Registrazioni di potenziali evocate visive nei topi utilizzando un multicanale Non invasiva a secco del cuoio capelluto EEG sensore
Summary
Abbiamo progettato un sensore di 16 canali EEG a secco-tipo che è invasivo, deformabile e riutilizzabili. Questo articolo descrive l’intero processo di produzione l’elettrodo EEG proposto alla elaborazione del potenziale evocato visivo (VEP) del segnale segnali misurati su un cuoio capelluto del mouse utilizzando un sensore di EEG multicanale non invasiva asciutto.
Abstract
Per ambienti di ricerca di cuoio capelluto EEG con topi di laboratorio, abbiamo progettato un sensore di EEG di 16 canali a secco-tipo che è invasivo, deformabile e riutilizzabili a causa dell’aspetto strutturale stantuffo-primavera-barilotto e resistenze meccaniche risultanti da metallo materiali. L’intero processo di acquisizione il VEP responses in vivo da un mouse è costituito da quattro passaggi: montaggio del sensore (1), la preparazione (2) animali, VEP (3) misura ed elaborazione del segnale (4). Questa carta presenta misurazioni rappresentative delle risposte VEP da più mouse con una risoluzione di segnale submicroniche-tensione e sub-cento risoluzione temporale di millisecondo. Anche se il metodo proposto è più sicuro e più conveniente rispetto ad altri precedentemente segnalati animali metodi incorporante di EEG, ci sono ancora problemi tra cui come migliorare il rapporto segnale-rumore e come applicare questa tecnica con animali liberi di muoversi. Il metodo proposto utilizza risorse facilmente disponibili e Mostra una risposta VEP ripetitiva con una qualità di segnale soddisfacente. Pertanto, questo metodo potrebbe essere utilizzato per studi sperimentali longitudinali e affidabile ricerca traslazionale sfruttando paradigmi non invasivo.
Introduction
Come il numero di pazienti con malattie degenerative senili del cervello come demenza, morbo di Alzheimer, sindromi parkinsoniane e ictus sono aumentati con l’invecchiamento della popolazione e una crescente speranza di vita, ha l’onere della società a lungo termine di queste malattie anche aumentato1,2,3. Inoltre, la maggior parte delle malattie dello sviluppo neurologico, come la schizofrenia e l’autismo, sono accompagnati da disturbi cognitivi e comportamentali che interessano tutta la vita di2,3,4 di un paziente. Per questo motivo, i ricercatori hanno lottato per migliorare la diagnosi, prevenzione, comprensione patologica, osservazione a lungo termine e nel trattamento delle malattie del cervello. Tuttavia, i problemi rimangono derivanti dalla complessità del cervello e le patologie di malattia non rivelati. Ricerca traslazionale può essere uno strumento promettente per identificare soluzioni perché consente il trasferimento della ricerca di base alle applicazioni cliniche entro un lasso di tempo più breve, a costi inferiori e con un più alto tasso di successo in neuroscienze campi5 ,6,7. Un altro obiettivo della ricerca traslazionale è quello di esaminare l’applicabilità nei soggetti umani, che richiede approcci sperimentali non invasivi in animali che consentono confronti con lo stesso metodo per gli esseri umani. Queste condizioni hanno portato a diverse esigenze significative per lo sviluppo di metodi di preparazione degli animali non-invasivo. Un metodo è l’elettroencefalografia (EEG), che rivela la connettività corticale cerebrale e attività è bidimensionale ad elevata risoluzione temporale, e che beneficia di un protocollo non invasivo. La registrazione di potenziale evento-correlati (ERP) è uno dei tipici paradigmi sperimentali che utilizzano EEG.
Numerosi studi autonomo non invasiva EEG metodi precedenti per il targeting soggetti gli esseri umani, considerando che i metodi invasivi, come impiantare viti ed elettrodi di tipo di palo, sono stati utilizzati in studi sugli animali8,9,10 , 11 , 12. la qualità del segnale e le caratteristiche di questi metodi dipendono in modo significativo l’invasività del posizionamento del sensore. Per successo ricerca traslazionale, Garner ha sottolineato utilizzando le stesse condizioni per studio sugli animali come quelli utilizzati per la ricerca umana13. Per la ricerca di base utilizzando animali, tuttavia, metodologie non invasive di EEG non sono prevalenti. Un metodo novello usando un sistema di sensori non invasivi del cuoio capelluto EEG concentrandosi su topi di laboratorio sarebbe uno strumento affidabile ed efficiente per la ricerca traslazionale che possa essere applicato ai paradigmi non invasivo per gli esseri umani, pure.
Numerosi studi del mouse EEG ha condotto il senso da commercializzare PCB (circuito stampato) basato su elettrodi multi-canale14,15,16. Anche se hanno adottato un metodo invasivo, avevano un numero limitato di canali (3-8), che ha reso più difficile da osservare la dinamica del cervello su larga scala. Inoltre, le applicazioni possono essere limitate dalla loro invasività e costi elevati. In un altro studio di ricerca, il KIST (Korea Institute of Science and Technology) ha sviluppato un elettrodo di film sottile di polyimide-basato 40 canale e attaccato a cranio17,18,19,20 di un mouse . Questo lavoro ha acquisito il maggior numero di canali del mouse EEG. Era, tuttavia, meccanicamente deboli e non facile da riutilizzare; di conseguenza, era inadeguato per osservazioni a lungo termine, portando a un segnale indebolito, possibilmente causato da una reazione immune. Nel frattempo, Troncoso e Mégevand acquisito un potenziale evocato sensoriale (SEP) sui teschi dei roditori con trenta-due elettrodi in acciaio inox protetti da un di21,di Poly(methyl methacrylate) (PMMA, vetro acrilico) griglia forata22 , 23. nonostante la loro qualità di segnale alto, gli elettrodi erano meccanicamente flessibili e tenera; di conseguenza, avevano difficoltà essendo applicata a esperimenti multipli. Inoltre, questo metodo era ancora minimamente invasivo. Sebbene questi metodi forniscono segnale di buona qualità, la superficie del cranio di un topo è limitata, il numero di elettrodi è pertanto limitato utilizzando un elettrodo di acciaio inox pole-tipo. Una serie di precedenti studi di EEG per topi ha mostrato diverse limitazioni. In questo studio, ci mostrerà un nuovo metodo per la misurazione EEG applicabile nella ricerca traslazionale pre-clinica, utilizzando un sensore di multi-canale a secco-tipo non invasivo.
Al fine di superare i limiti dei precedenti metodologie EEG animale, che includeva l’intrinseca complessità di preparazione degli animali, l’invasività, alti costi, sprechi e debole resistenza meccanica, abbiamo cercato di sviluppare un nuovo elettrodo che esibisce flessibilità, stato di tipo asciutto, le funzionalità multi-canale, non invasività e riutilizzabilità. Nel seguente protocollo, descriviamo il processo di misurazione registrazioni (VEP) potenziali evocate visive su un cuoio capelluto del mouse utilizzando un sensore di EEG asciutto, non invasivo, multi-canale. Questo metodo utilizza risorse facilmente disponibili, quindi abbassare la barriera di ingresso nella sperimentazione animale nel campo dell’ingegneria biomedica.
Protocol
Representative Results
Discussion
In primo luogo ci siamo concentrati sul design del sensore, priorità praticità riducendo al minimo le procedure chirurgiche complesse. Il sensore di EEG deformabile è composto da sedici perni: quattordici per registrazione, uno per terra e l’ultimo per elettrodi di riferimento. Ogni elettrodo ha la struttura di stantuffo-primavera-barilotto, che si applica deformabilità sulla superficie di contatto dell’elettrodo, quindi facilitano l’acquisizione del segnale stabile e uniforme dal cuoio capelluto del mouse curvo e te…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato in parte dalla GIST Research Institute (GRI), il progetto di collaborazione di ricerca GIST-Caltech attraverso una sovvenzione fornita da GIST nel 2017. Supportato anche da assegno di ricerca (NRF-2016R1A2B4015381) della nazionale Research Foundation (NRF) finanziato dal governo coreano (MEST) e dal programma di ricerca di base di KBRI attraverso Corea del Brain Research Institute finanziato dal Ministero della scienza, ICT e futuro Pianificazione (17-BR-04).
Materials
| Ketamine 50 Inj. (Vial) | Yuhan | – | Ketamine HCl 57.68 mg |
| Zoletil 50 Inj. | Virbac | – | Tiletamina 125 mg/ Zolazepam 125 mg |
| Rompun 2% Inj. | BAYER | – | Xylazine hydrochloride 23.32mg/mL |
| Hycell solution 2% | Samil | – | Hydroxypropylmethylcellulose 20 mg |
| Puralube Vet Ointment 3.5 mg | Pharmaderm | – | |
| Saline solution Inj. | JW Pharmaceutical | – | NaCl 9 g/1000 mL |
| Veet Hair Removal Cream – Legs & Body – Sensitive Skin | Reckitt Benckiser | – | depilatory |
| Skins – Surgical Skin Marker | Surgmed | S-3000 | STERILE – Multi-Tip Fine Marker with ruler and label set |
| Stainless Steel Micro Spatulas | HEATHROW SCIENTIFIC | HS15907 | One Round Flat End, 2L x 5/16W" |
| cotton swap | |||
| Stereotaxic, Desktop Digi Single | RWD Life Science | 68025 | |
| Mouse Adapter | RWD Life Science | 68010 | |
| Ear Bar for Mouse Non-Rupture | RWD Life Science | 68306 | |
| Mitsar-EEG 202-24 | MITSAR | amplifier | |
| EEGStudio EEG acquisition software | MITSAR | ||
| White flash stimulator | MITSAR | MITSAR Flash stimulator | |
| BCI2000 software | Schalk lab | ||
| g.USBamp | g.tec | 0216 | |
| g.Power-g.USBamp | g.tec | 0247 | |
| 441 style straight body Touch Proof connector | PlasticsOne | 441000PSW080001 | 441 – 000 PSW 80" (BLACK) |
| Standard probe | LEENO | SK100CSW | http://www.globalinterpark.com/detail/detail?prdNo=2114277241&dispNo=001851006012 |
| Precision engraving machine tools | TINYROBO | TinyCNC-6060C | |
| Heat shirink | 3M | FP301 |
References
- Alzheimer’s Association. Alzheimer’s disease facts and figures. Alzheimers Dement. 12 (4), 459-509 (2016).
- Birbeck, G. L., Meyer, A. C., Ogunniyi, A. Nervous system disorders across the life course in resource-limited settings. Nature. 527 (7578), S167-S171 (2015).
- World Health Organization. . Neurological disorders: public health challenges. , (2006).
- Meyer, U., Feldon, J., Dammann, O. Schizophrenia and Autism: Both Shared and Disorder-Specific Pathogenesis Via Perinatal Inflammation?. Pediatr Res. 69 (5), 26r-33r (2011).
- Freedman, L. P., Cockburn, I. M., Simcoe, T. S. The Economics of Reproducibility in Preclinical Research. PLoS Biol. 13 (6), e1002165 (2015).
- Cummings, J. L., et al. Alzheimer’s disease drug development: translational neuroscience strategies. CNS Spectr. 18 (3), 128-138 (2013).
- Roelfsema, P. R., Treue, S. Basic neuroscience research with nonhuman primates: a small but indispensable component of biomedical research. Neuron. 82 (6), 1200-1204 (2014).
- Wu, C., Wais, M., Sheppy, E., del Campo, M., Zhang, L. A glue-based, screw-free method for implantation of intra-cranial electrodes in young mice. J Neurosci Methods. 171 (1), 126-131 (2008).
- Yu, F. H., et al. Reduced sodium current in GABAergic interneurons in a mouse model of severe myoclonic epilepsy in infancy. Nat Neurosci. 9 (9), 1142-1149 (2006).
- Parmentier, R., et al. Anatomical, physiological, and pharmacological characteristics of histidine decarboxylase knock-out mice: evidence for the role of brain histamine in behavioral and sleep-wake control. J Neurosci. 22 (17), 7695-7711 (2002).
- Handforth, A., Delorey, T. M., Homanics, G. E., Olsen, R. W. Pharmacologic evidence for abnormal thalamocortical functioning in GABA receptor beta3 subunit-deficient mice, a model of Angelman syndrome. Epilepsia. 46 (12), 1860-1870 (2005).
- Wu, C., Wais, M., Zahid, T., Wan, Q., Zhang, L. An improved screw-free method for electrode implantation and intracranial electroencephalographic recordings in mice. Behav Res Methods. 41 (3), 736-741 (2009).
- Garner, J. P. The Significance of Meaning: Why Do Over 90% of Behavioral Neuroscience Results Fail to Translate to Humans, and What Can We Do to Fix It?. Ilar Journal. 55 (3), 438-456 (2014).
- Naylor, E., Harmon, H., Gabbert, S., Johnson, D. Automated sleep deprivation: simulated gentle handling using a yoked control. Sleep. 12 (1), 5-12 (2010).
- Naylor, E., et al. Simultaneous real-time measurement of EEG/EMG and L-glutamate in mice: A biosensor study of neuronal activity during sleep. J Electroanal Chem (Lausanne). 656 (1-2), 106-113 (2011).
- Naylor, E., et al. Molecules in Neuroscience. , 12-16 (2010).
- Choi, J. H., et al. A flexible microelectrode for mouse EEG. , 1600-1603 (2009).
- Choi, J. H., Koch, K. P., Poppendieck, W., Lee, M., Shin, H. S. High resolution electroencephalography in freely moving mice. J Neurophysiol. 104 (3), 1825-1834 (2010).
- Lee, M., Shin, H. S., Choi, J. H. Simultaneous recording of brain activity and functional connectivity in the mouse brain. , 2934-2936 (2009).
- Lee, M., Kim, D., Shin, H. S., Sung, H. G., Choi, J. H. High-density EEG recordings of the freely moving mice using polyimide-based microelectrode. JoVE-J Vis Exp. (47), e2562 (2011).
- Mégevand, P., Quairiaux, C., Lascano, A. M., Kiss, J. Z., Michel, C. M. A mouse model for studying large-scale neuronal networks using EEG mapping techniques. Neuroimage. 42 (2), 591-602 (2008).
- Megevand, P., et al. Long-term plasticity in mouse sensorimotor circuits after rhythmic whisker stimulation. J Neurosci. 29 (16), 5326-5335 (2009).
- Troncoso, E., Muller, D., Czellar, S., Zoltan Kiss, J. Epicranial sensory evoked potential recordings for repeated assessment of cortical functions in mice. J Neurosci Methods. 97 (1), 51-58 (2000).
- Keith, B., Franklin, G. P., Paxinos, G. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2008).
- Kawakami, M., Yamamura, K. I. Cranial bone morphometric study among mouse strains. Bmc Evol Biol. 8, (2008).
- Strain, G. M., Tedford, B. L. Flash and pattern reversal visual evoked potentials in C57BL/6J and B6CBAF1/J mice. Brain Res Bull. 32 (1), 57-63 (1993).
- Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. BCI2000: A general-purpose, brain-computer interface (BCI) system. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).
- Kim, D., Yeon, C., Kim, K. Development and Experimental Validation of a Dry Non-Invasive Multi-Channel Mouse Scalp EEG Sensor through Visual Evoked Potential Recordings. Sensors. 17 (2), 326 (2017).
- Yeon, C., Kim, D., Kim, K., Chung, E. . SENSORS, 2014 IEEE. , 519-522 (2014).
- Kim, D., Yeon, C., Chung, E., Kim, K. . SENSORS, 2015 IEEE. , 1-4 (2015).
- Lin, C. T., et al. Novel dry polymer foam electrodes for long-term EEG measurement. IEEE Trans Biomed Eng. 58 (5), 1200-1207 (2011).
- Lopez-Gordo, M. A., Sanchez-Morillo, D., Pelayo Valle, F. Dry EEG electrodes. Sensors (Basel). 14 (7), 12847-12870 (2014).
- Fang, Q., Bedi, R., Ahmed, B., Cosic, I. Engineering in Medicine and Biology Society, 2004. IEMBS’04. , 2995-2998 (2004).
- Maffei, L., Fiorentini, A., Bisti, S. Neural correlate of perceptual adaptation to gratings. Science. 182 (4116), 1036-1038 (1973).
- Ernst, M., Lee, M. H., Dworkin, B., Zaretsky, H. H. Pain perception decrement produced through repeated stimulation. Pain. 26 (2), 221-231 (1986).
