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Neuroscience

誘発電位録画ドライの非侵襲的なマルチ チャネルを使用してマウスの頭皮脳波センサー

Published: January 12, 2018 doi: 10.3791/56927
Automatic Translation
1, 2, 2, 1,3
1Department of Biomedical Science and Engineering (BMSE), Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 2School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 3School of Mechanical Engineering (SME), Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

Summary

非侵襲的な変形、かつ再利用可能なドライ型 16 チャンネル脳波センサーを考案しました。本稿では、乾燥非侵襲的な多チャンネル脳波センサーを用いたマウス頭皮上で測定信号の視覚誘発電位 (VEP) の信号処理を提案された脳波電極の製造から全体のプロセスについて説明します。

Abstract

実験用マウスの頭皮脳波研究環境では非侵襲的な変形、および再利用可能なプランジャー スプリング バレル構造ファセットおよび金属に起因する機械的強度のためドライ型 16 チャンネル脳波センサーを設計しました材料。視覚誘発電位応答、 vivo でマウスから取得するための全体のプロセスは 4 つのステップで構成されています: (1) センサー アセンブリ、(2) 動物の準備、(3) 視覚誘発電位測定、(4) 信号処理。サブミクロン電圧信号の解像度を持つ複数のマウスから誘発反応の代表的な測定とサブ百ミリ秒時間分解能について述べる。提案手法と比較されるがより安全より便利なその他以前動物脳波取得方法の報告、信号対雑音比を向上させる方法、自由に動物の移動にこの手法を適用する方法などの問題が残っています。この手法は、簡単に利用可能なリソースを利用し、十分な信号品質の反復的な視覚誘発電位応答を示しています。したがって、このメソッドは、縦の実験的研究、非侵襲的なパラダイムを利用した信頼性の高いトランスレーショナルリサーチに利用できます。

Introduction

老人性退行性脳疾患患者の数としてよう認知症、アルツハイマー、パーキンソン症候群、脳卒中は高齢者人口と平均寿命、増加しているこれらの疾患の長期的な社会的負担が1,2,3を増やしました。さらに、統合失調症や自閉症など、ほとんどの神経発達の病気は患者の人生2,3,4に影響を与える認知・行動障害が添付されます。このため、研究者は診断や予防、病理学的理解、長期的な観察、脳疾患の治療を改善するために苦労しています。ただし、問題が残っている脳の複雑さと個性の疾患病態に由来。トランスレーショナルリサーチ神経科学分野5 で高い成功率と低コストで短い時間の枠内で臨床応用への基礎研究の転送を可能にするために、ソリューションを識別するための有望な用具であるかもしれない、6,7。トランスレーショナルリサーチの別の目標は、人間のための同じメソッドを比較ができる動物の非侵襲的な実験的アプローチを必要とする、人間の適用性を調べることです。これらの条件は、非侵襲的動物作製法を開発するためのいくつかの重要なニーズにつながっています。1 つの方法は、脳波 (EEG) 皮質頭脳の結合性と時間分解能が高いと二次元の活動を明らかに、非侵襲的なプロトコルからの利点です。事象関連電位計測 (ERP) は、脳波を利用する典型的な実験パラダイムのひとつです。

多数前研究採用非侵襲的脳波方法侵襲的方法など、インプラントのネジと極型電極に対し人間の被験者を対象に使用されている動物研究8,9,10,11,12. 信号品質とこれらの方法の特性は大幅センサー配置の侵襲性に依存しています。成功したトランスレーショナルリサーチ、ガーナー人間研究13に使用されるものとして動物実験のための同じ条件を使用して強調しました。しかし、動物を用いた基礎研究は非侵襲的な脳波の方法論は普及しているありません。実験用マウスに着目した非侵襲的な頭皮脳波センサー システムを用いた斬新なアプローチには、人間は、同様の非侵襲的なパラダイムを適用ことができますトランスレーショナルリサーチの信頼性と効率的なツールとなります。

プリント基板の製品化で数多くのマウス脳波研究を先導 (プリント回路基板) によるマルチ チャネル電極14,,1516。彼らは侵襲的な方法が採用される、大規模な脳ダイナミクスを観察しにくくしたチャンネル (3-8) の限られた数を有した。さらに、アプリケーションは、その侵襲性と高コストで制限できます。別の調査で KIST (韓国科学と技術) 40 チャンネル ポリイミド ベースの薄膜電極を開発し、マウスの頭蓋骨17,18,19,20 に接続.この作業は、マウス脳波チャンネルの最大数を取得しました。それは、しかし、機械的に弱く、簡単に再利用。したがって、それは免疫反応によって生じた、弱体化した信号につながる長期的な観測に適したでした。一方、Troncoso、Mégevand で取得した感覚誘発電位 (SEP) 齧歯動物の頭蓋骨に穴あき Poly(methyl methacrylate) (PMMA、アクリル ガラス) グリッド21,22担保 30-2 ステンレス鋼電極,23. にもかかわらず、高い信号品質電極が機械的に柔軟で柔らかい。したがって、複数の実験に適用される難しさを有した。さらに、この方法はまだ低侵襲であった。これらのメソッドは、良好な信号品質を提供する、マウスの頭蓋骨の表面の面積が限られている、したがって電極の数はステンレス ポール型電極を使用して制限。マウスの前の脳波研究の数は、いくつかの制限を示した。本研究では、非侵襲的なドライ型マルチ チャネル センサーを用いた前臨床の橋渡し研究に適用可能な脳波を測定するための新しい方法を紹介します。

動物の準備、侵襲、高コスト、無駄と機械的強度が弱いに固有の複雑さを含まれて、以前動物脳波手法の限界を克服するために我々 は表わす新しい電極を開発しよう柔軟性、乾式状態、マルチ チャネル機能、非侵襲、再利用性。次のプロトコルでは、乾燥、非侵襲的、多チャンネル脳波センサーを用いたマウス頭皮に誘発電位 (VEP) 録音を計測するプロセスについて説明します。このメソッドは、簡単に利用可能なリソース、したがって生体医工学分野における動物実験への参入障壁を下げることを利用しています。

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Protocol

アニマル ・ ケアおよび処理光州科学および技術 (GIST) の制度上の指針に続いた。

注: マウス体内視覚誘発電位信号を取得するための手順の 4 つのステップで構成されています: (1) センサー アセンブリ、(2) 動物の準備、(3) 視覚誘発電位測定、(4) 信号処理。

1. センサーのアセンブリ

  1. 1 つの非侵襲的な電極の 16 ピンを準備します。
    注: 各ピン型電極の 3 つの部分で構成されています: プローブ ヘッド プランジャー、内部の春、図 1 aに示すように、バレル。各ピンの長さは 13 mm、および調節可能なばねの予荷重長さは 1 mm。
  2. ガラス繊維の 2 つの部分をカット (厚さ: 1.5 mm) 15 × 17 mm (幅 × 高さ) のサイズ。
    注: 複数の信号を隔てる絶縁体として非伝導性ファイバーグラス基板機能はマウスの頭皮から同時に取得。
  3. 直径 1.2 mm の 16 穴は精密彫刻機を使用して図 1 cに示すように。
    1. フラット基板上に 2 mm の間隔で均等にプローブ調整広がる: +7/0, +2/-2、+2/0, +2/+2、0/4, 0/-2, 0/0 (前) 0/+2 0/+4,-2/-3,-2/-1、-2/+1、-2/+3、-4/-2、-4/0、-4/+2 (mm で、前のベースにした前後/横)24,25,26。
  4. 2 枚の基板をスタックし、即効信号集録中に 16 の安定と平行電極をサポート 3 mm 厚さの二重層を生産基板層間接着剤の一滴を適用します。
  5. 手動で 1 つの基板上に 16 個の電極を組み立てます。
    注: 小さい穴径は同じ長さで各電極を停止します。各穴の直径は、ゆるめることがなく電極のタイトな固定を可能にする単一のピン (1.3 mm) 内のバレルの厚い直径よりわずかに小さい。
  6. はんだ付けし、各電極のはんだカップ エンディングをタッチ防水コネクタにリンクします。
  7. カバーし、電気絶縁用熱収縮チューブと裸の接合を隠します。

2. 動物の準備

  1. Ketamine:xylazine 100:10 の腹腔投与でマウスの麻酔 (100 mg/mL:10 mg/mL) 体重の 10 μ L/g の量との混合物。
    メモ: 確認して動物の麻酔は 1 本の足を引っ張るか、または準備を開始する前に、尻尾を調整で十分です。
  2. マウスの角膜を綿棒で湿った保つために眼軟膏を適用します。
  3. 頭と肩、バリカンを周りの毛を削除し、市販の脱毛クリームを広げる 3 〜 4 分のこの領域でそれを維持します。
  4. へらで、応用の脱毛を削除、ウェット ワイプ数回水を適用することで残りの部分を拭き取ります。

3. 視覚誘発電位測定

注: 測定プロセス全体の VEP に起こった暗いファラデーケージ (幅 × 奥行 × 高さ: 61 × 61 × 60 cm)。

  1. 脳定位固定装置のフレーム上にマウスの頭をマウントするには、マウスの耳の三半規管に耳バーを配置し、場所に正確に合っていること。
  2. 特注電極ホルダー (図 1 b) にセンサーをマウントし、図 1 の dのように、固定枠にセンサー ホルダーを修正します。
  3. 参照電極位置と前の位置の27の両方を考慮した柔軟な脳波センサーを探します。その後、アレイ電極プランジャー接触曲面の余白に均等にマウスの頭皮非常に慎重に垂直方向にセンサーを下げます。
    注: 低下の距離はプランジャーの長さ調節は、1 mm よりも小さいです。
  4. インピー ダンスが 2 MΩ 100 kΩ から適切な範囲内にあることを確認します。ピンの任意のインピー ダンス値が28の範囲外の場合、電極の位置を変更します。
  5. 写真刺激マウスの目から 20 cm の位置します。
  6. 実験を始める前に暗いビジュアル アダプテーション用暗い檻の中で 10 分間マウスを合わせます。
    1. 実験装置のパラメーターを次のように設定: サンプリング周波数: 500 Hzノッチ フィルター: 60 Hz刺激間間隔: 10 s;閃光時間: 10 ms。フラッシュ刺激の数: 100 試験/主題。
      注: フラッシュ ライトは白色 LED 照明 20 cm の距離が 550 ± 20 %lx を持っています。

4. 誘発応答信号処理手順

  1. Epoching
    1. 連続測定、シリアル ・ データ、セグメントを作成する単一試行誘発前刺激期間 (-300 ms) から後刺激期間 (600 ミリ秒) にフラッシュ刺激発症に基づく各エポックを抽出できます。
      注: 我々 は繰り返し、以上 100 試験各科目のフラッシュ刺激を提供するので、各マウスの 100 の VEP 新紀元の合計はこの手順で抽出されます。脳波 epoching は、特定のタイム ウィンドウを連続的に測定された脳波信号のデータから抽出しプロセスです。
  2. (平均参照) の再参照します。
    1. 時に各チャンネルがポイントし、各チャンネルから平均値を減算し、すべての 14 電極間で脳波信号の平均値を計算します。すべての VEP 新紀元のためには、この手順を繰り返します。
  3. 帯域通過を実行 1 〜 100 からの信号のフィルタ リング Hz 有限インパルス応答 (FIR) フィルターを適用します。
  4. ベースライン補正
    1. 前刺激期間における脳波信号の平均値を計算 (基準期間、-300 ~ 0 ms) 各チャンネルの波形の各ポイントからこの平均を引きます (-300 ~ 600 ms)。これは刺激後の脳波変化の観察を容易にする視覚誘発電位応答の振幅軸を調整します。VEP 新紀元のすべてに対してこの手順を繰り返します。
  5. グランド誘発反応
    1. 平均一つの主題を作成する単一試行 VEP 時代は各チャネルの視覚誘発電位波形を平均しました。すべての科目について各チャネルの視覚誘発電位応答のグランド アンサンブル平均を計算します。

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Representative Results

図 2に示すように 11 のマウスから視覚誘発電位応答のアンサンブル平均を計算しました。この結果は、時間 0 秒で刺激が与えられると後刺激周期 (600 ミリ秒) に前刺激周期 (-300 ms) からこの実験を通して得られる視覚誘発電位応答を示しています。それはしばらくの間だけ信号が変動すること顕著 (300 ms 以下) 信号は後刺激期間中に時間をかけて着実に安定しながら、刺激後。さらに、14 個のチャンネルは、明らかに類似した形態とパターン29VEP の応答に基づいていくつかのグループに分類できます。このメソッドでは、脳波の時間的・空間的資質を尊重してダイナミクスの理解への洞察を提供します。

Figure 1
図 1: マウス脳波センサーの説明、マウスの脳波センサーの使用方法。(a) 16 ピン脳波電極 (b) カスタマイズされた電極ホルダー (c) 16 電極配列ピン マップ;接地電極 (GND) と参照電極 (Ref) は、黒 (d)生体内でマウス脳波測定における脳定位固定装置のフレームに提案されたセンサーとカスタマイズされたホルダーを使用して強調表示されます。この図は、 29 日から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: 代表的な視覚誘発 14 チャンネルから潜在的な実験結果です。グランドは、全 11 科目と後刺激周期 (600 ミリ秒) に前刺激周期 (-300 ms) からすべての試験の視覚誘発脳波を平均しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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Discussion

まず、複雑な手術を最小限にして実用性を優先順位付け、センサーの設計に着目。変形可能な脳波センサーは、16 ピンで構成されています: 14 記録、地面の 1 つの最後の 1 つは電極を参照します。各電極は、電極の接触面に変形を適用されるので、彼らは曲線で柔らかいマウスの頭皮から均一で安定した信号の獲得を促進するプランジャー スプリング バレル構造を持ちます。動物の福祉を考慮した29皮膚電極界面の接触面積を広げることによって、皮膚に適用される圧力を軽減することによってスプリングの力によって発生した痛みを最小限に抑えることを試みた。

全体マルチ チャネル電極から成る個々 のピンは、厚さ、長さ、プランジャーの種類、さまざまな仕様を持っているし、春の強度できます。これらのさまざまなオプションは、対象者の苦しみを和らげるために電極を設計する意図する必要があります。さらに、マップのピン配列と電極数は、実験の目的に応じて変更できます。電極ホルダーとガラス基板は、他の方法論や 3 D 印刷法30,31など、さまざまなデザインが可能です。

一般に、ドライ電極のインピー ダンスは高いインピー ダンスと濡れた電極32,33と比較して低下信号品質の原因を示しています。2 MΩ に 100 kΩ から適切な範囲内のインピー ダンスのチェックを頭皮にも力の下 16 の電極の適切な場所を確認できた: 範囲の人間33 商品ドライ型脳波電極と対等だった.インピー ダンス 296.2 KΩ から 1,522.6 KΩ までの範囲の値 (平均 ± SD: 825.2 ± 443.2 KΩ)。一方、内部スプリングによっておそらく引き起こされる頭皮に機械的な圧力は電極のインピー ダンスを下げ、したがって、これは信号改善34を影響可能性があります。ピンの頭の表面に導電性ゲルを適用することにより、信号品質を高めることが、限られたマウスの頭皮面積のため隣接する端子間の信号の干渉があります。

新設計の脳波センサーの生体内で有用性を証明するために典型的な受動的な脳波パラダイムの一つである潜在的な記録パラダイム VEP が関連のイベントを実施します。任意の導電性湿潤ゲルなしマウスの頭皮上に視覚誘発電位信号を測定した、信号だった同じマウス種27から帽状脳波の前の VEP の結果に匹敵します。視覚誘発電位測定、個々 の部品のうち、固定フレームと電極ホルダーなどは、すべて接地の外から電気的なノイズを最小限に抑えるために不可欠なプロセスです。また、暗いビジュアル アダプテーションとプライマリの感覚適応35,36の誘発実験を開始する前に 10 分間マウスを維持しています。

結論としては、非侵襲的乾燥マルチ チャネル マウス頭皮脳波センサーを用いた視覚誘発電位を提供する反復可能な実験的プロトコルを示す.ここで説明する方法は、非侵襲的、ため、乾式電極を使用している場合、導電性ゲルの準備のための時間を減らすことと同様、任意の追加手術の準備は必要ありません。また、複数の電極を有するセンサーでは、同時に異なる頭皮の分野から脳波を測定することが出来ます。非侵襲的な頭皮脳波センサーの手法に匹敵する、信頼性が高く、効率的な成果と人間研究基礎科学の結果を接続する橋渡し研究分野に貢献するかもしれない。最終的には、これらの重要な特性を持つアプローチは、利便性とユーザーと対象の両方の安全性を提供します。それでも、さらに信号品質を向上させる、他の脳波取得の方法論と信号品質を比較、自由行動マウスにこれらのメソッドを適用するなどの課題があります。さらに、提案手法は、それ以上の可能性体内臨床小動物脳波への応用研究、大規模脳ネットワーク解析、感覚誘発電位記録とを組み合わせて脳刺激または表面の深い電気生理学的記録方式。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

この作品は、GIST の研究所 (GRI) 2017 年に GIST の定める助成金を GIST カリフォルニア工科大学研究連携プロジェクトによる部分で支えられました。また研究助成 (NRF-2016R1A2B4015381) (MEST)、韓国政府と韓国脳研究所科学省、ICT、未来によって資金を供給 KBRI 基礎研究プログラムによって資金を供給された国立研究財団 (NRF) の支え(17-BR-04) を計画します。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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神経科学、問題 131、脳波 (EEG)、ドライ型脳波センサー、非侵襲、マルチ チャネルの脳波センサー、変形可能なセンサー、前臨床研究、実験室マウス、視覚誘発電位 (VEP)、体内マウス脳波記録
誘発電位録画ドライの非侵襲的なマルチ チャネルを使用してマウスの頭皮脳波センサー
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Yeon, C., Kim, D., Kim, K., Chung, E. Visual Evoked Potential Recordings in Mice Using a Dry Non-invasive Multi-channel Scalp EEG Sensor. J. Vis. Exp. (131), e56927, doi:10.3791/56927 (2018).

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