Samtidige Video-EEG-EKG overvåking for å identifisere Neurocardiac dysfunksjon i musen modeller av epilepsi
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å registrere hjerne og hjerte bio signaler i mus med samtidige video, Elektroencefalogram (EEG) og electrocardiography (ECG). Vi beskriver også metoder for å analysere resultatet EEG-ECG opptak beslag, EEG spectral makt, hjertefunksjon og hjertefrekvensen.
Abstract
I epilepsi, kan beslag fremkalle hjerte rytme forstyrrelser som hjertefrekvens endringer, ledning blokker, asystoles og arytmier, som kan potensielt øke risikoen for plutselige og uventede død i epilepsi (SUDEP). Elektroencefalogram (EEG) og electrocardiography (ECG) er brukte klinisk diagnostiske verktøy å dataskjerm for unormal hjerne og hjerte rytmer i pasienter. Her beskrives en teknikk for å samtidig spille inn video, EEG og ECG i mus å måle atferd, hjerne og hjerte aktiviteter, henholdsvis. Teknikken beskrevet her benytter bundet (dvs., kablet) opptak konfigurasjon som implantert elektroden på hodet av musen er hard-telegrafert til opptaksutstyr. Sammenlignet med trådløs telemetri opptak systemer, har bundet ordningen flere tekniske fordeler som et større mulig antall kanaler for EEG eller andre biopotentials; lavere elektrode kostnader; og større frekvens båndbredde (dvs., samplingsfrekvens) av opptak. Grunnleggende av denne teknikken kan også enkelt endres til opptak andre biosignals, for eksempel Elektromyografi (EMG) eller plethysmography for vurdering av muskler og luftveiene aktivitet, henholdsvis. I tillegg beskriver hvordan du utfører EEG-ECG opptakene, detalj vi også metoder for å kvantifisere Resultatdataene for beslag, EEG spectral makt, hjertefunksjon og hjertefrekvens, som vi viser i et eksempel eksperiment med en mus epilepsi på grunn av Kcna1 genet sletting. Video-EEG-ECG overvåking i musen modeller av epilepsi eller andre nevrologiske sykdommer gir et kraftig verktøy for å identifisere dysfunksjon nivået av hjernen, hjertet, eller hjerne-hjertet interaksjoner.
Introduction
Elektroencefalogram (EEG) og electrocardiography (ECG) er kraftig og brukte teknikker for å vurdere i vivo hjernen og hjertefunksjon, henholdsvis. EEG er innspillingen av elektriske hjerneaktiviteten ved å feste elektroder til hodebunnen1. Signalet med ikke-invasiv EEG representerer spenningsvariasjoner fremkommer fra summert eksitatoriske og inhibitory postsynaptic potensialer generert av kortikale pyramidale nevroner1,2. EEG er den vanligste neurodiagnostic testen for evaluering og behandling av pasienter med epilepsi3,4. Det er spesielt nyttig når epileptiske anfall skje uten åpenbare convulsive opptreden manifestasjoner, for eksempel fravær anfall eller ikke-convulsive status epilepticus5,6. Derimot relaterte ikke-epilepsi forhold som fører til convulsive episoder eller tap av bevissthet kan være feildiagnostisert som epileptiske anfall uten EEG video-overvåking7. I tillegg til sin nytteverdi i feltet av epilepsi, er EEG også mye brukt til å oppdage unormal hjerneaktivitet knyttet til søvnforstyrrelser, encephalopathies og hukommelse lidelser, samt å supplere narkose under operasjoner2 , 8 , 9.
I motsetning til EEG, ECG (eller EKG som det er noen ganger forkortet) er innspillingen av den elektriske aktiviteten av hjertet10. EKG er vanligvis utført ved å feste elektroder til lem armer og brystveggen, som den spenning endringene generert av myokard under hvert hjerte syklus av sammentrekning og avslapping10,11, oppdages. De viktigste ECG bølgeform komponentene i en normal cardiac syklus er P-kurvens, QRS-komplekset og T-bølge, som tilsvarer atrial depolarization ventrikulær depolarization og ventrikkel repolarisasjon, henholdsvis10, 11. rutinemessig ECG overvåking brukes til å identifisere hjertearytmi og mangler av cardiac ledning systemet12. Blant epilepsi pasienter forsterkes viktigheten av å bruke ECG for å identifisere potensielt livstruende arytmi siden de er betydelig økt risiko for plutselig hjertestans, samt plutselig uventede død i epilepsi13, 14,15.
I tillegg til deres kliniske applikasjoner har EEG og EKG-opptak blitt et uunnværlig verktøy for å identifisere hjerne og hjerte dysfunksjon i musen modeller av sykdom. Selv om tradisjonelt disse innspillingene har vært utført separat, beskriver her vi en teknikk for å spille inn video og EEG ECG samtidig i mus. Samtidige video-EEG-ECG metoden finnesher benytter en bundet opptak konfigurasjon der implantert elektroden på hodet av musen er hard-telegrafert til opptaksutstyr. Historisk har dette bundet, eller kablet, konfigurasjonen er standard og mest omfattende brukte metoden for EEG innspillinger i mus; men trådløse EEG telemetrisystem har også blitt utviklet nylig og er stadig i popularitet16.
Sammenlignet med trådløse EEG systemer, har bundet ordningen flere tekniske fordeler som kan gjøre det å foretrekke avhengig av ønsket program. Disse fordeler inkluderer et større antall kanaler for EEG eller andre biopotentials; lavere elektrode kostnader; elektroden disposability; mindre mottakelighet for signal tap; og større frekvens båndbredde (dvs., samplingsfrekvens) innspillinger17. Gjort riktig, bundet opptak metoden beskrevet her er dugelig av skaffer høy kvalitet gjenstand-fri EEG og ECG data samtidig, sammen med tilhørende video for atferdsdata overvåking. EEG og EKG-dataene kan deretter minelagt for å identifisere nevrale, hjertesvikt, eller neurocardiac avvik som beslag, endringer i EEG makt spektrum, hjerte ledning blokker (dvs., hoppet hjerte slår), og endringer i hjertefrekvensen. For å demonstrere anvendelsen av disse EEG-ECG kvantitative metoder, presenterer vi et eksempel eksperiment med en Kcna1 knockout (- / -) musen. Kcna1 – / – mus mangler spenning-gated Kv1.1 α-underenheter og som en konsekvens utstillingen spontan beslag, hjerte dysfunksjon og tidlig død, gjør dem en ideell modell for samtidige EEG-ECG evaluering av skadelige epilepsi-assosiert neurocardiac dysfunksjon.
Protocol
Representative Results
Discussion
For å oppnå høy kvalitet EEG-ECG opptak uten artefakter, bør alle forholdsregler tas hindre nedbrytning eller løsner implantert elektroden og ledninger. Som en EEG hodet protesen blir løs, vil wire kontaktene med hjernen forringe fører til redusert signal amplituder. Løs implantater eller dårlig wire kontakter kan også forårsake forvrengning av elektriske signaler, introduserer bevegelse gjenstander og bakgrunnsstøyen til opptakene. For å hindre potensielle løsner hodet implantatet, bruke en sjenerøs mengd…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av borgere United for forskning i epilepsi (bevilgning nummer 35489); National Institutes of Health (gi tall R01NS100954, R01NS099188); og Louisiana State University Health Sciences Center Malcolm Feist doc..
Materials
| VistaVision stereozoom dissecting microscope | VWR | ||
| Dolan-Jenner MI-150 microscopy illuminator, with ring light | VWR | MI-150RL | |
| CS Series scale | Ohaus | CS200 | for weighing animal |
| T/Pump professional | Stryker | recirculating water heat pad system | |
| Ideal Micro Drill | Roboz Surgical Instruments | RS-6300 | |
| Ideal Micro Drill Burr Set | Cell Point Scientific | 60-1000 | only need the 0.8-mm size |
| electric trimmer | Wahl | 9962 | mini clipper |
| tabletop vise | Eclipse Tools | PD-372 | PD-372 Mini-tabletop suction vise |
| fine scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | ToughCut, Straight, Sharp/Sharp, 11.5 cm |
| Crile-Wood needle holder | Fine Science Tools | 12003-15 | Straight, Serrated, 15 cm, with lock – For applying wound clips |
| Dumont #7 forceps | Fine Science Tools | 11297-00 | Standard Tips, Curved, Dumostar, 11.5 cm |
| Adson forceps | Fine Science Tools | 11006-12 | Serrated, Straight, 12 cm |
| Olsen-Hegar needle holder with suture cutter | Fine Science Tools | 12002-12 | Straight, Serrated, 12 cm, with lock |
| scalpel handle #3 | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| surgical blades #15 | Havel's | FHS15 | |
| 6-0 surgical suture | Unify | S-N618R13 | non-absorbable, monofilament, black |
| gauze sponges | Coviden | 2346 | 12 ply, 7.6 cm x 7.6 cm |
| cotton-tipped swabs | Constix | SC-9 | 15.2-cm total length |
| super glue | Loctite | LOC1364076 | gel control |
| Michel wound clips, 7.5mm | Kent Scientific | INS700750 | |
| polycarboxylate dental cement kit | Prime-dent | 010-036 | Type 1 fine grain |
| tuberculin syringe | BD | 309623 | |
| polyethylene tubing | Intramedic | 427431 | PE160, 1.143 mm (ID) x 1.575 mm (OD) |
| chlorhexidine | Sigma-Aldrich | C9394 | |
| ethanol | Sigma-Aldrich | E7023-500ML | |
| Puralube vet ointment | Dechra Veterinary Products | opthalamic eye ointment | |
| mouse anesthetic cocktail | Ketamine (80 mg/kg), Xylazine (10 mg/kg), and Acepromazine (1 mg/kg) | ||
| carprofen | Rimadyl (trade name) | ||
| HydroGel | ClearH20 | 70-01-5022 | hydrating gel; 56-g cups |
| Ponemah software | Data Sciences International | data acquisition and analysis software; version 5.2 or greater with Electrocardiogram Module | |
| 7700 Digital Signal conditioner | Data Sciences International | ||
| 12 Channel Isolated Bio-potential Pod | Data Sciences International | ||
| fish tank | Topfin | for use as recording chamber; 20.8 gallon aquarium; 40.8 cm (L) X 21.3 cm (W) X 25.5 cm (H) | |
| Digital Communication Module (DCOM) | Data Sciences International | 13-7715-70 | |
| 12 Channel Isolated Bio-potential Pod | Data Sciences International | 12-7770-BIO12 | |
| serial link cable | Data Sciences International | J03557-20 | connects DCOM to bio-potential pod |
| Acquisition Interface (ACQ-7700USB) | Data Sciences International | PNM-P3P-7002 | |
| network video camera | Axis Communications | P1343, day/night capability | |
| 8-Port Gigabit Smart Switch | Cisco | SG200-08 | 8-port gigabit ethernet swith with 4 power over ethernet supported ports (Cisco Small Business 200 Series) |
| 10-pin male nanoconnector with guide post hole | Omnetics | NPS-10-WD-30.0-C-G | electrode for implantation on the mouse head |
| 10-socket female nanoconnector with guide post | Omnetics | NSS-10-WD-2.0-C-G | connector for electrode implant |
| 1.5-mm female touchproof connector cables | PlasticsOne | 441 | 1 signal, gold-plated; for connecting the wiring from the head-mount implant to the bio-potential pod |
| soldering iron | Weller | WESD51 BUNDLE | digital soldering station |
| solder | Bernzomatic | 327797 | lead free, silver bearing, acid flux core solder |
| heat shrink tubing | URBEST | collection of tubing with 1.5- to 10-mm internal diameters | |
| heat gun | Dewalt | D26960 | |
| mounting tape (double-sided) | 3M Scotch | MMM114 | 114/DC Heavy Duty Mounting Tape, 2.54 cm x 1.27 m |
| desktop computer | Dell | recommended minimum requirements: 3rd Gen Intel Core i7-3770 processor with HD4000 graphics; 4 GB RAM, 1 GB AMD Radeon HD 7570 video card; 1 TB hard drive; Windows 7 OS | |
| permanent marker | Sharpie | 37001 | black color, ultra fine point |
| toothpicks | for mixing and applying the polycarboxylate dental cement | ||
| LabChart Pro software | ADInstruments | power spectrum software; version 8.1.3 or greater | |
| Kubios HRV software | Univ. of Eastern Finland | HRV analysis software; version 2.2 | |
| Notepad | Microsoft | simple text editor software |
References
- Fisch, B. J. . Fisch and Spehlmann’s EEG Primer. , (1999).
- Constant, I., Sabourdin, N. The EEG signal: a window on the cortical brain activity. Paediatr. Anaesth. 22 (6), 539-552 (2012).
- Mendez, O. E., Brenner, R. P. Increasing the yield of EEG. J. Clin. Neurophysiol. 23 (4), 282-293 (2006).
- Smith, S. J. M. EEG in the diagnosis, classification, and management of patients with epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 76, ii2-ii7 (2005).
- Bauer, G., Trinka, E. Nonconvulsive status epilepticus and coma. Epilepsia. 51 (2), 177-190 (2010).
- Hughes, J. R. Absence seizures: a review of recent reports with new concepts. Epilepsy Behav. 15 (4), 404-412 (2009).
- Mostacci, B., Bisulli, F., Alvisi, L., Licchetta, L., Baruzzi, A., Tinuper, P. Ictal characteristics of psychogenic nonepileptic seizures: what we have learned from video/EEG recordings–a literature review. Epilepsy Behav. 22 (2), 144-153 (2011).
- Smith, S. J. M. EEG in neurological conditions other than epilepsy: when does it help, what does it add?. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 76, ii8-ii12 (2005).
- Kennett, R. Modern electroencephalography. J. Neurol. 259 (4), 783-789 (2012).
- Thaler, M. S. . The Only EKG Book You’ll Ever Need. , (2012).
- Becker, D. E. Fundamentals of electrocardiography interpretation. Anesth. Prog. 53 (2), 53-63 (2006).
- Luz, E. J. S., Schwartz, W. R., Cámara-Chávez, G., Menotti, D. ECG-based heartbeat classification for arrhythmia detection: A survey. Comput. Methods Programs Biomed. 127, 144-164 (2016).
- Bardai, A., et al. Epilepsy is a risk factor for sudden cardiac arrest in the general population. PloS One. 7 (8), e42749 (2012).
- Lamberts, R. J., et al. Increased prevalence of ECG markers for sudden cardiac arrest in refractory epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 86 (3), 309-313 (2015).
- Thurman, D. J., Hesdorffer, D. C., French, J. A. Sudden unexpected death in epilepsy: assessing the public health burden. Epilepsia. 55 (10), 1479-1485 (2014).
- Zayachkivsky, A., Lehmkuhle, M. J., Dudek, F. E. Long-term Continuous EEG Monitoring in Small Rodent Models of Human Disease Using the Epoch Wireless Transmitter System. J. Vis. Exp. (101), e52554 (2015).
- Bertram, E. H. Monitoring for Seizures in Rodents. Models of Seizures and Epilepsy. , 97-109 (2017).
- Mishra, V., et al. Scn2a deletion improves survival and brain-heart dynamics in the Kcna1-null mouse model of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Hum. Mol. Genet. 26 (11), 2091-2103 (2017).
- Thireau, J., Zhang, B. L., Poisson, D., Babuty, D. Heart rate variability in mice: a theoretical and practical guide. Exp. Physiol. 93 (1), 83-94 (2008).
- Smart, S. L., et al. Deletion of the K(V)1.1 potassium channel causes epilepsy in mice. Neuron. 20 (4), 809-819 (1998).
- Glasscock, E., Yoo, J. W., Chen, T. T., Klassen, T. L., Noebels, J. L. Kv1.1 potassium channel deficiency reveals brain-driven cardiac dysfunction as a candidate mechanism for sudden unexplained death in epilepsy. J. Neurosci. 30 (15), 5167-5175 (2010).
- Moore, B. M., Jerry Jou, ., Tatalovic, C., Kaufman, M., S, E., Kline, D. D., Kunze, D. L. The Kv1.1 null mouse, a model of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Epilepsia. 55 (11), 1808-1816 (2014).
- Ryvlin, P., et al. Incidence and mechanisms of cardiorespiratory arrests in epilepsy monitoring units (MORTEMUS): a retrospective study. Lancet Neurol. 12 (10), 966-977 (2013).
- Stables, C. L., Auerbach, D. S., Whitesall, S. E., D’Alecy, L. G., Feldman, E. L. Differential impact of type-1 and type-2 diabetes on control of heart rate in mice. Auton. Neurosci. 194, 17-25 (2016).
- Gehrmann, J., Hammer, P. E., Maguire, C. T., Wakimoto, H., Triedman, J. K., Berul, C. I. Phenotypic screening for heart rate variability in the mouse. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 279 (2), H733-H740 (2000).
- Goldman, A. M., Glasscock, E., Yoo, J., Chen, T. T., Klassen, T. L., Noebels, J. L. Arrhythmia in heart and brain: KCNQ1 mutations link epilepsy and sudden unexplained death. Sci. Transl. Med. 1 (2), 2ra6 (2009).
