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.
Las técnicas de análisis electroencefalográficos avanzadas que requieren una alta resolución espacial, incluyendo imágenes de la fuente eléctrica y las mediciones de la conectividad de red, son aplicables a una variedad amplia de preguntas en la neurociencia. La realización de estos tipos de análisis en un modelo de roedor requiere una mayor densidad de electrodos de electrodos tornillo tradicionales pueden lograr. Si bien existen montajes electroencefalográficos de mayor densidad de roedores, que son de disponibilidad limitada a la mayoría de los investigadores, no son lo suficientemente robusta como para los experimentos repetidos durante un período prolongado de tiempo, o se limitan a utilizar en los roedores anestesiados. Un 1-3 de bajo costo propuesto método para la construcción de una, de gran número, matriz de electrodos transcraneal durable, que consiste en piezas de cabeza bilateralmente implantables se investiga como un medio para llevar a cabo los análisis avanzado electroencefalograma en ratones o ratas.
Los procedimientos para la fabricación de casco y la implantación quirúrgica necesario para producir alta relación señal a ruido, se presentan electroencefalográfico de baja impedancia y señales electromiográficas. Aunque la metodología es útil tanto en ratas y ratones, este manuscrito se centra en la aplicación más desafiante para el cráneo más pequeño del ratón. Libremente los ratones se mueven sólo son atados a cables a través de un adaptador de corriente durante la grabación. Una versión de este sistema de electrodos que incluye 26 canales electroencefalográficas y 4 canales electromiográficos se describe a continuación.
La actividad neuronal se puede grabar extracelularmente con varios niveles de granularidad de los potenciales de acción (individuales) microscópicas para mesoscopic (potenciales de campo locales) a macroscópica (electroencefalograma). Estas trazas de ondas cerebrales se analizan clásico en el dominio de la frecuencia para caracterizar de comportamiento, neurofisiológicos, o estados electrofisiológicos. Esto se puede hacer con una sola biopotencial, 4 pero los registros de EEG densidad dispersos no puede resolver el componente espacial de la actividad neuronal. El análisis del electroencefalograma moderna se basa en múltiples electrodos para producir mapas detallados de la distribución espacio-temporal de la actividad cortical con el fin de correlacionar la actividad de las condiciones psicológicas específicas y los procesos fisiológicos. 5-7 Dos de las categorías de uso más común de análisis requiriendo montajes de EEG de alta densidad son imagen fuente eléctrica y las medidas de conectividad de red neural. 8-11
<p class="jove_content"> Imágenes fuente eléctrica implica la localización de las regiones del cerebro funcionalmente activas. la cartografía topográfica de la matriz de electrodos puede visualizar la densidad de la fuente de corriente de la actividad eléctrica en el cerebro durante potenciales relacionados con eventos (ERPs) y potenciales evocados (PE). Localización de la fuente eléctrica se utiliza comúnmente en ambos estudios de convulsiones, así como en los análisis de distribución de energía. 12-15 Desde EEG tiene una alta resolución temporal, estudios de EEG permitir la evaluación en tiempo real de los ERP y EPs, así como el análisis temporal precisa post hoc. 3,11 , 12La asociación de los estados y las funciones cognitivas con la interacción de las oscilaciones observadas en el electroencefalograma es el objetivo final de las distintas medidas de conectividad de redes neuronales. Numerosos estudios han demostrado la sincronización y el bloqueo de fase de las oscilaciones entre las diferentes regiones del cerebro están asociados con estados específicos de la excitación, la atención y la acción. 6,13,14,16-19 </sup> La demostración de este tipo de asociaciones de señales entre las regiones cerebrales requiere matrices de alta densidad que permiten la evaluación de la conectividad de red.
localización de la fuente y la red de análisis de señales de EEG se originó con los estudios en humanos, pero las investigaciones sobre la base neuronal de estas señales implican necesariamente modelos animales, ya que requieren técnicas invasivas que serían imposibles en los seres humanos. Con el fin de replicar estos análisis en modelos de roedores, se necesita un método para la captura de señales de EEG de alta densidad en el cerebro de un roedor. Mientras que otros grupos han construido matrices de microelectrodos de alta densidad para uso en ratones, estos enfoques son de disponibilidad limitada a los investigadores que no tienen acceso a las instalaciones de nanofabricación, no son lo suficientemente robusta como para los experimentos repetidos durante un período prolongado de tiempo, o se limitan a utilizar en anestesiado ratones. 1-3,7 Un protocolo alternativo de bajo costo para la construcción de alta densidad crónica, transcraneal electrodo array se demuestra aquí.
El enfoque de adquisición de señal se describe aquí no se limita a EEG, pero incluye señales electromiográficas (EMG). Adquisición de señales EMG puede ser un método complementario para la definición de estado de comportamiento y es particularmente útil para los estudios del sueño. Este enfoque proporciona un intermedio entre las redes intracraneales caro, ultra-alta densidad, y los números limitados de plomo posibles con electrodos de tornillo tradicionales que son insuficientes para el análisis de los enfoques avanzados. El diseño del casco se construye fácilmente y asequible para los estudios de alto rendimiento. El uso de este sistema de adquisición en conjunto con técnicas de manipulación genética o farmacológicas variadas dentro de modelos de roedores puede ayudar a descubrir los mecanismos de generación de oscilación cortical, las divergencias de comportamiento de verdaderas diferencias genotípicas, localización de la fuente de los ERP y EPs, y la comunicación de red a gran escala.
La construcción de bajo costo y los pasos quirúrgicos necesarios para alcanzar adecuadamente un canal 26, de alta densidad de montaje de EEG en un ratón se describe. Proper contacto del electrodo epidural es crítico en la adquisición de señales de EEG de calidad en este sistema. Dos pasos dentro de la dirección de protocolo de esta cuestión: Contacto de recorte para que coincida con el contorno del cerebro, y la implantación casco antes de refuerzo acrílico. Es importante no cortar un perno demasiado corto durante la fase de construcción. Para la implantación de los cascos, es imprescindible para comprobar posición de la bandera antes de que el refuerzo de acrílico final. Una forma de confirmar un contacto adecuado electrodo es a través de pruebas de impedancia. Aparentemente, las impedancias de 5-10 kW sugieren la colocación epidural adecuada. 26 Las mediciones de impedancia demuestran durabilidad las piezas de cabeza ', como los valores de impedancia de electrodos son estables dentro de este rango de 5 a 10 kW durante al menos 4 meses después de la implantación. El otropaso esencial consiste en la alineación de los pasadores de EMG con las dos filas más posteriores del 2 x 7 de ladrillo EEG. Esto es crítico para la conexión del adaptador, como EMG desalineados y los pasadores de EEG darán lugar a una incapacidad para conectar el adaptador o adaptadores pines doblados.
Una ventaja importante de este sistema de adquisición es la facilidad de modificación de la forma de la matriz de electrodos con el fin de optimizar las necesidades experimentales variadas. disposiciones de electrodos personalizados que se adaptan de manera óptima para los experimentos específicos se pueden crear fácilmente. Personalización para experimentos específicos potencialmente podría combinar el EEG con cánula para la administración de fármacos dirigida a farmacológico combinado, electroencefalográfica, y estudios de comportamiento. 27 Tocados, adaptadores, y los procedimientos quirúrgicos se adaptan fácilmente a una amplia serie de estudios, cuando siguiendo los métodos descritos en el protocolo anterior . Una segunda ventaja importante de este sistema de adquisición es su bajo costo. En la actualidad, este sistema de medición puedeficha 128 canales de entrada en hasta 4 cables separados, que permiten la grabación simultánea de 4 ratones o si se desea, las ratas con rejillas de mayor densidad. Tal expansión sólo requiere cables adicionales y adaptadores.
Este enfoque de la alta densidad de adquisición de EEG aborda los inconvenientes de otros métodos de adquisición de EEG de alta densidad en ratones. El sistema descrito en este trabajo se construye convenientemente con materiales simples y utiliza el hardware de código abierto y el software que es barato y estable, permite mediciones repetidas en el mismo animal durante meses, permite la libre circulación durante un experimento, y no requiere que los ratones que ser anestesiado para la grabación. Las limitaciones de este sistema es que sólo ha sido validado hasta la fecha en los ratones que pesan 20 gramos o más, o es mayor de 12 semanas. los ratones más jóvenes o más pequeños pueden tener dificultades con la implantación casco. Una limitación secundaria de esta metodología es la incapacidad de controlar con precisión la profundidad de la sonda después headpIECE fabricación. Sin embargo, esta misma limitación se aplica a los electrodos de EEG tradicionales tornillo ya que no hay manera de saber con precisión la profundidad de atornillado pre-mortem respecto a la superficie cortical. Solución de problemas de este método implica típicamente blindaje correctamente señal interferente del ratón cuando atados a fin de obtener la señal libre de ruido.
EEG matrices de alta densidad son esenciales para los complejos análisis espacio-temporales de datos de EEG que son normales en la nueva interpretación moderna EEG. Si bien se ilustra la distribución espacial de un potencial evocado visual, los datos adquiridos usando este sistema se pueden analizar usando técnicas de imagen fuente eléctrica y las medidas de la conectividad neuronal. Una reducción del 60% al 70% en el área de contacto entre estas clavijas de electrodo en comparación con los contactos de los tornillos tradicionales permite la localización más precisa de la señal, como se muestra en la Figura 4. El empleo de técnicas de análisis de alta densidad en ratones modificados genéticamente, siguiendo Pharmacological intervención, o en animales con patología intrínseca tales como trastornos convulsivos pueden ayudar a discernir los mecanismos que generan oscilaciones corticales específicas, localizar fuentes de ERPs y EPs, y para revelar las propiedades de red a gran escala. Por mejores sistemas de paralelismo humanos, este enfoque mejorará pequeños modelos animales de la neurofisiología humana y la neuropatología, proporcionando traducción más fácil de los descubrimientos realizados en modelos de roedores de relevancia científica y clínica en humanos.
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 |