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Bio-ingénierie

ラット皮質運動野の微小電極注入による機能的障害を評価するためにテスト行動の齧歯動物

Published: August 18, 2018
doi:
10.3791/57829
, , , , , ,
1Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development,Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering,Case Western Reserve University

Summary

我々 はラットの運動皮質の微小電極注入が即時かつ持続的な運動障害を引き起こすことを示しています。方法が提案電極注入手術と罰金または総モーター機能の運動野への注入による損傷のための潜在的な変化を明らかにする 3 つの齧歯動物行動タスク概要本。

Abstract

脳に移植医療機器は、大きな可能性を保持します。脳機械インターフェース (BMI) システムの一環として、皮質内微小電極は個人や小グループのニューロンの活動電位を記録する機能を示しています。そのような記録された信号は、患者とのインタ フェースを可能にするまたはコンピューター ロボット手足の手足を制御する正常に使用されています。ただし、以前の動物研究では、脳内電極注入だけでなく周囲の組織を損傷、障害にもつながるを示しています。ここでは、一連の次の皮質内微小電極の注入ラットの大脳皮質に潜在的な運動障害を定量化する行動テストをについて説明します。オープン フィールド グリッド、はしご交差グリップ強度テストのメソッドでは、電極の注入から生じる潜在的な合併症に関する貴重な情報を提供します。行動実験の結果は、エンドポイントの組織学、病理学的成果と隣接する組織にこの手順の影響に関する追加情報を提供するのに関連付けられます。

Introduction

皮質内微小電極は、脳の回路をマップし、機能出力1を生成する使用ことができるモーターの意図の検出を有効にするための貴重なツールに発展したに使用されていた。検出された機能の出力がコンピューターのカーソル2,3やロボット制御脊髄損傷、脳性麻痺、筋萎縮性側索硬化症 (ALS)、または他の動きが制限された条件で苦しんでいる個人を提供できます。腕を4,5,6、または自分の障害のある上肢7に機能を復元します。したがって、皮質内微小電極技術は有望なフィールド8急速に浮上しました。

中での成功のため臨床研究は改善し、BMI 技術5,9,10の可能性を理解する進行中が。脳のニューロンとの通信の完全な可能性を実現することで、再生アプリケーションは無限8として認識されます。皮質内微小電極技術の将来の偉大な楽観が、またよく知られている電極が11、次の注入急性アミロイド応答に起因を最終的に失敗することです。脳における異物の注入は、周囲の組織への直接的被害の結果し、インプラント12のプロパティに応じて異なりますアミロイドの応答によって引き起こされるそれ以上の損傷に 。さらに、頭脳のインプラントは、microlesion 効果を引き起こす可能性が: グルコース代謝の減少は急性肺水腫とデバイス挿入13による出血によって引き起こされると考えられています。さらに、信号品質と有用な信号を記録できる時間の長さに関係なく、動物モデル11,14,,1516一貫性がないです。いくつかの研究は、neuroinflammation と電極性能17,18,19の間の接続を示しています。したがって、社会のコンセンサスが、電極を囲む神経組織の炎症反応が少なくとも部分的に、電極の信頼性を妥協します。

多くの研究が, 局所炎症11,20,21,22または挿入11,23,による脳へのダメージを軽減する方法を模索24,25日時間14,26記録の性能改善を目標とします。さらに、ラットの運動皮質の微小電極挿入による医原性損傷が即時および不変の微細運動障害27を引き起こすことを最近示しました。したがって、ここに示すプロトコルの目的は移植と皮質内のデバイスの永続的な存在の脳外傷の結果として可能な限りの運動障害を評価するために定量化の研究を与える、(の電極、この原稿の場合)。ここで説明した動作テストは両方の総体および良いモーター機能障害を引き出すように設計された、脳損傷の多くのモデルで使用することができます。これらのメソッドは、簡単で、再現し、齧歯動物モデルで簡単に実装することができます。さらに、紹介した方法、組織成果にモータ挙動の相関まで最近、著者を見ていない利点が bmi 値フィールドに公開できます。最後に、これらのメソッドは、微細運動機能28、29総運動機能とストレスや不安行動29,30をテストする設計されていた、ここに提示されたメソッドも実装できますに、様々 な研究者がアウト (または) を支配する頭部外傷モデル運動機能欠損。

Protocol

すべてのプロシージャと動物ケアの実践された承認、ルイ ストークス クリーブランド部のベテラン事務センター機関動物医療および使用委員会に従って実行されます。 メモ: コントロールとして刺す傷害モデルの使用に関する決定についての研究者を教育するには、勧め陶工らによって行われた作業を確認するには21。 1. 電?…

Representative Results

ここで紹介する方法を使って、運動皮質の微小電極注入手術は完了次確立された手順39,40,41,42, オープン フィールド グリッド テストが続く総運動機能とはしごとグリップを評価する良いモーターを評価するテストの強さは27を機能します。運動機能テス?…

Discussion

ここで説明されているプロトコルは、齧歯動物の脳損傷モデルにおける罰金と粗大運動障害を効果的に再現性をもって測定に使用されています。さらに、運動皮質の微小電極注入の組織学的転帰に細かい運動行動の相関が可能です。メソッドは、従うことは簡単、安価で、設定して、研究者の個々 のニーズに合わせて変更することができます。さらに、動作テストを発生させない大きなスト…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

本研究は科学者およびエンジニア (PECASE、Capadona) から、アメリカ合衆国 (米国) 退役軍人庁リハビリテーション研究部のレビュー賞 #B1495-R (Capadona) と大統領早いキャリア賞によって一部に支持されたと開発サービス。さらに、この作品は、ピア レビュー医療研究プログラムを通じて賞号下健康担当アシスタント長官の防衛のオフィスによって部分で支えられましたW81XWH-15-1-0608。内容は、米国退役軍人局やアメリカ合衆国政府の見解を表していません。著者らは、設計および齧歯動物の行動プロトコルをテストに彼の指導のため CWRU 齧歯動物の動作コアの荒川博之を感謝したいです。著者も感謝したいジェームズ ・ ドレイクとケビン タルボット CWRU 機械科・航空宇宙工学から設計および製造齧歯動物のラダーのテストで彼らの助けのため。

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
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References

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Keywords: RodentBehavioral TestingFunctional DeficitsMicroelectrode ImplantationRat Motor CortexNeural EngineeringMotor FunctionSurgical ProcedureStereotaxic FrameCephalosporin AntibioticBupivacaineBetadineCyanoacrylateDental CementDuraMotor CortexForepaw Movement
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Goss-Varley, M., Shoffstall, A. J., Dona, K. R., McMahon, J. A., Lindner, S. C., Ereifej, E. S., Capadona, J. R. Rodent Behavioral Testing to Assess Functional Deficits Caused by Microelectrode Implantation in the Rat Motor Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57829, doi:10.3791/57829 (2018).
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