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.
てんかんなどのヒトでの多くの進歩的な神経疾患は、徐々に疾患プロセスの様々な段階での介入を試験するために、疾患を発症する前臨床動物モデルを必要とします。これらの動物モデルは、これらの疾患の実験室での研究のための古典的なモデル生物未熟げっ歯類において実施するのが特に困難です。発作および他の神経障害の若い動物モデルでの記録の連続EEGは小さいため、物理若いげっ歯類の大きさやダムへの依存離乳の前に技術的な課題を提示します。したがって、より良い診療所への変換だけでなく、未熟なげっ歯類で連続脳波を記録することが可能な新しいデバイスの必要性に適した治療法を識別する前臨床研究を改善するための明確な必要性だけでなく、があります。ここでは、Oの背後にある技術を説明し、新たな小型テレメータシステムの使用を示す、具体的に未成熟ラットでの使用のために設計さまた成体動物での使用のために有効であるRマウス。
最古 – 依然として最も広く使用されている – 脳内の生体電位を記録するための技術は、脳波(EEG)です。これは、発作検出1、発作焦点2の局在化、脳震盪3,4の診断を含む、神経学的異常のために臨床的に使用されています。この技術は、広く、睡眠のメカニズムについての基本的な情報を提供し、睡眠障害5,6を診断するために使用されます。
てんかんの臨床診断のように、EEGは、両方の遺伝的および後天性てんかんの動物モデルにおけるトランスレーショナルリサーチのために不可欠となっています。現在の研究用途では、「有線」または「テザー」録音が標準であり、日常的に時間7で週間大人のげっ歯類で行われます。しかし、電気的ノイズ、モーションアーチファクト、ケーブルを引っ張って自分自身を傷つける動物をつながリスクが長いCOMPRを持っていますこれらの実験をomised。このように、実験条件と成功率を向上させるために、我々は動物や計測機器との間の有線インターフェースの排除を可能にする新技術を開発する必要があります。開発の最も明白な面積は長寿命を維持し、動物対象のための不快感を最小限に抑えながら、高品質の録音を可能にする遠隔計測システムの設計と実装です。これらのデバイスの物理的なサイズを小さくすると、神経疾患の新生児および若年げっ歯類モデルにおいてトランスレーショナルリサーチを可能にします。
ラットにおける低チャンネル数のEEG記録は、ヒトへの変換が可能なてんかん発作を抑制するための新しい治療法を開発するために広く使用されています。長期間のための1つ以上のサイトからの記録は、トランスレーショナルリサーチにおけるてんかんの齧歯類モデルを使用するための多くの可能性を開きます。この分野の現代的な研究の多くは、慢性seizの発生を阻止することを目的とURESまたはてんかんの開発( すなわち 、てんかん)、そのような研究努力が提案された治療8の有効性をアッセイするための大規模な場合はない連続EEGモニタリングを必要とします。チャンネルあたり0.1〜100 Hzの間で動作する1つ、2つ、または4つのチャネルを持つ小さな、単純な、遠隔測定システムが強くトランスレーショナルリサーチのこのタイプを推進していきます。エレクトロ発作は、しばしば行動発作に基づくアッセイの有用性を制限する(確かにけいれんを含まない)最小限の行動、で発生します。脳波記録と同時ビデオモニタリングを組み合わせる戦略は、1つをすべての発作を捕捉する可能性を可能にします。さらに、これらの分析的アプローチは、「発作」(または発作)イベント9との間のてんかん、脳で起こる間欠期スパイクの定量的評価を可能にすることができます。また、連続的な高品質の低アーチファクトEEG記録を得る能力は、対象の無線技術は、一般に優れた、かなり実験者の作業負荷を低減すること、特定の脳波波形( 例えば 、シータ、ガンマ)、ならびに発作の自動検出を研究するためのコンピュータベースのアルゴリズムを使用した開発を可能にします。
慢性てんかんが続いている一次脳損傷後の慢性てんかんを研究するための前臨床モデルでは、いずれかの化学痙攣( すなわち 、カイニン酸またはピロカルピン)を介して、成体ラットまたはマウスであるか、または電気的に誘導さてんかん重積状態(SE)、。これらの条件下では、てんかんの動物でSEまたはそれ以降の発作に関連した重篤な痙攣は、動物引き裂きから怪我につながることができ、またはテザーを引っ張るとヘッドキャップの取り付けを維持しているネジを緩め。最終的に、それは通常、これらの実験を終了し、この問題であり、まだ慢性のための新しい治療法の開発を目的とした実験の長期の高解像度EEG記録を取得するために必要てんかんは非常に重要です。さらに、ハウジングは、モニタリングは、長期移植した動物からのデータを分析すると、両方の直接費と研究者の時間にかなりの投資があります。したがって、実験の早期終結は、研究者に多大なコストをもたらす可能性があります。てんかん進行のこれらのモデルとしては、発作は、通常、新しい治療法を開発するための有用性が最大になるのと同様に、動物が負傷している可能性を増加させる、10〜12、より頻繁に、より厳しくなります。これらの動物は、日常的に頻繁にクラスター13で発生した、一日あたりの痙攣発作の数十を開発することができます。
おそらく、生物医学科学の中で最も重要な開発の1つは、マウスモデルにおいて遺伝子ターゲティングの使用でした。このアプローチは、許可された、および、実際の人間症候群に14-16を再現遺伝てんかんの動物モデルの開発を可能にしていきます。遺伝子操作は、のように行うことができますてんかん発作を抑制し、さらには脳損傷17-20後にてんかんの発症を阻止する実証の原則療法。この種の研究は、脳波のハイスループット連続録画を実行する機能から大幅に利益を得るであろう。現在、それはどちら係留または遠隔測定システムを有するマウスから記録することが可能です。しかし、高品質を得るための課題は、アーチファクトのない録音は、ラットよりも実質的に困難であり、多くの場合、これはマウスが継続的に削除しようとバックパックの様々な形態が必要です。ストレスは発作重症度、頻度及び/又は持続時間が増加する可能性があり、したがって、最終的には実験動物のてんかんを変更するだろう、このように研究を混乱させる。小、軽量、ロープロファイル小型遠隔測定システムは、ヒト疾患の遺伝的マウスモデルから長期脳波の記録を容易にするであろう。
上述の問題に加えて、未熟齧歯類モデルにおけるEEG記録病気のsが課題の独自のセットを持っています。未成熟な動物は17グラム(P6ラット)に、わずか6とG(P8マウス)を重量を量ることができます。これは、ダムによって子犬の自然な飼育を可能にするために、テザーとできないことから起因するストレスの増加にシリアルマルチ日係留EEG記録を行うことが事実上不可能です。動物が乳離れするまで、彼らはダムのケアに残っている必要があります。ダムは、子犬上の任意の外部化コネクタアセンブリを破壊する子犬を終了する傾向があり、場合によっては全体のゴミを終了します。また、未熟げっ歯類の頭蓋骨は、それが困難な機械的完全性と頭蓋骨に任意の電極台座をマウントすることができます。未熟げっ歯類に特有のこれらの課題は、堅牢、長期電子写真記録を作成するための新規な解決策を必要とします。ここでは、小型の無線遠隔測定システムを使用するための例としての新規の小型無線送信機および存在する3つの証明の原理実験を用いて、脳波の注入と記録を実証に焦点を当てる:1)イム低酸素性虚血の成熟ラット仔モデルは、2)成体マウスは、てんかん重積状態とその後の自発的な発作を誘発するためにDFPで処理し、成体マウスにおける発作と死をもたらす血管海綿状奇形の3)遺伝モデル。
小型の無線遠隔測定システムは、4つの主な要件を満たすように設計された:(1)低侵襲外科的移植。 (2)ダムと同腹仔と齧歯類の仔の住宅のための互換性。 (3)ユニットの低消費電力を、このように外科的に再注入することなく、継続的な監視のヶ月間を可能にします。 (4)最小の運動アーチファクトを有する高品質のEEG波形を記録する機能。無線送信機は<0.6、2.3、および4グラムの重さと、0.3 <0.8であり、1.4 cm 3で、簡単に頭蓋骨にマウント×7 5のフットプリント、7×9、または7×12 mmのバッテリーに応じてシアノアクリレートゲルを動物に。いいえ骨ネジアンカーを確実にデバイスを固定するために必要とされません頭蓋手術時に穿孔する必要がある穴の数を減らす頭蓋骨。デバイスは、2週間以上、2ヶ月、またはこの構成では6ヶ月のためにこのような海馬などの脳深部構造からのEEGまたはローカルフィールド電位の2つのチャネルを、増幅することができます。無線送信機の小型化は、感染の危険性を減少させる、動物の移動度を増加させ、最終的に罹患率と死亡率を増加させる他の方法で時間、お金、実験に必要な動物の数を減少させます。電子機器やバッテリーのすべてがそうでなければ、デバイスが動作しなくなる可能性があり、送信機を噛んでからダムを防止、デバイスは防水とタフになり、医療グレードのエポキシ樹脂でポッティングされています。無線周波数送信機とは異なり、遠隔測定システムは、送信機と、ユーザは、標準的なげっ歯類のハウジング内に動物を維持することができ、動物のケージの下に座っている受信アンテナとの間の容量結合を使用します。 recordiの複数のチャネルNGは、心電図や脳波などのマルチモーダル生体電位の記録を可能にします。併存疾患の動物モデルは、行動21-23の間に生体電位を記録する機能によって恩恵を受ける。脳波モニタリングと行動を組み合わせることで、研究および前臨床試験のためのより良いツールを使用して研究者に提供します。
これは、病気の小さな動物モデルにおいて長期の電子写真記録を行うことが非常に高価であることができます。単純な電気回路に依存すると低消費電力を重視することによって、我々は、長期モニタリング実験のコストを削減し、送信機システム( 図1および図2)を作成することができました。 6月のモニタリング実験の総コストは470ドルの低さに加え、動物(〜日当1.5ドル動物、200ドル送信機)のコストができました。送信機の小型化は、小型動物で途切れない連続的な電子写真記録、テザーまたは無線周波数ベースの無線記録システム( 図4)を用いて得ることは非常に困難であるヒト疾患の前臨床モデルを可能にします。最後に、送信機の頭蓋骨に取り付けられた性質は、それ以外の場合は、実験を損なう可能性が動物の手術時間とストレスを軽減します。ここでは、3デフから証明の原理実験を示し、発作のerent実験モデル:周産期低酸素虚血13、27、ラット仔28( 図4)、DFP誘発性てんかん重積状態( 図5)と海綿状血管奇形の遺伝的誘発モデルにおける発作( 図6)。
おそらくアーチファクトのない、長期的な電子写真記録を得るための最も重要な側面は、関心の皮質領域( 図4-6)に阻害されていない電極へのアクセスを確認することです。これは、共通の基準/接地電極を備えています。特に重要な硬膜外EEGアプリケーションに対して頭蓋骨に送信機を取り付けています。このプロセスの間、電極の非常に短い長さの所定のシアノアクリレートを有する電極の先端不注意にコートすることが可能です。シアノアクリレートに電極を被覆することEEG信号を減衰または完全に最悪のシナリオでそれらを分離することができます。良好な電気的接続bの同様に、不足etween共通基準/グランドと電気的に「うるさい」信号出力が得られ、送信機において、差動増幅器の正しい動作を防ぐことができます動物の脳。多くの場合、手術後の、良質の信号が頭蓋骨内のバーホールを取り囲む浮腫による最大48時間損なわれる可能性があります。浮腫がおさまるように、信号は一般的に向上させます。これは、バリ穴を作ることなく、頭蓋骨の表面に電極を配置することにより回避することができます。このプロセスの結果は、シアノアクリレートで被覆するために、電極を潜在的に増加し、高周波活性の低下による頭蓋骨の低域の電気的特性に、および潜在的には、電気信号における共通の基準/グラウンドレンダリングノイズを分離するためにしています。電極の練習正しい配置は、マウスやラットの頭蓋骨の厚さを模倣する木材やベニヤの薄片を用いて行うことができます。この原稿に示される結果は、資格を説明します無線遠隔測定技術を用いて得ることができる記録のリティ。
本明細書に記載した方法を用いて、外科的移植は、手術の複雑さに応じて、わずか10分を取ることができます。このような海馬のCA1領域として脳深部構造への外科的アクセスのためには、定位フレームに取り付けられたマイクロマニピュレーターに送信機を取り付けることをお勧めします。マイクロマニピュレータは、マウス29およびラット30脳のアトラスで公開定位座標による送信機を移植するために精度を外科医に提供します。これは、単に、シアノアクリレートで送信機に皮下注射針チューブの一部を仮付けした後、マイクロマニピュレータで皮下注射針を取り付けることによって行うことができます。前に皮膚を閉じた縫合に頭蓋骨に送信機を取り付けたときのx、y、およびz座標のマイクロマニピュレータの制御は、さらなる安定性を提供します。 PEの周りの骨ネジの追加送信機のrimeterは、彼らが必要ではないが、頭蓋骨に送信機を固定することができます。骨ねじは、リチウム – ピロカルピン処理した成体ラットなどの発作とてんかんの特定の動物モデルにおいて、しかし、効果的である可能性があります。これらの動物は、発作時に送信機を破損するおそれがあり強烈な運動活動と自発けいれん発作を有する傾向があります。さらなる複雑さは、これらの実験に加えることができます。例えば、送信機は、制御皮質インパクト31のような外傷性脳損傷の多くの異なるモデルと互換性があります。送信装置の耐久性をP7で送信機を動物に移植し、その後動物施設でそれらを収容することにより試験しました。 12ヶ月後、インプラントのほとんどは頭蓋骨に無傷のままでした。動物を安楽死させた場合には、頭蓋骨は正常であるように見えたし、送信機は、それを抽出するためにかなりの力を必要とし、頭蓋骨に埋め込まれました。ときに脳深部構造に注意してください研究されています。脳が成長し、電極が静止しているように、電極の最終位置は変化することが予想されます。ここに記載された技術では、電極は、通常、脳と頭蓋骨の両方を成長させ、硬膜、上および電極が元の位置に留まることのために配置しました。送信機は使用することができる期間の制限因子は、電池の大きさである( すなわち、電池がなくなるまで)。
送信機の筐体の自己完結型のモノリシック設計は、( すなわち 、送信機は、ハードエポキシ樹脂に埋め込 まれている)ダムとその同腹仔に収容された未熟仔との使用に適しています。ダムによる仔の移植ハードウェアや共食いの破壊で有線テザーの結果と多くの場合、共同住宅移植した動物。送信機の滑らかな壁形状がほとんどないハードウェア障害や共食いによる仔の損失と移植を可能にします。
<p claSS = "jove_content">は、このシステムにおける低電力容量結合伝送方式は、このような温度制御インキュベータに配置するように、あるいは、そのようなプレチスモグラフィーチャンバーなどの実験装置での使用のための多くの異なる実験のシナリオで使用するためによく適しています。同様に、受信アンテナの形状は、「ドライブ」(容量結合は、送信機としてだけで数インチのことができるようにしなければならないで、このような送信機の上昇T-maze.The範囲など、さまざまな行動の環境に適合するように操作することができます受信アンテナ)に標準齧歯類ケージまたは受信アンテナの表面積によって覆わ適切なケージに収容するために動物に依存しています。動物の体は他の極として機能する一方、送信機は、電界の一方の極として機能します。フィールドには、受信アンテナとの位相のずれた90°のような特定の向きは、「ドロップアウト」で得られた受信アンテナを駆動するのに失敗するようなものです。これはかなりまれです。この技術と今後の作業は、搭乗コストを削減し、社会的相互作用を可能にする同じケージに複数の動物から記録できるようになります。さらなる開発は、温度、及び筋電など、チャネルの数を増加させる伴います。デバイスの現在の設計は、高速リップルや高周波振動の記録に適していない古典的なEEGバンドの再符号化のために最適化された帯域幅を提供します。将来的には、装置は、信号の高周波成分を記録するように変更するが、バッテリ寿命を犠牲にすることができます。トランスデューサの異なる種類は、所望の脳構造の定位座標に従って、ユーザ指定の寸法に血圧および圧力 – 容積、及び送信電極配置であっても建設が含まれます。The authors have nothing to disclose.
この作品は、神経疾患の国立研究所脳卒中R43 / R44 NS064661により資金を調達しました。
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 |