 في الجرو الفئران (الشكل 4)، صرعية DFP التي يسببها الوضع (الشكل 5) والمضبوطات في نموذج الناجم عن وراثيا من التشوهات الوعائية الغائرة (الشكل 6).
ربما الجانب الأكثر أهمية للحصول على تسجيلات electrographic خالية من القطع الأثرية، على المدى الطويل هو للتحقق من الوصول القطب غير مطروقة في المنطقة القشرية من الفائدة (الشكل 4-6). ويشمل هذا المشترك القطب المرجع / الأرض. بالغ الأهمية هو ربط جهاز الإرسال إلى الجمجمة لتطبيقات EEG فوق الجافية. خلال هذه العملية، فمن الممكن عن غير قصد معطف غيض من الأقطاب الكهربائية مع cyanoacrylate نظرا لطول مدة قصيرة جدا من الأقطاب الكهربائية. يمكن طلاء كهربائي في cyanoacrylate تخفيف من إشارات EEG أو كليا عزلهم في سيناريو أسوأ الحالات. وبالمثل، عدم وجود حسن الكهربائية الاتصال بإلى صف نزلات إشارة / أرض ودماغ الحيوان سيمنع العملية الصحيحة من مكبر للصوت التفاضلية في الارسال، مما أدى إلى كهربائيا "صاخبة" إخراج إشارة. في كثير من الأحيان، وبعد الجراحة، وإشارات ذات نوعية جيدة يمكن أن يتعرض للخطر لمدة تصل إلى 48 ساعة بسبب الوذمة المحيطة الثقوب لدغ في الجمجمة. كما تخف حدة ذمة، وإشارات تحسن بشكل عام. ويمكن تجنب ذلك عن طريق وضع أقطاب كهربائية على سطح الجمجمة دون إحداث ثقوب لدغ. وزاد من عواقب هذه العملية يمكن أن معطف الأقطاب مع cyanoacrylate، قلة النشاط عالية التردد بسبب تمرير منخفض الخصائص الكهربائية من عظم الجمجمة، والقدرة على عزل كهربائيا مشترك يجعل الضوضاء إشارة / أرض في الإشارات. ويمكن أن يتم ممارسة موضع الصحيح من الأقطاب الكهربائية مع قطعة رقيقة من الخشب أو القشرة الذي يحاكي سمك الماوس أو الفئران الجمجمة. النتائج المقدمة في هذه المخطوطة توضح غنى عنهعنه lity من التسجيلات التي يمكن الحصول عليها باستخدام تقنية القياس عن بعد لاسلكية.
زرع جراحيا باستخدام الطريقة الموصوفة هنا يمكن أن تأخذ اقل من 10 دقيقة، اعتمادا على تعقيد عملية جراحية. للوصول جراحية لهياكل الدماغ العميقة، مثل المنطقة CA1 من الحصين، فمن الأفضل أن نعلق جهاز الإرسال إلى micromanipulator شنت على الإطار التجسيمي. سوف micromanipulator توفر الجراح مع الدقة لزرع جهاز الإرسال وفقا لإحداثيات التجسيمي نشرت في الأطلس من الفأرة 29 و 30 الفئران العقول. ويمكن القيام بذلك ببساطة عن طريق تغير اتجاهها قطعة من تحت الجلد أنابيب الإبرة إلى الارسال مع cyanoacrylate ثم تركيب إبرة تحت الجلد في micromanipulator. سوف تحكم Micromanipulator من X، Y، Z والإحداثيات توفير الاستقرار إضافية عند تركيب جهاز الإرسال إلى الجمجمة قبل خياطة إغلاق الجلد. إضافة مسامير العظام في جميع أنحاء المؤسسة العامةrimeter من الارسال يمكن أن تساعد في ترسيخ الارسال في الجمجمة، على الرغم من أنها ليست ضرورية. مسامير العظام يمكن أن تكون فعالة، ومع ذلك، في نماذج حيوانية معينة من التشنج والصرع، مثل الفئران الكبار تعامل الليثيوم بيلوكاربين. هذه الحيوانات تميل إلى أن تكون نوبات تشنج عفوية مع النشاط الحركي الشديد الذي قد يؤدي إلى تلف جهاز الإرسال أثناء النوبة. ويمكن إضافة تعقيد إضافي لهذه التجارب. على سبيل المثال، وجهاز الإرسال متوافق مع نماذج عديدة ومختلفة من إصابات في الدماغ، مثل تأثير القشرية التي تسيطر عليها 31. تم اختبار متانة الجهاز الارسال من خلال زرع الحيوانات مع أجهزة الإرسال في P7، ثم يضمهما في منشأة الحيوان. بعد 12 شهرا، أكثر من يزرع بقيت على حالها على الجمجمة. عندما الموت الرحيم كانت الحيوانات، ظهرت جماجم أن تكون طبيعية وجزءا لا يتجزأ من الارسال في عظم الجمجمة، والتي تتطلب قوة كبيرة لاستخراجه. أخذ الحيطة والحذر عند هياكل الدماغ العميقة هي درس؛ مع نمو المخ، وتبقى الأقطاب ثابتة، ومن المتوقع أن تغيير الموقف النهائي من الأقطاب الكهربائية. لالأساليب المذكورة هنا، والأقطاب عادة وضع فوق الجافية، والذي سمح كل من الدماغ والجمجمة لتنمو وللأقطاب البقاء في مواقعها الأصلية. العامل المحدد في متى يمكن استخدام جهاز الإرسال هو حجم البطارية (أي حتى نفاد البطارية).
تصميم متجانسة بذاتها (أي هو جزء لا يتجزأ من الارسال في الايبوكسي الصلب) السكن الارسال يفسح المجال للاستخدام مع الجراء غير ناضجة يضم مع السد وتتزاحم بهم. في كثير من الأحيان، وشارك في السكن الحيوانات مع نتائج الحبال السلكية مزروع في تدمير الجهاز المزروع أو الإبدال من الجراء من السد. شكل سلس الجدران من الارسال يسمح لزرع مع عمليا أي فشل في الأجهزة أو فقدان الجراء بسبب الإبدال.
<p claق ق = "jove_content"> مخطط انتقال إلى جانب بالسعة منخفضة الطاقة في هذا النظام يفسح المجال تماما للاستخدام في العديد من السيناريوهات التجريبية المختلفة مثل وضع في حاضنة التحكم في درجة حرارته أو حتى للاستخدام مع الأجهزة التجريبية، مثل غرف تخطيط التحجم. وبالمثل، فإن شكل هوائي الاستقبال يمكن التلاعب بها لتناسب في العديد من البيئات السلوكية المختلفة، مثل ارتفاع مجموعة T-maze.The من الارسال هو يجب سوى بضع بوصات مثل جهاز الإرسال يكون قادرا على "محرك" (زوجين بالسعة ل) هوائي الاستقبال وتعتمد على الحيوان ليكون مقرها في حبس القوارض معيار أو قفص مناسب من مساحة هوائي الاستقبال تغطيتها. يعمل جهاز الإرسال كما قطب واحد من حقل كهربائي في حين أن جسم الحيوان بمثابة قطب آخر. الميدان هو من هذا القبيل أن بعض التوجهات، مثل 90 درجة الخروج من مرحلة مع هوائي الاستقبال، سوف تفشل لدفع هوائي الاستقبال مما أدى إلى "الانقطاع". هذا هو أمر نادر الحدوث إلى حد ما. والعمل في المستقبل مع هذه التكنولوجيا تسمح بالتسجيل من الحيوانات متعددة في نفس القفص الذي سيقلل تكاليف الإقامة والسماح للتفاعل الاجتماعي. سوف تطورات أخرى تشمل زيادة عدد القنوات بما في ذلك درجة الحرارة، وكهربية. التصميم الحالي للجهاز يوفر عرض النطاق الترددي الذي هو الأمثل لإعادة ترميز العصابات EEG الكلاسيكية، وهي ليست مناسبة لتسجيل التموجات السريعة أو اهتزازات عالية التردد. في المستقبل، فإن الجهاز يمكن تعديلها لتسجل مكونات عالية التردد للإشارة، ولكن على حساب عمر البطارية. وأنواع مختلفة من محولات تشمل ضغط الدم والضغط الحجم، وحتى بناء على ترتيب الإرسال الكهربائي إلى الأبعاد المحددة من قبل المستخدم وفقا لإحداثيات المجسم للهياكل الدماغ المطلوب.The authors have nothing to disclose.
وقد تم تمويل هذا العمل من خلال المعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية R43 / R44 NS064661.
Sterile Surgical Gloves | Protective Industrial Products | 100-3201 PF | Power Free Sterile Latex Surgical Glove |
Scalpel Handle | FST | 10003-12 | |
Scalpel Blade #15 | FST | 10015-00 | |
Fine Scissors | FST | 14090-09 | |
Burr tool | Ram Products, Inc. | Microtorque II | |
Fine burr | FST | 19007-07 | |
Aneurism clip | ROBOZ | RS-5422 | |
Toothed Forceps | FST | 11022-14 | |
Cotton-Tipped applicators | McKesson | 24-103 | |
Needle Driver | WPI | 521725 | Olsen-Hegar Needle Holder |
Cyanoacrylate gel | Henkel | Loctite 4541 | |
Cyanoacrylate accelerant | Henkel | Loctite 7452 | |
Suture | Ethicon | Vicryl RB-1 J304 | |
Elecrocautery disposable | Bovie | AA01 | Fine Tip |
Surgical Tray | FST | 20311-21 | |
Epitel Receiver Base | Epitel Inc | N/A | |
Epitel wireless transmitter | Epitel Inc | N/A | |
Biopac digitizer | Biopac | MP-150 | |
PC-compatible computer |