Knaagdier gedrags testen om te beoordelen van functionele tekorten veroorzaakt door micro-elektrode inplanting in de motorschors Rat

Summary

We hebben aangetoond dat de innesteling van een micro-elektrode in de motorschors van ratten onmiddellijke en duurzame motor tekorten veroorzaakt. De methoden voorgesteld hierin overzicht een micro-elektrode implantatie chirurgie en drie knaagdier gedrags taken ophelderen van eventuele veranderingen in de fijne of grove motorische functie als gevolg van de implantatie-veroorzaakt schade aan de motorische cortex.

Abstract

Medische hulpmiddelen geïmplanteerd in de hersenen houd enorm potentieel. Als onderdeel van een systeem van de hersenen-Machine Interface (BMI) tonen intracortical microelectrodes de mogelijkheid tot het opnemen van de actie potentieel van individuele of kleine groepen van neuronen. Dergelijke opgenomen signalen zijn met succes gebruikt om patiënten aan interface met toestaan of controle van computers, robotic ledematen en hun eigen ledematen. Vorige dierlijke studies hebben echter aangetoond dat de implantatie van een micro-elektrode in de hersenen niet alleen schadevergoeding het omliggende weefsel, maar ook leiden functionele tekorten tot kan. Hier bespreken we een reeks gedrags tests te kwantificeren van potentiële motor waardeverminderingen na de implantatie van intracortical microelectrodes in de motorschors van een rat. De methoden voor open veldraster, ladder kruising en testen van de sterkte van de grip bieden waardevolle informatie met betrekking tot de mogelijke complicaties als gevolg van de implantatie van een micro-elektrode. De resultaten van de gedragsmatige tests zijn gecorreleerd met eindpunt histologie, met extra informatie over de pathologische uitkomsten en effecten van deze procedure op de aangrenzende weefsel.

Introduction

Intracortical microelectrodes werden oorspronkelijk gebruikt om de kaart van het circuit van de hersenen, en zijn uitgegroeid tot een waardevol instrument om de opsporing van motor bedoelingen die kan worden gebruikt voor de productie van functionele uitgangen¹. Gedetecteerde functionele uitgangen bieden particulieren lijden van ruggenmerg letsel, cerebrale parese, Amyotrofische laterale sclerose (ALS) of andere voorwaarden van beperking van het verkeer de controle van een computer cursor^2,3 of Robotica arm van de^4,5,6, of functie herstellen naar hun eigen handicap ledemaat⁷. Daarom, intracortical micro-elektrode technologie heeft ontpopt als een veelbelovende en snel groeiende veld⁸.

Vanwege de successen gezien in het veld, lopen klinische studies beter inzicht in de mogelijkheden van BMI technologie^5,9,10te verbeteren. Door het realiseren van het volledige potentieel van communicatie met neuronen in de hersenen, worden de rehabilitatie toepassingen waargenomen als onbegrensde⁸. Hoewel er groot optimisme voor de toekomst van intracortical micro-elektrode technologie, is het ook bekend dat de microelectrodes¹¹, mogelijk als gevolg van een acute neuroinflammatoire reactie na implantatie uiteindelijk mislukken. Het implanteren van een vreemd materiaal in de hersenen resulteert in onmiddellijke schade aan het omliggende weefsel en leidt tot verdere schade veroorzaakt door het neuroinflammatoire-antwoord dat hangt af van de eigenschappen van de implantaat¹². Bovendien, een implantaat in de hersenen veroorzaken een microlesion effect: een afname van de glucose metabolisme gedacht te worden veroorzaakt door acute oedeem en bloeding als gevolg van het apparaat invoeging¹³. Bovendien, de signaalkwaliteit en de lengte van tijd dat bruikbare signalen kunnen worden opgenomen zijn inconsistent, ongeacht de diermodel^11,14,15,16. Verschillende studies hebben aangetoond dat de verbinding tussen neuroinflammation en micro-elektrode prestaties^17,18,19. Daarom wordt in de consensus van de Gemeenschap is dat de ontstekingsreactie van het zenuwweefsel rondom de microelectrodes, ten minste gedeeltelijk, in het gedrang elektrode betrouwbaarheid brengt.

Vele studies hebben lokale ontsteking^11,20,21,22 onderzocht of onderzocht methoden ter vermindering van de schade aan de hersenen veroorzaakt door invoeging^{11,23, 24,25}, met een doelstelling van het verbeteren van de prestaties van de opname over tijd^14,26. Bovendien hebben we onlangs aangetoond dat een iatrogene schade veroorzaakt door een micro-elektrode inbrengen in de motorschors van ratten een onmiddellijke en blijvende fijne motor tekort^{27 veroorzaakt}. Dus, het doel van de protocollen die hier gepresenteerd is dat onderzoekers een kwantitatieve methode voor de beoordeling van mogelijke motor tekorten als gevolg van hersentrauma na de innesteling en de blijvende aanwezigheid van intracortical apparaten (microelectrodes in de geval van dit manuscript). De hier beschreven gedrag-proeven werden ontworpen om pesten uit beide waardeverminderingen bruto en fijne motor functie, en kunnen worden gebruikt in vele modellen van hersenletsel. Deze methoden zijn eenvoudig, reproduceerbaar en eenvoudig kunnen worden geïmplementeerd in een knaagdier model. Verder, de hier gepresenteerde methoden toestaan voor een correlatie van motor gedrag tot histologische resultaten, een voordeel dat tot onlangs, de auteurs niet heb gepubliceerd op het gebied van de BMI. Tot slot, aangezien deze methoden werden ontworpen om te testen, prima motor functie²⁸, grove motorische functie²⁹en stress en angst gedrag^29,30, de hier gepresenteerde methoden kunnen ook worden geïmplementeerd in een verscheidenheid van hoofdletsel modellen waar de onderzoekers willen uit (of in) een motor functie tekorten.

Protocol

Alle procedures en praktijken van de verzorging van de dieren werden goedgekeurd door en uitgevoerd overeenkomstig de Louis Stokes Cleveland afdeling veteranen zaken Medical Center institutionele Animal Care en gebruik commissies. Opmerking: Om te voeden onderzoekers op de beslissing over het gebruik van een steek letsel model als een besturingselement, is het aanbevolen om te beoordelen van het werk van Potter et al. 21. 1. micro-elek…

Representative Results

Met behulp van de methoden die hier gepresenteerd is een micro-elektrode implantatie chirurgie in de motorschors voltooide volgende vastgestelde procedures39,40,41,42, gevolgd door open raster veldproeven om te kunnen beoordelen van de bruto motor functie en de ladder en de grip functioneren sterkte testen om te beoordelen van de fijne motor27<…

Discussion

Het protocol hier geschetst is gebruikt voor het effectief en reproducibly meten van zowel grove als fijne motor tekort in een model van knaagdier hersenletsel. Bovendien, staat het voor de correlatie van fijne motor gedrag tot histologische resultaten na de implantatie van een micro-elektrode in de motorschors. De methoden zijn makkelijk te volgen, goedkoop kunnen worden ingesteld en kunnen worden aangepast voor de individuele behoeften van de onderzoeker. Verder, het testen van gedrag veroorzaakt geen grote stress of p…

Materials

Sprague Dawley rats, male, 201-225g	Charles River	CD
Compac5 anesthesia system	Vetequip	901812
Electric trimmers	Wahl	9918-6171
Stereotaxic frame	David Kopf Instruments	1760
Gaymar heated water pad and pump	Braintree Scientific Inc	TP-700
Vetbond tissue adhesive	3M	07-805-5031
Dental drill	Pearson Dental	O60-0045
Dura pick	Fine Science Tools	10064-14
Silicon shank microelectrode	Made in-house at Cleveland VA Medical Center	N/A
KwikCast silicone elastomer	World Precision Instruments	KWIK-CAST
Teets dental cement	A-M Systems	525000
Webcam HD Pro c920	Logitec	960-000764
Grip strength meter	Harvard Apparatus	565084
Minitab 17 statistical software	Minitab Inc
Open field grid test	Made in-house at Case Western Reserve University	N/A
Ladder test	Made in-house at Case Western Reserve University	N/A
Rabbit anti rat IgG antibody	Bio-Rad	618501