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.
Многие прогрессивные неврологические заболевания у человека, такие как эпилепсия, требуют доклинические модели животных, которые медленно развиваются болезни для того, чтобы проверить вмешательства на различных стадиях патологического процесса. Эти модели животных особенно трудно реализовать в незрелых грызунов, классическая модель организм лабораторного исследования этих нарушений. Запись непрерывной ЭЭГ у молодых животных моделях судорог и других неврологических расстройств представляет сложную техническую задачу из-за небольшого физического размера молодых грызунов и их зависимость от плотины до отъема. Таким образом, существует не только явная необходимость в улучшении доклинических исследований, которые будут лучше определить те методы лечения, подходящие для перевода в клинику, но и необходимость для новых устройств, способных записи ЭЭГ непрерывный незрелых грызунов. Здесь мы опишем технологию позади и продемонстрировать использование нового миниатюрного телеметрической системы, специально спроектированный для использования в незрелых крыс оR мышей, которые также эффективны для применения у взрослых животных.
Старейший – и до сих пор наиболее широко используется – техника для записи биопотенциалов в мозгу электроэнцефалограмма (ЭЭГ). Он используется в клинике для неврологических нарушений, в том числе выявления судорожной 1, локализации эпилептического фокуса 2 и диагностики сотрясения 3,4. Этот метод также широко используется для обеспечения фундаментальную информацию о механизмах сна и диагностики расстройств сна 5,6.
Как и в клинической диагностике эпилепсии, ЭЭГ стал незаменимым для трансляционных исследований на животных моделях, так и приобретенной генетической эпилепсии. В современных научных приложений, "проводной" или "привязанные" записи являются стандартными, и регулярно проводится у взрослых грызунов в течение нескольких недель, в то время 7. Тем не менее, электрические помехи, артефакты движения, и риск того, что привязал животных будет травмировать себя, потянув за кабель длинные COMPRomised эти эксперименты. Таким образом, для улучшения условий эксперимента и процент успеха, мы должны развивать новые технологии, которые позволили бы ликвидации проводного интерфейса между животным и приборов. Наиболее очевидным направлением развития является разработка и внедрение систем телеметрии, что позволяет для высококачественных записей, сохраняя длительный срок службы и свести к минимуму дискомфорт для субъектов животных. Сокращение физический размер этих устройств позволит трансляционные исследования в неонатальных и несовершеннолетних моделей грызунов неврологических расстройств.
Низкие канала подсчета ЭЭГ крыс широко используются для разработки новых методов лечения, чтобы подавить эпилептические припадки способны перевод для человека. Записи из одного или нескольких сайтов в течение длительного периода открыть много возможностей для использования моделях грызунов эпилепсии у поступательного исследования. Большая часть современных исследований в этой области направлена на блокировать возникновение хронической SeizОЭС или развитие эпилепсии (т.е. эпилептогенез), и такие научно-исследовательские работы требуют обширной, если не постоянный мониторинг ЭЭГ для анализа эффективности предлагаемой терапии 8; маленький, простой, телеметрическая система с одной, двумя или четырьмя каналами, работающими между 0,1-100 Гц на канал будет сильно способствовать этот тип трансляционных исследований. Электрографические приступы часто происходят с минимальными поведения (конечно, без судорог), что ограничивает полезность анализа на основе поведенческих судорог. Стратегия объединения запись ЭЭГ и синхронный видеомониторинг позволяет возможность захвата каждый захват; и, кроме того, эти аналитические подходы могут позволить количественную оценку интериктальных шипами, которые происходят в мозге эпилептического между "иктальных" (или захват) событий 9. Кроме того, возможность получения непрерывного высокого качества с низким уровнем артефактов ЭЭГ, для которых беспроводные технологии, как правило,начальника, позволит развития использования компьютерных алгоритмов на основе изучения конкретных сигналов ЭЭГ (например, тета, гамма), а также автоматическое обнаружение приступов, значительно снижая нагрузку на экспериментатора.
Первичный доклинических моделью для изучения хронической эпилепсией после травмы головного мозга взрослой крысы или мыши, либо с помощью химио- судороги (т.е. каиновой кислоты или пилокарпин) или электрически индуцированные эпилептического статуса (SE), за которым следует хронической эпилепсией. В этих условиях, тяжелые судороги, связанные с SE или последующие изъятий в эпилептических животных может привести к травме от животного разрыва или потянув на привязи и, ослабив винты, которые поддерживают присоединение headcap. В конечном счете, именно это проблема, которая, как правило, заканчивается эти эксперименты, и все же необходимость получения долгосрочных ЭЭГ записи с высоким разрешением для экспериментов, направленных на разработку новых методов лечения для хроническихэпилепсия имеет первостепенное значение. Кроме того, корпус, мониторинг и анализ данных из долгосрочных имплантированных животных значительные инвестиции в обоих прямых затрат и времени следователя; Поэтому, преждевременное прекращение эксперимента может привести к значительным затратам исследователей. Поскольку эти модели эпилепсии прогресса, судороги, как правило, становятся все более частыми и более серьезными 10-12, увеличивая вероятность того, что животные получили ранения, как их полезности для разработки новых методов лечения становится большой. Эти животные могут постоянно развиваться десятки судорожных припадков в день, часто встречающиеся в кластерах 13.
Вероятно, это один из самых важных событий в биомедицинской науки было использование гена ориентации на мышах. Этот подход позволил, и будет продолжать, чтобы, разработка моделей животных генетической эпилепсии, что воспроизвести фактические человека синдромы 14-16. Генетические манипуляции могут быть предприняты вдоказательство правильности принципа лечения, чтобы подавить эпилептические припадки или даже блокировать развитие эпилепсии после травмы головного мозга 17-20. Этот тип исследования выиграют резко от способности выполнять высокой пропускной непрерывную запись ЭЭГ. В настоящее время это можно записать от мышей с привязи либо или телеметрических систем; Однако, проблемы получения высокого качества, без артефактов записи существенно сложнее, чем у крыс, и часто это требует различных форм рюкзаки, что мыши постоянно пытаются удалить. Стресс может увеличить тяжесть приступов, частоту и / или продолжительность, и, таким образом, в конечном счете, изменить эпилепсии экспериментальных животных, таким образом, не оправдав исследование. Маленький, легкий вес, низкий профиль миниатюрный телеметрии будет способствовать запись долгосрочного ЭЭГ от генетических мышиных моделях болезни человека.
В дополнение к описанным выше проблемам, ЭЭГ в незрелом модели грызуновс заболевания имеет свой собственный уникальный набор проблем. Незрелые животные могут весить немного как 6 г (P8 мыши) до 17 г (P6 крысы). Это практически невозможно сделать последовательные многодневные привязанные записи ЭЭГ в связи с увеличением напряжения из троса и неспособности, чтобы естественный выращивание щенка по плотине. До животные не отнимают от груди, они должны оставаться на попечении плотины. Плотина является склонным к уничтожить любую вовне соединительный узел на щенка, прекратить щенка, а в некоторых случаях прекратить весь помет. Кроме того, незрелые черепа грызунов затрудняет смонтировать любой электрод пьедестал к черепу с механической целостности. Эти проблемы, уникальные для незрелых грызунов, требует новое решение для создания надежной, долгосрочные электрографических записи. Здесь мы сосредоточимся на демонстрации имплантации и запись ЭЭГ с использованием нового миниатюрного беспроводного передатчика и представить три доказательства правильности принципа эксперимента в качестве примеров для использования миниатюрной беспроводной телеметрической системы: 1) имзрелая крысят модель гипоксии-ишемии, 2) для взрослых мышей, обработанных с DFP, чтобы вызвать эпилептический статус и последующие спонтанные судороги, и 3) генетическая модель сосудистых кавернозных мальформаций, которые приводят к изъятия и смерти у взрослых мышей.
Миниатюрная беспроводная система телеметрии была разработана для удовлетворения четыре основные требования: (1) минимально инвазивная хирургическая имплантация; (2) совместимость для жилья грызунов щенков с плотины и помета; (3) низкая потребляемая мощность блока, что позволяет месяцев непрерывного мониторинга без хирургического повторного имплантации; и (4) способность записывать высококачественные сигналов ЭЭГ с минимальными артефактами движения. Беспроводной передатчик весит 0,6 <2,3, и 4 г и <0,3, 0,8 и 1,4 см 3 в зависимости от батареи с след 5 х 7, 7 х 9 х 7 или 12 мм, которые легко крепится к черепу животного с цианакриловым геля. Нет костного винта якоря не нужно надежно закрепить устройствочереп, уменьшая количество отверстий, которые должны быть пробурены в черепе и время операции. Устройство способно усиливать два канала ЭЭГ или локальных потенциалов поля из глубинных структур мозга, такие как гиппокамп, в течение 2 недель, 2 месяца, 6 месяцев или в этой конфигурации. Небольшой размер беспроводного передатчика уменьшает риск инфекции, увеличивает подвижность животных, и в конечном счете, снижает заболеваемость и смертность, что в противном случае увеличивается время, деньги, и количество животных, необходимых для эксперимента. Все электроники и батареи герметизированы в лечебно-класса эпоксидной, что делает устройство водонепроницаемым и жестким, предотвращая плотину от жевания на передатчике, которые могли бы оказать устройство из строя. В отличие радиочастотных передатчиков, телеметрическая система использует емкостной связи между передатчиком и приемником антенны, которая находится ниже животного клетку, что позволяет пользователю держать животных в стандартном корпусе с грызунами. Многочисленные каналы recordiнг позволяют для записи мультимодальных биопотенциалов, таких как ЭКГ и ЭЭГ. Животные модели сопутствующих заболеваний выиграют от возможности записи биопотенциалов во поведения 21-23. Объединение поведение с ЭЭГ-мониторинга обеспечит исследователям лучше инструмент для исследований и доклинических исследований.
Это может быть очень дорогим, чтобы сделать долгосрочные электрографических записи в моделях малой животных болезни. Опираясь на простых электрических цепей и подчеркивая низкое энергопотребление, мы смогли создать систему передатчика (1 и 2), что снижает стоимость долгосрочных экспериментов мониторинга. Общая стоимость эксперимента мониторинга 6 месяцев может быть как низко как $ 470, плюс стоимость животного (~ $ 1,5 животных суточные, $ 200 передатчика). Небольшой размер передатчика позволяет постоянно и бесперебойно электрографических записи в небольших животных, доклинических моделей заболеваний человека, которые очень трудно получить с привязи или радиочастотная основе беспроводных систем записи (рисунок 4). Наконец, череп монтажа характер передатчика уменьшает время операции и стресс на животное, которое в противном случае может поставить под угрозу эксперимент. Здесь мы покажем, проверка и подтверждение принципа действия экспериментов из трех Diffразличны экспериментальные модели судорог: перинатальная гипоксия-ишемия 13, 27, 28 в крысят (Рисунок 4), DFP-индуцированной эпилептический статус (Рисунок 5) и судороги в генетически-индуцированной модели кавернозных сосудистых пороков развития (Рисунок 6).
Возможно, наиболее важным аспектом для получения артефактов бесплатно, долгосрочные электрографических записи является проверка беспрепятственный доступ электрода к корковой области интереса (рис 4-6). Это включает в себя общее задание / заземляющий электрод. Особенно важным является присоединение передатчика к черепу для эпидуральной приложений ЭЭГ. Во время этого процесса, можно непреднамеренно покрытие наконечник электродов с цианоакрилат, учитывая очень короткой длины электродов. Покрытие электродов в цианоакрилату может ослаблять сигналы ЭЭГ или полностью изолировать их в худшем случае. Точно так же, отсутствие хорошего электрического соединения бetween общий опорный / земля и мозг животного будет препятствовать правильной работе дифференциального усилителя в передатчике, в результате чего "электрически шумной" выходного сигнала. Часто, после операции, хорошего качества сигналов может быть нарушена в течение 48 часов из-за отека окружающих заусенцев отверстия в черепе. Как отек спадает, сигналы в целом улучшить. Этого можно избежать путем размещения электродов на поверхности черепа без заусенцев отверстия. Последствия этого процесса увеличивается потенциал для покрытия электродов с цианоакрилату, снижается высокочастотный деятельность в связи с нижних электрических характеристик кости черепа, и потенциал, чтобы электрически изолировать общую задания / заземления рендеринга шум в сигналах. Практика правильное размещение электродов может быть сделано с тонким куском дерева или шпона, который имитирует толщину мыши или крысы черепа. Результаты, представленные в этой рукописи иллюстрируют квамируемости записей, которые могут быть получены с помощью беспроводной технологии телеметрии.
Хирургической имплантации с использованием метода, описанного здесь, могут принимать всего 10 мин, в зависимости от сложности операции. Для хирургического доступа к глубоких структур головного мозга, таких как области СА1 гиппокампа, лучше, чтобы прикрепить передатчик к микроманипулятор установленного на стереотаксической рамы. Микроманипулятор обеспечит хирург с точностью имплантировать передатчик в соответствии с опубликованными стереотаксических координат в атласе мыши и крысы 29 30 мозге. Это может быть сделано путем простого лавируя кусок трубки иглы для подкожных к передатчику с цианоакрилат, а затем монтажа иглу в микроманипулятора. Микроманипулятор контроль х, у, г координаты обеспечит дополнительную устойчивость при установке передатчика к черепу до наложения швов кожи закрыты. Добавление костных винтов вокруг PErimeter передатчика может помочь закрепить передатчик в черепе, хотя они не являются необходимыми. Костные винты могут быть эффективными, однако, в некоторых моделях животных судорог и эпилепсии, таких как литий-пилокарпин обработанной взрослой крысы. Эти животные, как правило, спонтанные судорожные припадки с интенсивным двигательной активности, которые могут повредить передатчик во время захвата. Дополнительная сложность может быть добавлен в этих экспериментах. Например, передатчик совместим со многими различными моделями черепно-мозговой травмы, такие как контролируемой коркового влияния 31. Долговечность передающего устройства была протестирована с помощью имплантации животным передатчиков на Р7, а затем корпус их на объекте животных. Через 12 месяцев, большинство имплантатов остались нетронутыми на черепе. Когда животные были умерщвлены, черепа оказались нормальными и передатчик встроен в кости черепа, требуя значительную силу, чтобы извлечь его. Будьте осторожны, когда глубинные структуры мозгаизучаются; а мозг растет, и электроды остаются неподвижными, окончательное положение электродов можно было бы ожидать, чтобы изменить. Для методов, описанных здесь, электроды, как правило, расположены над твердой мозговой оболочки, которая позволила и головного мозга и черепа, чтобы расти и для электродов оставаться в своих первоначальных позиций. Ограничивающим фактором в том, как долго передатчик может быть использован, является размер батареи (т.е. до разрядки батареи).
Автономный монолитной конструкции (т.е. передатчик встроен в жесткий эпоксидной) жилья передатчика поддается использовать с незрелыми щенков размещены с плотиной и их помета. Часто, со-жилья имплантируют животных с проволокой тросов приводит к разрушению имплантированной аппаратного или раскулачивание, детенышей по плотине. С гладкими стенками форма преобразователя позволяет для имплантации практически без сбоя или потери щенков в связи с раскулачивание оборудования.
<p claСС = "jove_content"> низким энергопотреблением емкостной связью схема передачи в этой системе хорошо поддается для использования во многих различных экспериментальных сценариев, таких как размещение в инкубаторе с контролируемой температурой или даже для использования с экспериментальными аппаратов, таких как плетизмографии камеры. Точно так же, форма антенны приемника можно манипулировать, чтобы поместиться в различных поведенческих условиях, таких как повышенной Т-maze.The диапазоне передатчика находится всего в нескольких дюймах, как передатчика должны быть в состоянии "привод" (емкостной пара чтобы) антенны приемника и зависит от животного, которые будут размещены в стандартном арретирования грызунов или подходящей клетке, покрытой площади поверхности антенны приемника. Передатчик действует как один полюс электрического поля в то время как тело животного действует как другой полюс. Поле таково, что определенные ориентации, такие как 90 ° вне фазы с приемной антенной, будет не в состоянии привод антенны приемника в результате чего "выпадают", Это довольно редкое явление. Будущая работа с этой технологией позволяют записывать с нескольких животных в одной клетке, что позволит снизить затраты интернатов и позволит для социального взаимодействия. Дальнейшее развитие будет включать увеличение числа каналов, включая температуру и электромиограммы. Текущий дизайн устройства обеспечивает пропускную способность, которая оптимизирована для перекодирования классических групп ЭЭГ, которая не подходит для записи быстрых рябь или высокочастотных колебаний. В дальнейшем, устройство может быть изменен, чтобы записывать высокочастотные компоненты сигнала, но ценой жизни батареи. Различные типы датчиков будет включать в себя кровяное давление и давление-объем, и даже строительство расположения электродов передатчика к заданным пользователем размерам в соответствии с стереотаксической координат искомых структур головного мозга.The authors have nothing to disclose.
Эта работа финансировалась через Национального института неврологических расстройств и инсульта 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 |