Instructions for the low-cost construction and surgical implantation of a chronic transcranial high-density electroencephalographic montage into mice are provided. Signal recording, extraction, and processing techniques are also described.
Geavanceerde elektro-analysetechnieken die een hoge ruimtelijke resolutie, met inbegrip van elektrische bron beeldvorming en maatregelen van netwerkconnectiviteit, zijn van toepassing op een groeiende verscheidenheid van vragen in de neurowetenschappen. Het uitvoeren van dit soort analyses in een knaagdier model vereist een hogere elektrode dichtheid dan de traditionele schroef elektroden kunnen volbrengen. Terwijl hogere dichtheid elektro montages voor knaagdieren bestaan, zijn beperkte beschikbaarheid meeste onderzoekers niet robuust genoeg voor herhaaldelijk experimenten gedurende langere tijd, of zijn beperkt tot gebruik in verdoofde knaagdieren. 1-3 Een voorgesteld goedkope werkwijze voor het construeren van een duurzame, aftellen transcraniële elektrode-reeks, bestaande uit bilateraal implanteerbare hoofddeksels wordt onderzocht als een middel om het specifiekere elektro analyses bij muizen of ratten.
Procedures voor het hoofddeksel fabricage en chirurgische implantatie nODIG hoge signaal-ruis te produceren, lage impedantie elektro en elektromyografische signalen worden gepresenteerd. Terwijl de methode nuttig bij ratten en muizen, dit manuscript staat de meer uitdagende uitvoering voor de kleinere muis schedel. Vrij bewegende muizen worden alleen vastgebonden aan kabels via een gemeenschappelijke adapter tijdens het opnemen. Eén versie van deze elektrode systeem 26 elektro-kanalen en 4 electromyografische kanalen bevat wordt hieronder beschreven.
Neuronale activiteit kan extracellulair worden opgenomen met verschillende niveaus van granulariteit van microscopische (individuele actiepotentialen) naar Mesoscopische (lokale veld potentials) naar macroscopische (elektro-encefalogram). Deze hersengolven sporen klassiek geanalyseerd in het frequentiedomein te karakteriseren gedrags-, neurofysiologische of elektrofysiologische staten. Dit kan gedaan worden met een enkele biopotential, 4 maar spaarzaam dichtheid EEG-registraties kan de ruimtelijke component van neuronale activiteit niet op te lossen. Moderne elektro-analyse is gebaseerd op meerdere elektroden om gedetailleerde kaarten van spatiotemporele verdeling van de corticale activiteit produceren om die activiteit specifieke psychologische aandoeningen en fysiologische processen te correleren. 5-7 Twee van de meest gebruikte categorieën van de analyse die een hoge dichtheid EEG montages zijn elektrische bron beeldvorming en neurale netwerk connectiviteit maatregelen. 8-11
<p class="jove_content"> Elektrische bron beeldvorming betreft de lokalisatie van functioneel actieve hersengebieden. Topografische kaart brengen van de elektrode-reeks kan de huidige bron dichtheid van de elektrische activiteit in de hersenen te visualiseren tijdens event related potentials (ERP) en evoked potentials (EPs). Elektrische bronlokalisatie wordt vaak gebruikt in zowel inbeslagname studies alsook in stroomverdeling analyses. 12-15 Sinds EEG heeft een hoge tijdsresolutie, EEG-onderzoek mogelijk te maken real-time evaluatie van ERP's en EP's, alsmede tijdelijk precieze post hoc analyse. 3,11 , 12Associëren cognitieve staten en functies met het samenspel van oscillaties te zien op het elektro-encefalogram is het uiteindelijke doel van de verschillende maatregelen van neurale netwerk connectiviteit. Talrijke studies hebben aangetoond synchronisatie en fase vergrendeling van oscillaties tussen verschillende hersengebieden worden geassocieerd met specifieke toestanden van prikkeling, aandacht en actie. 6,13,14,16-19 </sup> Het aantonen van een dergelijk signaal associaties tussen hersengebieden vereist high-density arrays dat de beoordeling van de netwerkverbinding mogelijk te maken.
Bronlokalisatie en netwerkanalyses van EEG-signalen afkomstig van studies bij mensen, maar onderzoek naar de neurale basis voor deze signalen altijd tot diermodellen mocht invasieve technieken die anders onmogelijk bij mensen vereisen. Om deze analyses in knaagdiermodellen repliceren, is een werkwijze voor het opnemen van hoge dichtheid EEG-signalen in de hersenen van een knaagdier nodig. Terwijl andere groepen high-density micro-elektrode arrays zijn geconstrueerd voor gebruik bij muizen, dergelijke benaderingen zijn beperkt beschikbaar voor onderzoekers zonder toegang tot nanoproductievoorzieningen, niet robuust genoeg voor herhaaldelijk experimenten gedurende langere tijd, of zijn beperkt tot gebruik in geanesthetiseerde muizen. 1-3,7 Een goedkoop alternatief protocol voor het construeren van een chronische hoge dichtheid, transcraniële elektrode array wordt hier gedemonstreerd.
Het signaal acquisitie benadering hier beschreven is niet beperkt tot EEG, maar omvat elektromyografische (EMG) signalen. Verwerving van EMG signalen kan een aanvullende benadering voor het definiëren van het gedrag toestand en is bijzonder nuttig voor slaapstudies. Deze benadering verschaft een intermediair tussen dure, ultra-high-density intracraniale rasters en het beperkte aantal mogelijke lead traditionele schroef elektroden die onvoldoende voor geavanceerde analyse benaderingen. Het kopstuk ontwerp wordt gemakkelijk geconstrueerd en betaalbaar voor high-throughput studies. Het gebruik van deze acquisitie systeem in combinatie met diverse genetische of farmacologische manipulatieve technieken binnen knaagdieren modellen kunnen helpen ontdekken van de mechanismen van de corticale oscillatie generatie, gedrags- afwijkingen van ware genotypische verschillen, bron lokalisatie van ERP's en EP's, en grootschalige netwerkcommunicatie.
De voordelige constructie en chirurgische stappen nodig om een 26 kanaal, high-density EEG montage in een muis goed te bereiken wordt beschreven. Juiste epidurale elektrode contact is cruciaal nemen kwaliteitsvolle EEG-signalen in dit systeem. Twee stappen binnen het IP-adres van dit probleem: speld in orde maken van de hersenen contour, en hoofddeksel implantatie voorafgaand aan acryl versterking aan te passen. Het is belangrijk om een pin te kort tijdens de bouwfase niet te snijden. Bij het implanteren van de hoofddeksels, is het noodzakelijk om pin plaatsing te controleren voordat de definitieve acryl versterking. Een manier om de juiste elektrode contact te bevestigen is door middel van impedantie testen. Ogenschijnlijk, impedantie van 5-10 kOhm suggereren juiste epidurale plaatsing. 26 Impedantiemetingen tonen de duurzaamheid hoofddeksels, zoals elektrode impedantiewaarden stabiel op deze 5-10 kQ bereik voor ten minste 4 maanden na implantatie. De andereessentiële stap omvat het uitlijnen van de EMG pennen met de twee meest naar de rijen 2 x 7 EEG baksteen. Dit is essentieel voor adapterverbinding, zoals uitgelijnd EMG en EEG kunnen leiden tot een onvermogen om de adapter of gebogen adapter te kunnen verbinden.
Een groot voordeel van dit meetsysteem is het gemak van het wijzigen van de vorm van de elektrode-reeks teneinde uiteenlopende behoeften experimentele optimaliseren. Aangepast Elektrodevoorzieningen die optimaal geschikt zijn voor specifieke experimenten gemakkelijk worden gemaakt. Voorbeeld specifieke experimenten zou kunnen combineren EEG met canule voor gerichte geneesmiddelafgifte voor gecombineerde farmacologische electroencephalographic en gedragsonderzoek. 27 Zendspoelen, adapters en chirurgische procedures worden gemakkelijk aangepast aan een groot aantal studies bij het volgen van de werkwijze beschreven in het protocol bovengenoemde werkwijzen . Een tweede grote voordeel van deze acquisitie systeem is de lage kosten. Op dit moment is deze acquisitie systeem kanverslag 128 input kanalen op maximaal 4 afzonderlijke kabels, waardoor gelijktijdige opnamen van 4 muizen of, indien gewenst, ratten met een hogere dichtheid grids. Een dergelijke uitbreiding zou slechts vereisen extra kabels en adapters.
Deze benadering high-density EEG acquisitie richt nadelen van andere high-density EEG acquisitiemethoden bij muizen. De in dit werk beschreven systeem handig gebouwd met eenvoudige materialen en gebruikt open source hardware en software die is goedkoop en stabiel maakt herhaalde metingen in hetzelfde dier gedurende maanden, maakt vrije beweging tijdens een experiment, en geen muizen eisen dat verdoofd voor opname. Beperkingen van dit systeem is dat het alleen gevalideerd tot op heden in muizen die 20 g of meer weegt en die ouder dan 12 weken. Kleinere of jongere muizen kunnen moeite hebben met het hoofddeksel implantatie hebben. Een tweede beperking van deze methode is het onvermogen nauwkeurig stuurelektrode diepte na headpIECE fabricage. Echter, dezelfde beperking geldt voor traditionele schroef EEG-elektroden, aangezien er geen manier exact de pre-mortem inschroefdiepte opzichte van het corticale oppervlak. Problemen oplossen voor deze methode meestal omvat de juiste afscherming interfererende signaal van de muis wanneer vastgebonden om ruisvrije signaal te verkrijgen.
High-density EEG arrays zijn essentieel voor de complexe spatiotemporele analyse van EEG gegevens die de nieuwe normale moderne EEG interpretatie zijn. Terwijl de ruimtelijke verdeling van een visuele evoked potential wordt geïllustreerd, kunnen de gegevens verkregen met behulp van dit systeem worden geanalyseerd met behulp van elektrische bron beeldvormende technieken en neuronale connectiviteit maatregelen. Een 60% tot 70% vermindering van contact tussen deze elektroden kunnen dan traditionele schroefcontacten maakt nauwkeuriger localisatie signaal, zie figuur 4. Gebruikmakend high-density analytische technieken in genetisch gemodificeerde muizen na Pharmacological interventie, of bij dieren met een intrinsieke pathologie zoals epilepsie kan helpen onderscheiden van de mechanismen genereren van specifieke corticale oscillaties, lokaliseren van bronnen van de ERP's en EP's, en onthullen grootschalig netwerk eigenschappen. Door betere parallel schakelen menselijke systemen, zal deze aanpak te verbeteren kleine dierlijke modellen van menselijke neurofysiologie en neuropathologie, waardoor makkelijker vertaling van ontdekkingen gedaan in diermodellen aan de wetenschappelijke en klinische relevantie bij de mens.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the Foundation for Anesthesia Education and Research Mentored Research Training Grant (ARM), by the National Institutes of Health grants GM107117 (MBK) and GM088156 (MBK), and by the Department of Anesthesiology and Critical Care at the University of Pennsylvania, Perelman School of Medicine.
32 Channel RHD2132 amplifier headstage | Intan Technologies | C3314 | |
Aquistion Board | Open Ephys | v2.2 | |
100 Position Receptable Connector | Digi-Key | ED85100-ND | Headpiece |
Acetone (1L) | Sigma Aldrich | 179973-1L | |
Razor Blade (100pack) | McMaster Carr | 3962A4 | |
Wire-Cutting Pliers | MSC Industrial | 321786 | |
2-Part Epoxy | McMaster Carr | 7605A18 | |
PFA Coated Silver Wire (25ft) | A-M Systems | 787000 | EMG Wire |
CircuitWriter Pen | MCM Electronics | 200-175 | Silver Applicator for Electrode Tips |
36 Position Dual Row Male Nano-Miniature Connector | Omnetics Connector Corporation | A79028-001 | Headpiece to Amplifier Adapter |
Conn Strip Header 2 x 50 | Digi-Key | ED83100-ND | Headpiece to Amplifier Adapter |
Clidox Base and Acitvator | Pharmacal | 95120F & 96120F | Sterilant |
Isoflurane | Priamal Enterprises Ltd | 66794-019-10 | |
Oxygen | Airgas | OX USP300 | |
Closed Loop Temperature Controller | CWE Inc. | 08-130000 | |
Curved Scissors | FST | 14085-09 | |
0.25% Bupivicaine Hydrochloride | Hospira | 0409-1159-02 | Local Anesthetic |
Meloxicam 5mg/mL | Henry Schein | 6451602845 | Pain/Inflammation Relief |
0.9% Sodium Chloride | Hospira | 0409-4888-20 | Fluids |
Cefazolin | Hospira | 0409-0806-01 | Antibacterial |
No.11 Disposable Scapel (20 pk) | Feather | 2975#11 | |
Micro Serrefines | FST | 18052-3 | |
Cotton Swabs (1000 pk) | MSC Industrial | 8749574 | |
0.5mm Micro Drill Bit | FST | 19007-05 | |
Stereotaxic Drill | Kopf | Model 1471 | |
Curved Forceps | Roboz | RS-5136 | |
Methyl Methacrylate | A-M Systems | 525000 | Cement for headpiece |
Methyl Methacrylate Crosslinking Compound | A-M Systems | 526000 | |
Curved Hemostats | FST | 13003-10 | Aide in Adapter Connection |
RHD2000 standard SPI interface cable (3ft) | Intan Technologies | C3203 | |
Cantilever Arm | Instech | MCLA | |
Micro Spatula (12 pk) | Fischer Scientific | S50822 | |
Digital Soldering Station | MCM Electronics | 21-10115 | |
Rosin Core Solder 60/40 Tin/Lead | MCM Electronics | 21-1045 | |
Color Craze Nail Polish with Hardeners (Nitrocellulose based) | L.A. Colors | CNP508 | |
Small Animal Stereotaxic Instrument with Digital Display Console | Kopf | Model 940 |