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.
Viele progressive neurologische Erkrankungen des Menschen, wie Epilepsie, erfordern präklinische Tiermodelle, die sich langsam entwickeln die Krankheit, um Eingriffe in den verschiedenen Stadien des Krankheitsprozesses zu testen. Diese Tiermodelle sind besonders schwierig zu implementieren in unreifen Nagetiere, eine klassische Modellorganismus für Laborstudie dieser Erkrankungen. Aufnahme kontinuierliche EEG in jungen Tiermodellen von Anfällen und anderen neurologischen Erkrankungen stellt eine technische Herausforderung aufgrund der geringen Baugröße der jungen Nagetiere und ihre Abhängigkeit von der Staumauer vor der Entwöhnung. Deshalb gibt es nicht nur ein eindeutiger Bedarf an der Verbesserung der präklinischen Forschung, die eine bessere Identifizierung werden diese Therapien geeignet für die Übersetzung in die Klinik, sondern auch eine Notwendigkeit für neue Geräte zur Aufzeichnung kontinuierliche EEG in unreifen Nagetiere. Hier beschreiben wir die Technologie und demonstrieren die Verwendung einer neuen Miniaturtelemetriesystem, das speziell für die Verwendung in unreifen Ratten o konstruiertr Mäusen, die auch wirksam für die Verwendung bei erwachsenen Tieren ist.
Die älteste – und immer noch die am weitesten verbreitete – Technik zum Aufzeichnen Biopotentialen im Gehirn ist das Elektroenzephalogramm (EEG). Es ist klinisch für neurologische Anomalien verwendet, einschließlich Anfallserkennung 1, Lokalisierung von Anfallsherde 2, und die Diagnose von Gehirnerschütterung 3,4. Diese Technik wird auch häufig verwendet, um grundlegende Informationen über die Mechanismen der Schlaf bereitzustellen und Schlafstörungen 5,6 diagnostizieren.
Wie in der klinischen Diagnose der Epilepsie hat das EEG werden für translationale Forschung in Tiermodellen sowohl genetische und erworbene Epilepsie unverzichtbar. In aktuellen Forschungsanwendungen, "verdrahtet" oder "tethered" Aufnahmen sind Standard und werden routinemäßig bei erwachsenen Nagetieren für Wochen zu einer Zeit 7 durchgeführt. , Elektrisches Rauschen, Bewegungsartefakte, und die Gefahr, dass Tiere sich durch Ziehen am Kabel zu verletzen angebunden haben jedoch lange compromised diese Experimente. So verbessert experimentellen Bedingungen und Erfolgsquoten, müssen wir neue Technologien, die für die Beseitigung der drahtgebundenen Schnittstelle zwischen dem Tier und Instrumentierung erlauben würde zu entwickeln. Der offensichtlichste Bereich der Entwicklung ist Konzeption und Umsetzung von Telemetriesysteme, die für hochwertige Aufnahmen ermöglicht, und gleichzeitig eine lange Lebensdauer und die Minimierung von Beschwerden für tierische Subjekte. Die Reduzierung der physischen Größe dieser Geräte wird die translationale Forschung in neugeborenen und jungen Nagetiermodellen neurologischer Erkrankungen ermöglichen.
Low Kanalanzahl EEG bei Ratten werden in großem Umfang eingesetzt, um neue Therapien zu entwickeln, um zu unterdrücken epileptische Anfälle in der Lage, Übersetzung auf den Menschen. Aufnahmen von einer oder mehreren Stellen für längere Zeit öffnen viele Möglichkeiten für den Einsatz von Tiermodellen der Epilepsie in der translationalen Forschung. Ein Großteil der zeitgenössischen Forschung in diesem Bereich zielt darauf ab, das Auftreten von chronischen Seiz blockierenmen oder die Entwicklung von Epilepsie (dh Epileptogenese), und solche Forschungsanstrengungen erfordern umfangreiche wenn nicht kontinuierliche EEG-Monitoring der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Therapie 8 zu untersuchen; eine kleine, einfache, Telemetriesystem mit einem, zwei oder vier Kanälen, die zwischen 0,1 bis 100 Hz pro Kanal wird stark fördern diese Art der translationalen Forschung. Elektrographisches Anfälle treten oft mit minimalem Verhalten (bestimmt ohne Krämpfe), die die Nützlichkeit des Assays, die auf Verhaltens Anfälle einschränkt. Die Strategie der Kombination von EEG-Aufzeichnung und gleichzeitige Videoüberwachung erlaubt es die Möglichkeit der Erfassung jedes Beschlagnahme; und darüber hinaus können diese Analyseansätze quantitative Bewertung der interiktalen Spitzen, die im epileptischen Gehirn zwischen "iktale" (oder Beschlagnahme) Ereignisse 9 auftreten kann. Darüber hinaus, für die die Wireless-Technologie ist die Fähigkeit, kontinuierlich qualitativ hochwertige Low-Artefakt EEG-Aufzeichnungen zu erhalten, in der Regelüberlegen, werden für die Entwicklung der Nutzung von Computer-basierte Algorithmen zum Studium spezifischer EEG-Wellenformen (zB theta, gamma), sowie die automatische Erfassung der Anfälle, die Arbeitsbelastung des Experimentators erheblich reduziert ermöglichen.
Der primäre präklinischen Modell für die Untersuchung chronischer Epilepsie nach einer Hirnschädigung ist die erwachsenen Ratte oder Maus, entweder durch eine chemokrampf (dh Kainsäure oder Pilocarpin) oder elektrisch induzierten Status epilepticus (SE), die durch eine chronische Epilepsie folgt. Unter diesen Bedingungen können die schweren Krämpfen mit SE oder den nachfolgenden Anfälle bei epileptischen Tieren verbunden, um Verletzungen durch das Tier Reißen oder Ziehen an der Leine und Lösen der Schrauben, die die Befestigung des Kopfhaube halten führen. Letztlich ist dieses Problem in der Regel beendet diese Experimente und dennoch die Notwendigkeit, die langfristige Hochauflösung EEG Aufnahmen für Versuche zur Entwicklung neuer Therapien für chronische Ziel erreichen, ist esEpilepsie ist von größter Bedeutung. Zusätzlich Gehäuse, Überwachung und Analyse der Daten aus Langzeit implantierten Tieren ist eine erhebliche Investition in beiden direkten Kosten und Ermittler Zeit; daher kann eine vorzeitige Beendigung des Versuchs in erheblichen Kosten für die Forscher führen. Da diese Modelle von Epilepsie Fortschritte, die Anfälle in der Regel häufiger und schwerer 10-12, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Tiere verletzt, ebenso wie ihre Nützlichkeit für die Entwicklung neuer Therapien am größten wird. Diese Tiere können routinemäßig entwickeln Dutzende von Krampfanfälle pro Tag, häufig in Clustern 13 auftritt.
Wahrscheinlich eine der wichtigsten Entwicklungen in der biomedizinischen Wissenschaft ist die Verwendung von Gen-Targeting in Mausmodellen. Dieser Ansatz hat erlaubt, und wird auch weiterhin zu ermöglichen, die Entwicklung von Tiermodellen für genetische Epilepsie, die tatsächlichen menschlichen Syndrome 14-16 reproduzieren. Genetische Manipulationen durchgeführt werden kann alsProof-of-Prinzip Therapien zur epileptische Anfälle unterdrücken oder sogar die Entwicklung von Epilepsie nach einer Hirnschädigung 17-20 blockieren. Diese Art der Forschung dramatisch aus der Fähigkeit, Hochdurchsatz-kontinuierliche Erfassung der EEG führen profitieren. Derzeit ist es möglich, von Mäusen, die entweder tethered oder Telemetriesysteme aufzuzeichnen; aber die Herausforderungen der Beschaffung qualitativ hochwertiger sind artefaktfreie Aufnahmen wesentlich schwieriger als Ratten und oft erfordert verschiedene Formen von Rucksäcken, die Mäuse kontinuierlich versuchen, zu entfernen. Stress könnte Beschlagnahme Schwere, Häufigkeit und / oder Dauer zu erhöhen, und damit letztlich die Epilepsie der Versuchstiere zu ändern, damit verwechseln die Studie. Eine kleine, leichte und flache Minitelemetriesystem wird die Aufnahme des Langzeit-EEG von genetischen Mausmodelle für menschliche Krankheiten zu erleichtern.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Problemen, Aufzeichnungs EEG in unreifen Nagetiermodells Krankheit hat seine eigene einzigartige Reihe von Herausforderungen. Jungtieren kann so wenig wie 6 g (P8 Maus) 17 g (P6 Ratte) wiegen. Es ist praktisch unmöglich, serielle Mehrtages tethered EEG-Aufzeichnungen aufgrund der erhöhten Belastung durch Fangband und die Unfähigkeit zu machen, um natürliche Aufzucht der Welpen durch den Damm zu ermöglichen. Bis Tiere entwöhnt sind, müssen sie in der Obhut des Staudamms zu bleiben. Der Damm ist anfällig für jede externalisiert Verbindungsanordnung auf der Welpe zu zerstören, beenden Sie den Welpen, und in einigen Fällen zu kündigen die gesamte Wurf. Darüber hinaus macht die unreifen Nagetier Schädel es schwierig, jede Elektrode Sockel auf den Schädel mit mechanische Integrität zu montieren. Diese Herausforderungen, die spezifisch für unreife Nagetiere, erfordern eine neue Lösung für die Herstellung von robusten, langfristige elektrografischen Aufnahmen. Hier konzentrieren wir uns auf was die Implantation und Aufzeichnung von EEG mit einem neuartigen Mini-Funksender und Gegenwart drei Proof-of-principle Experimente als Beispiele für die Verwendung der Miniatur drahtlose Telemetriesystem: 1) die imreifen Rattenjunges Modell der Hypoxie-Ischämie, 2) erwachsenen Mäusen mit DFP behandelt, um Status epilepticus und anschließende spontane Anfälle, und 3) genetisches Modell von Gefäßmissbildungen, die in höhlenartigen Anfällen und Tod in erwachsenen Mäusen führen zu induzieren.
Die Miniatur drahtlose Telemetrie-System wurde entwickelt, um vier Hauptanforderungen erfüllen: (1) minimal invasiven chirurgischen Implantation; (2) die Kompatibilität für die Unterbringung von Nagetier-Welpen mit dem Damm und Wurf; (3) geringer Stromverbrauch des Geräts, so dass für Monate kontinuierlicher Überwachung ohne erneuten chirurgischen Implantation; und (4) die Fähigkeit, qualitativ hochwertige EEG-Wellenformen mit minimaler Bewegungsartefakte zu erfassen. Der Funksender wiegt <0,6, 2,3 und 4 g und <0,3, 0,8 und 1,4 cm 3, je nach Batterie mit einer Grundfläche von 5 x 7, 7 x 9 oder 7 x 12 mm, die leicht montiert auf den Schädel des Tieres mit Cyanoacrylat-Gel. Keine Knochendübel sind notwendig, um sicher zu befestigen Sie das Gerät ander Schädel, die Verringerung der Anzahl der Löcher, die in den Schädel und die Operationszeit gebohrt werden müssen. Das Gerät ist zur Amplifikation zwei EEG-Kanäle oder lokale Feldpotentiale von Hirnstrukturen, wie dem Hippocampus, als 2 Wochen, 2 Monaten oder 6 Monaten bei dieser Konfiguration. Die geringe Größe des drahtlosen Senders verringert das Infektionsrisiko erhöht Tier Mobilität und senkt die Morbidität und Mortalität, die sonst erhöht die Zeit, Geld und Anzahl der Tiere für ein Experiment benötigt. Die gesamte Elektronik und Batterie sind in medizinischer Qualität Epoxy, die das Gerät wasserdicht und widerstandsfähig macht, die Verhinderung der Staumauer aus Kauen auf dem Sender, die sonst machen das Gerät funktionsunfähig könnte vergossen. Im Gegensatz zu Hochfrequenzsender, verwendet das Telemetriesystem eine kapazitive Kopplung zwischen dem Sender und einer Empfangsantenne, die unter dem Tierkäfig befindet, so dass der Benutzer, um Tiere in Standardnagetier Gehäuse halten. Mehrere Kanäle recording ermöglichen die Erfassung von multimodalen Biopotentialen, wie EKG und Elektroenzephalogramm. Tiermodelle von Komorbiditäten wird durch die Fähigkeit, während Biopotentiale Verhalten 21-23 aufzeichnen profitieren. Die Kombination von Verhalten mit EEG-Monitoring wird den Forschern ein besseres Werkzeug für die Forschung und vorklinischen Studien.
Es kann sehr teuer in der langfristigen elektrographischen Aufnahmen in Kleintiermodellen von Krankheiten machen. Indem sie sich auf einfache Stromkreise und betont geringen Stromverbrauch haben wir in der Lage, einen Sendersystem (Abbildungen 1 und 2), die die Kosten für die langfristige Überwachung Experimente reduziert erstellen. Die Gesamtkosten von 6 Monaten Monitoring Experiment konnte so günstig wie $ 470 die Kosten für das Tier (~ $ 1,5 Tier pro Tag, $ 200 Sender), plus. Die geringe Größe des Senders ermöglicht eine kontinuierliche ununterbrochene elektrographischen Aufnahmen für Kleintiere, vorklinischen Modellen der menschlichen Krankheit, die nur sehr schwer mit angebundenen oder funkfrequenzbasierten drahtlosen Aufzeichnungssystemen (Figur 4) erhalten sind. Schließlich wird der Schädel montierten Art des Senders verringert die Operationszeit und die Belastung auf das Tier, das sonst beeinträchtigen können ein Experiment. Hier zeigen wir proof-of-principle Experimente aus drei diffErent experimentellen Modellen von Anfällen: perinatale Hypoxie-Ischämie 13, 27, 28 in einem Rattenjunges (Abbildung 4), DFP-induzierten Status epilepticus (Abbildung 5) und Beschlagnahmen in einem genetisch induzierten Modell der höhlenartigen Gefäßmissbildungen (Abbildung 6).
Möglicherweise ist der wichtigste Aspekt für den Erhalt von artefaktfreie, langfristige elektrographischen Aufnahmen ist es, ungehemmt Elektrode Zugriff auf die kortikale Region von Interesse (Bild 4-6) zu überprüfen. Dazu gehört auch die gemeinsame Bezugs / Masseelektrode. Besonders kritisch ist Befestigung der Sender an den Schädel für epidurale EEG-Anwendungen. Während dieses Prozesses ist es versehentlich Mantel die Spitze der Elektroden mit Cyanoacrylat sichts der sehr kurzen Länge der Elektroden möglich. Beschichtung der Elektroden in Cyanacrylat können die EEG-Signale zu dämpfen oder vollständig zu isolieren, sie in den schlimmsten Fall. Ähnlich fehlende gute elektrische Verbindung bwischen der gemeinsame Bezugs / Boden und dem Gehirn des Tieres wird der ordnungsgemäße Betrieb des Differentialverstärkers in dem Sender zu verhindern, was zu einem elektrisch "lauten" Signal ausgegeben. Häufig nach der Operation, einwand Signale können für bis zu 48 Stunden aufgrund von Ödemen Umgebung der Bohrlöcher in den Schädel beeinträchtigt werden. Wie das Ödem nachlässt, Signale im Allgemeinen zu verbessern. Dies kann durch Plazieren der Elektroden auf der Oberfläche des Schädels, ohne Bohrlöcher vermieden werden. Die Folgen dieses Prozesses werden zur Beschichtung erhöhtes Potenzial der Elektroden mit Cyanacrylat, reduziert hochfrequente Aktivität aufgrund des Tiefpass elektrischen Eigenschaften der Schädelknochen und das Potential, um elektrisch zu isolieren die gemeinsame Bezugs / Boden Rendering Rauschen in den Signalen. Üben korrekte Platzierung der Elektroden mit einem dünnen Stück Holz oder Furnier, die die Dicke der Maus oder Ratte Schädel imitiert erfolgen. Die Ergebnisse in diesem Manuskript vorgestellt veranschaulichen die quakeit der Aufnahmen, die mit WLAN-Telemetrie-Technologie erhältlich ist.
Chirurgische Implantation unter Verwendung der hierin beschriebenen Verfahren kann so wenig wie 10 Minuten dauern, abhängig von der Komplexität der Operation. Chirurgischer Zugang zu tiefen Hirnstrukturen, wie beispielsweise die CA1-Region des Hippocampus, ist es am besten, den Sender an einen Mikromanipulator zu einem stereotaktischen Rahmen befestigt zu befestigen. Der Mikromanipulator wird der Chirurg mit der Genauigkeit liefern, um die Sender nach veröffentlicht stereotaktischen Koordinaten im Atlas der Maus 29 und 30 Ratten Gehirn zu implantieren. Dies kann durch einfaches Verriegeln ein Stück hypodermischen Nadel Schlauch an den Sender mit Cyanoacrylat und dann Montieren der Injektionsnadel in den Mikromanipulator ausgeführt werden. Mikromanipulator Steuerung der x-, y- und z-Koordinaten werden zusätzliche Stabilität bei der Montage der Sender an den Schädel vor dem Nähen die Haut verschlossen. Die Zugabe von Knochenschrauben auf der ganzen perimeter des Senders kann helfen, zu verankern Sie den Sender auf den Schädel, auch wenn sie nicht notwendig sind. Knochenschrauben wirksam sein könnte, jedoch in bestimmten Tiermodellen von Anfällen oder Epilepsie, wie zum Beispiel der Lithium-Pilocarpin behandelten erwachsenen Ratte. Diese Tiere sind in der Regel spontaner Krampfanfälle mit intensiven motorische Aktivität, die den Sender während des Anfalls beschädigen können. Zusätzliche Komplexität könnte diesen Versuchen zugegeben werden. Zum Beispiel ist der Sender mit vielen verschiedenen Modellen von traumatischen Hirnverletzung, wie kontrollierte kortikalen Auswirkungen 31 kompatibel. Die Haltbarkeit der Sendervorrichtung wurde durch Implantieren Tiere mit Sendern an P7 und dann das Gehäuse sie im Tieranlage getestet. Nach 12 Monaten, die meisten Implantate intakt auf dem Schädel. Als Tiere wurden eingeschläfert, erschien die Schädel, normal zu sein und der Sender wurde in den Schädelknochen eingebettet ist, erfordern erhebliche Kraft auf sie zu extrahieren. Vorsicht beim tiefen Hirnstrukturenuntersucht; so wächst das Gehirn, und die Elektroden stationär bleiben, würde die endgültige Position der Elektroden sich ändern könnte werden. Für die hier beschriebenen Techniken wurden die Elektroden in der Regel oberhalb der Dura, die sowohl das Gehirn und Schädel wachsen gelassen und für die Elektroden positioniert sind, um in ihren ursprünglichen Positionen verbleiben. Der limitierende Faktor in wie lange der Sender kann verwendet werden, ist die Batteriegröße (dh bis der Akku leer ist).
Ein in sich geschlossenes monolithischer Bauweise (dh der Sender in harten Epoxid eingebettet) des Gehäuses des Senders bietet sich mit unreifen Jungtiere mit der Staumauer und ihre Wurfgeschwister untergebracht zu verwenden. Oft Co-Gehäuse implantiert Tiere mit verdrahteten Anbindehaltung Ergebnisse in der Zerstörung des implantierten Hardware oder Kannibalisierung der Jungtiere durch den Damm. Die glattwandige Form des Senders ermöglicht die Implantation praktisch ohne Hardware-Ausfall oder Verlust der Jungtiere durch Kannibalisierung.
<p class = "jove_content"> Die Low-Power-kapazitive gekoppelte Übertragungsschema in diesem System eignet sich gut für den Einsatz in vielen verschiedenen experimentellen Szenarien wie die Platzierung in einem temperaturgeregelten Inkubator oder sogar für die Verwendung mit Versuchsvorrichtungen wie Plethysmographie Kammern. Ebenso kann die Form der Empfängerantenne manipuliert werden, um in verschiedenen Verhaltens Umgebungen, wie die erhöhte T-maze.The Reichweite des Senders angepasst werden nur wenige Zoll da der Sender in der Lage zu sein, "drive" (kapazitiv to) der Empfängerantenne und stützt sich auf das Tier in Standardnagetierkäfighaltung oder geeigneten Käfig von der Empfangsantenne behandelte Oberfläche untergebracht werden. Der Sender dient als ein Pol eines elektrischen Feldes, während die Körper des Tieres nach einem anderen Pol wirkt. Das Feld ist derart, dass bestimmte Orientierungen, wie zum Beispiel 90 ° außer Phase mit der Empfangsantenne, wird fehlschlagen, um die Empfangsantenne, was zu fahren ein "drop out". Dies ist ein ziemlich seltenes Ereignis. Zukünftige Arbeiten mit dieser Technologie ermöglicht die Aufzeichnung von mehreren Tieren in der gleichen Käfig, der Internatskosten zu senken und damit für die soziale Interaktion werden. Die weitere Entwicklung wird beinhalten die Erhöhung der Anzahl der Kanäle, einschließlich Temperatur und Elektromyogramm. Das aktuelle Design des Gerätes bietet eine Bandbreite, die für die Umkodierung der klassischen EEG Bands, die nicht geeignet für die Aufnahme von schnellen Wellen oder hochfrequenten Schwingungen ist optimiert ist. In der Zukunft kann die Vorrichtung modifiziert werden, um die Hochfrequenzkomponenten des Signals aufnehmen, aber auf Kosten der Lebensdauer der Batterie. Verschiedene Arten von Wandlern wird der Blutdruck und der Druck-Volumen und sogar beim Aufbau einer Sendeelektrodenanordnung durch den Anwender spezifizierte Abmessungen nach der stereotaktischen Koordinaten des gewünschten Gehirnstrukturen umfassen.The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde durch das Nationale Institut für neurologische Erkrankungen und Schlaganfall R43 / R44 NS064661 finanziert.
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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 | |
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