Video-EEG-ECG simultánea de monitoreo para identificar la disfunción neurocardiaco en modelos de ratón de la epilepsia
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para registrar el cerebro y corazón bio señales en ratones usando video simultáneo, electroencefalografía (EEG) y electrocardiografía (ECG). También se describen métodos para analizar las grabaciones de EEG ECG resultantes para convulsiones, energía espectral del EEG, la función cardiaca y variabilidad del ritmo cardíaco.
Abstract
En la epilepsia, las convulsiones pueden evocar alteraciones del ritmo cardíaco tales como cambios de la frecuencia cardíaca, bloqueos de la conducción, Asistolias y arritmias, que pueden potencialmente aumentar el riesgo de muerte súbita inesperada en epilepsia (SUDEP). Electroencefalografía (EEG) y la electrocardiografía (ECG) son herramientas de diagnóstico clínicas ampliamente utilizados para monitorizar anormal del cerebro y ritmos cardiacos en los pacientes. Aquí, se describe una técnica para grabar simultáneamente video, EEG y ECG en ratones para medir comportamiento, el cerebro y las actividades cardiacas, respectivamente. La técnica descrita en este documento utiliza un tethered (es decir, atado con alambre) configuración de grabación en la que el electrodo implantado en la cabeza del ratón es hard-wired en el equipo de grabación. En comparación con telemetría inalámbrica, sistemas de grabación, el arreglo tethered posee varias ventajas técnicas tales como un mayor número posible de canales para el registro de EEG u otros biopotentials; costos de electrodo; y mayor frecuencia ancho de banda (es decir, frecuencia de muestreo) de grabaciones. Los fundamentos de esta técnica pueden modificarse fácilmente para dar cabida a grabar otras Bioseñales, tales como la electromiografía (EMG) o pletismografía para evaluación de muscular y actividad respiratoria, respectivamente. Además de describir cómo realizar las grabaciones de EEG ECG, también se detallan métodos para cuantificar los datos resultantes de las convulsiones EEG potencia espectral, función cardiaca y variabilidad del ritmo cardíaco, que demostró en un experimento de ejemplo utiliza un ratón con epilepsia debido a la canceladura del gene Kcna1 . Video-EEG-ECG monitorización en modelos de ratón de epilepsia u otra enfermedad neurológica proporciona una poderosa herramienta para identificar la disfunción a nivel del cerebro, corazón o interacciones cerebro-corazón.
Introduction
Electroencefalografía (EEG) y la electrocardiografía (ECG) son técnicas de gran alcance y ampliamente utilizados para la evaluación en vivo de cerebro y función cardiaca, respectivamente. EEG es el registro de la actividad eléctrica cerebral colocando electrodos en el cuero cabelludo1. La señal grabada con el EEG no invasivo representa fluctuaciones de tensión derivados sumaron inhibitorios y excitatorios potenciales postsinápticos generados principalmente por las neuronas piramidales corticales1,2. EEG es la prueba más común de neurodiagnostic para evaluar y manejar a pacientes con epilepsia3,4. Es especialmente útil cuando las crisis epilépticas se presentan sin manifestaciones de comportamiento convulsivas evidente, como las crisis de ausencia o estatus no convulsivo epiléptico5,6. Por el contrario, epilepsia no relacionada con las condiciones que conducen a episodios convulsivos o pérdida de la conciencia se pueden diagnosticar como crisis epilépticas sin monitorización vídeo-EEG7. Además de su utilidad en el campo de la epilepsia, EEG es también ampliamente utilizado para detectar actividad anormal del cerebro asociada con trastornos del sueño, encefalopatías y trastornos de la memoria, así como para complementar la anestesia general durante cirugía2 , 8 , 9.
En contraste con EEG, ECG (o EKG ya que a veces es abreviado) es el registro de la actividad eléctrica del corazón10. ECG se realiza colocando electrodos en las extremidades extremidades y pared torácica, que permite la detección de los cambios de voltaje generados por el miocardio durante cada ciclo cardiaco de contracción y relajación10,11. Los componentes primarios de la forma de onda del ECG de un ciclo cardiaco normal incluyen la onda P, complejo QRS y la onda T, que corresponden a la despolarización auricular, ventricular despolarización y repolarización ventricular, respectivamente10, 11. supervisión de ECG se utiliza rutinariamente para identificar arritmias cardiacas y defectos de la conducción cardiaca sistema12. Entre los pacientes con epilepsia, se amplifica la importancia de la utilización de ECG para identificar arritmias potencialmente peligrosas para la vida puesto que están en riesgo significativamente mayor de paro cardíaco repentino, así como muerte súbita inesperada en epilepsia13, 14,15.
Además de sus aplicaciones clínicas, grabaciones de EEG y de ECG se han convertido en una herramienta indispensable para la identificación de la disfunción cerebral y corazón en modelos de ratón de la enfermedad. Aunque tradicionalmente estas grabaciones se han realizado por separado, aquí describimos una técnica para grabar video, EEG y ECG simultáneamente en ratones. El método simultáneo de vídeo-EEG-ECG detallado aquí utiliza una configuración de grabación anclado en la cual el electrodo implantado en la cabeza del ratón es hard-wired en el equipo de grabación. Históricamente, esta atado, o cableado, configuración ha sido la norma y más utilizado método para las grabaciones de EEG en ratones; sin embargo, sistemas inalámbricos de telemetría EEG también se han desarrollado recientemente y están ganando en popularidad16.
En comparación con sistemas inalámbricos de EEG, el arreglo tethered posee varias ventajas técnicas que hagan preferible según la aplicación deseada. Estas ventajas incluyen un mayor número de canales para el registro de EEG u otros biopotentials; costos de electrodo; disponibilidad de electrodo; menos susceptibilidad a la señal de la pérdida; y mayor ancho de banda de frecuencia (es decir., frecuencia de muestreo) de grabaciones17. Esto se hace correctamente, el método de grabación anclado aquí descrito es capaz de proporcionar alta calidad, libre de artefactos EEG y ECG datos simultáneamente, junto con el video correspondiente para el monitoreo conductual. Estos datos de EEG y de ECG entonces pueden ser minados para identificar neuronal, cardiaca, o neurocardiaco anormalidades tales como convulsiones, cambios en el EEG de potencia espectro, bloqueos de la conducción cardiaca (es decir., saltarse latidos del corazón) y los cambios en variabilidad del ritmo cardíaco. Para demostrar la aplicación de estos métodos cuantitativos del EEG ECG, presentamos un experimento de ejemplo usando un nocaut Kcna1 (- / -) ratón. Kcna1 ratones – / – falta voltaje Kv1.1 α-subunidades y como consecuencia presentan convulsiones espontáneas, disfunción cardiaca y muerte prematura, haciendo que un modelo ideal para la evaluación de EEG ECG simultánea de deletéreos asociados a epilepsia disfunción neurocardiaco.
Protocol
Representative Results
Discussion
Para obtener grabaciones de EEG ECG de alta calidad que están libres de artefactos, deben ser tomado todas las precauciones para evitar la degradación o aflojamiento de los cables y electrodos implantados. Como un implante cabeza de EEG se hace flojo, los contactos de cable con el cerebro degradan conduce a amplitudes de señal disminuida. Implantes sueltos o contactos de alambre pobre también pueden causar distorsión de las señales eléctricas, introduciendo los artefactos de movimiento y ruido de fondo a las graba…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por los ciudadanos Unidos para la investigación en epilepsia (número 35489); los institutos nacionales de salud (concesión números R01NS100954, R01NS099188); y una Beca Postdoctoral de Malcolm Feist centro del Ciencias de la salud de la Universidad Estatal de Louisiana.
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
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