JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bio-ingénierie

Kemirgen fonksiyonel açıkları sıçan Motor korteks elektrot implantasyon nedeniyle değerlendirmek için sınama davranış

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

Fareler bir elektrot implantasyonu motor korteks acil ve kalıcı motor açıkları neden olduğunu göstermiştir. Yöntemleri burada bir elektrot implantasyonu ameliyatı ve motor korteks implantasyon neden olduğu hasar nedeniyle iyi veya brüt motor işlevinde olası değişiklikler aydınlatmak için üç kemirgen davranış görev anahat önerdi.

Abstract

Beyninde implante tıbbi cihazlar çok büyük potansiyele sahip. Bir beyin makine arabirimi (BMI) sisteminin bir parçası olarak, intracortical microelectrodes Aksiyon potansiyelleri bireysel veya küçük gruplar nöronların kaydetmek için yetenek göstermek. Böyle kaydedilen sinyalleri başarıyla hastalar arabirim oluşturmak için izin vermek veya bilgisayarlar, robotik bacaklarda ve kendi ekstremitelerde kontrol için kullanılmaktadır. Ancak, önceki hayvan çalışmaları beyin bir elektrot implantasyon sadece çevreleyen doku zarar ama aynı zamanda işlevsel açıkları neden olabilir olduğunu göstermiştir. Burada, bir dizi motor korteks sıçan intracortical microelectrodes implantasyonu takip potansiyel motor bozuklukları ölçmek için davranışsal test tartışmak. Açık alan kılavuz, merdiven kapısı ve kavrama gücü test yöntemleri bir elektrot implantasyon kaynaklanan olası komplikasyonlar ile ilgili değerli bilgiler sağlar. Davranışsal test sonuçlarını bitiş noktası histoloji, patolojik sonuçları ve bu yordamı bitişik doku üzerinde etkileri hakkında ek bilgi sağlarsınız ile ilişkili.

Introduction

İntracortical microelectrodes ilk olarak beyin devreleri harita ve fonksiyonel çıkışlarını1üretmek için kullanılan motor niyetleri algılamasını etkinleştirmek için değerli bir araç geliştirdik kullanılmıştır. Tespit edilen fonksiyonel çıkışlarını omurilik yaralanmaları, serebral palsi, amyotrofik lateral skleroz (ALS) veya diğer hareketi sınırlayan koşullar bir bilgisayarın imleç2,3 ya da robot kontrol acı bireyler sunabilir 4,5,6kol veya geri yükleme işlevi kendi Engelli uzuv7‘ ye. Bu nedenle, intracortical elektrot teknoloji bir umut verici ve hızla büyüyen alan8ortaya çıkmıştır.

Alanında görülen başarıları nedeniyle, klinik çalışmalar geliştirmek ve daha iyi olanaklar BMI teknoloji5,9,10anlamak için devam etmektedir. Beyindeki sinir hücreleri ile iletişim tam potansiyelini gerçekleştirerek, rehabilitasyon uygulamaları sınırsız8olarak algılanan. İntracortical elektrot teknoloji gelecek için büyük bir iyimserlik olsa da, iyi bilinen microelectrodes sonunda11, muhtemelen bir akut neuroinflammatory tepki implantasyon takip nedeniyle başarısız da. Beyin bir yabancı malzemenin implantasyonu hemen zarar çevreleyen doku olur ve daha fazla zarar implant12özellikleri bağlı olarak değişir neuroinflammatory yanıt neden yol açar. Buna ek olarak, beyinde bir implant microlesion etkisi neden olabilir: glukoz metabolizma bir azalma düşündüm akut ödem ve kanama nedeniyle aygıt ekleme13neden olduğu. Ayrıca, sinyal kalitesi ve yararlı sinyalleri kaydedilen süreyi ne olursa olsun hayvan modeli11,14,15,16, tutarsız. Çeşitli çalışmalarda performans17,18,19neuroinflammation ve elektrot arasında bağlantı göstermiştir. Bu nedenle, toplumun uzlaşma microelectrodes çevreleyen sinir dokusu inflamatuar yanıt en azından kısmen, elektrot güvenilirliği ödün vermez.

Birçok çalışma yoksa yerel iltihap11,20,21,22 muayene yöntemleri ekleme11,23tarafından, neden beyin zarar azaltmak için keşfedilmeyi 24,25, kayıt saat14,26artırma amacı ile. Ayrıca, son zamanlarda elektrot ekleme tarafından fareler motor korteks neden bir iyatrojenik yaralanma bir acil ve kalıcı iyi motor açığı27neden olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, burada sunulan iletişim kurallarının amacı araştırmacılar mümkün motor açıkları implantasyon ve intracortical cihazlar, kalıcı olup olmadığını aşağıdaki beyin travması sonucu olarak değerlendirmek için nicel bir yöntem vermektir (microelectrodes içinde Eğer bu el yazması). Burada açıklanan davranış testleri her iki brüt ve ince motor fonksiyon bozuklukları alay için tasarlanmıştır ve beyin hasarı birçok modellerinde kullanılabilir. Bu yöntem basit, tekrarlanabilir ve kemirgen bir modelinde kolayca uygulanabilir. Ayrıca, burada sunulan yöntemleri izin bir korelasyon histolojik sonuçlara, motor davranışının kadar son zamanlarda, yazarlar-si olmak değil seen bir fayda BMI alanında yayınlandı. Bu yöntemler iyi motor işlevleri28, brüt motor işlevleri29ve stres ve anksiyete davranış29,30, test etmek için tasarlanmış gibi son olarak, burada sunulan yöntemleri de içine uygulanabilir bir kafa travması modelleriyle araştırmacılar istediğiniz yere dışarı (ya da) ekarte etmek için herhangi bir motor işlevleri açıklar.

Protocol

Tüm yordamları ve hayvan bakımı uygulamaları tarafından onaylanmış ve Louis Stokes Cleveland bölümü gazileri işleri Tıp Merkezi kurumsal hayvan bakım ve kullanım komiteler uygun olarak yapılır. Not: araştırmacılar kullanımı hakkında bir denetim olarak kararı ile bir bıçak yaralanma modeli eğitmek için Potter ve ark. tarafından yapılan çalışmaları gözden geçirmek için önerilir 21. 1. elektrot implan…

Representative Results

Burada sunulan yöntemleri kullanarak, bir elektrot implantasyon motor korteks kılavuz açık alan test ederek takip tamamlanan aşağıdaki kurulan yordamlar39,40,41,42, ameliyatta Brüt motor işlevleri ve merdiven ve kavrama değerlendirmek için27gücü iyi motor değerlendirmek için test çalışması. Motor fonksiyon test yapıld?…

Discussion

Burada özetlenen Protokolü etkin ve tekrarlanarak ince ve brüt motor açığı kemirgen beyin hasarı, bir modeli ölçmek için kullanılmaktadır. Ayrıca, histolojik sonuçlara motor korteks bir elektrot implantasyon takip iyi motor davranış korelasyon için sağlar. Yöntemleri takip edilmesi kolay, ucuz kurmak ve bir araştırmacı bireysel ihtiyaçlarına uygun şekilde değiştirilebilir. Ayrıca, davranış testleri büyük stres veya ağrı hayvanlara neden olmaz; daha doğrusu, araştırmacılar hayvanlar …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışmada kısmen başarı İnceleme Ödülü #B1495-R (Capadona) ve Cumhurbaşkanlığı erken kariyer Ödülü tarafından bilim adamı ve mühendisleri (PECASE, Capadona) gelen Amerika Birleşik Devletleri (ABD) Bakanlığı gazileri işleri rehabilitasyon araştırma için desteklenen ve Geliştirme hizmeti. Ayrıca, bu eser kısmen, yardımcısı Savunma Bakanı Peer gözden tıbbi araştırma programı aracılığıyla Ödülü No altında Sağlık işleri için Office tarafından desteklenen W81XWH-15-1-0608. İçeriği US Department of Veterans Affairs veya Amerika Birleşik Devletleri hükümetinin görüşlerini temsil etmemektedir. Yazarlar Dr Hiroyuki Arakawa CWRU kemirgen davranış çekirdek tasarımı ve kemirgen davranış protokollerini test onun rehberlik için teşekkür etmek istiyorum. Yazarlar ayrıca James Drake ve Kevin Talbot CWRU bölümü mekanik ve Havacılık ve uzay mühendisliği tasarımı ve kemirgen merdiven test imalat onların yardım için teşekkür etmek istiyorum.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  2. McFarland, D. J., Sarnacki, W. A., Wolpaw, J. R. Electroencephalographic (EEG) control of three-dimensional movement. Journal of Neural Engineering. 7 (3), 036007 (2010).
  3. Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (51), 17849-17854 (2004).
  4. Bell, C. J., Shenoy, P., Chalodhorn, R., Rao, R. P. Control of a humanoid robot by a noninvasive brain-computer interface in humans. Journal of Neural Engineering. 5 (2), 214-220 (2008).
  5. Collinger, J. L., et al. High-performance neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia. The Lancet. 381 (9866), 557-564 (2013).
  6. Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372-375 (2012).
  7. Ajiboye, A. B., et al. Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia: a proof-of-concept demonstration. The Lancet. 389 (10081), 1821-1830 (2017).
  8. Bowsher, K., et al. Brain-computer interface devices for patients with paralysis and amputation: a meeting report. Journal of Neural Engineering. 13 (2), 023001 (2016).
  9. Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. Direct cortical control of 3D neuroprosthetic devices. Science. 296 (5574), 1829-1832 (2002).
  10. Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. Information conveyed through brain-control: cursor versus robot. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (2), 195-199 (2003).
  11. Jorfi, M., Skousen, J. L., Weder, C., Capadona, J. R. Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications. Journal of Neural Engineering. 12 (1), 011001 (2015).
  12. Anderson, D. J. Penetrating multichannel stimulation and recording electrodes in auditory prosthesis research. Hearing Research. 242 (1-2), 31-41 (2008).
  13. Pourfar, M., et al. Assessing the microlesion effect of subthalamic deep brain stimulation surgery with FDG PET. Journal of Neurosurgery. 110 (6), 1278-1282 (2009).
  14. Hermann, J. K., et al. Inhibition of the cluster of differentiation 14 innate immunity pathway with IAXO-101 improves chronic microelectrode performance. Journal of Neural Engineering. , (2018).
  15. Bedell, H. W., et al. Targeting CD14 on blood derived cells improves chronic intracortical microelectrode performance in chronic modified state of neuroinflammation. Biomaterials. 163, 163-173 (2018).
  16. Kozai, T. D. Y., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies. ACS Chemical Neuroscience. 6 (1), 48-67 (2015).
  17. Rennaker, R. L., Miller, J., Tang, H., Wilson, D. A. Minocycline increases quality and longevity of chronic neural recordings. Journal of Neural Engineering. 4 (2), 1-5 (2007).
  18. Saxena, T., et al. The impact of chronic blood-brain barrier breach on intracortical electrode function. Biomaterials. 34 (20), 4703-4713 (2013).
  19. Kozai, T. D., et al. Effects of caspase-1 knockout on chronic neural recording quality and longevity: insight into cellular and molecular mechanisms of the reactive tissue response. Biomaterials. 35 (36), 9620-9634 (2014).
  20. Biran, R., Martin, D., Tresco, P. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
  21. Potter, K. A., Buck, A. C., Self, W. K., Capadona, J. R. Stab injury and device implantation within the brain results in inversely multiphasic neuroinflammatory and neurodegenerative responses. Journal of Neural Engineering. 9 (4), 046020 (2012).
  22. Szarowski, D. H., et al. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Research. 983 (1-2), 23-35 (2003).
  23. Gunasekera, B., Saxena, T., Bellamkonda, R., Karumbaiah, L. Intracortical recording interfaces: current challenges to chronic recording function. ACS Chemical Neuroscience. 6 (1), 68-83 (2015).
  24. Villalobos, J., et al. Preclinical evaluation of a miniaturized Deep Brain Stimulation electrode lead. Conference Proceedings: Annual International Conferences of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2015, 6908-6911 (2015).
  25. Zhong, Y., Bellamkonda, R. V. Controlled release of anti-inflammatory agent alpha-MSH from neural implants. Journal of Controlled Release. 106 (3), 309-318 (2005).
  26. Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), e3565 (2012).
  27. Goss-Varley, M., et al. Microelectrode implantation in motor cortex causes fine motor deficit: implications on potential considerations to brain computer interfacing and human augmentation. Scientific Reports. 7, 15254 (2017).
  28. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: a new task to evaluate fore- and hindlimb stepping, placing, and co-ordination. Journal of Neuroscience Methods. 115 (2), 169-179 (2002).
  29. Bailey, K. R., Crawley, J. N., Buccafusco, J. J. Anxiety-related behaviors in mice. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. , (2009).
  30. Prut, L., Belzung, C. The open field as a paradigm to measure the effects of drugs on anxiety-like behaviors: a review. European Journal of Pharmacology. 463 (1-3), 3-33 (2003).
  31. Shoffstall, A. J., et al. Potential for thermal damage to the blood-brain barrier during craniotomy procedure: implications for intracortical recording microelectrodes. Journal of Neural Engineering. , (2017).
  32. Dona, K. R., et al. A novel single animal motor function tracking system using MATLAB’s computer vision toolbox to assess functional deficits. Journal of Visualized Experiments. , (2018).
  33. Ereifej, E. S., et al. Implantation of neural probes in the brain elicits oxidative stress. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. , (2018).
  34. Ereifej, E. S., et al. The neuroinflammatory response to nanopatterning parallel grooves into the surface structure of intracortical microelectrodes. Advanced Functional Materials. , (2017).
  35. Ravikumar, M., et al. The roles of blood-derived macrophages and resident microglia in the neuroinflammatory response to implanted intracortical microelectrodes. Biomaterials. 0142-9612 (35), 8049-8064 (2014).
  36. Potter-Baker, K. A., et al. A comparison of neuroinflammation to implanted microelectrodes in rat and mouse models. Biomaterials. 34, 5637-5646 (2014).
  37. Nguyen, J. K., et al. Influence of resveratrol release on the tissue response to mechanically adaptive cortical implants. Acta Biomaterialia. 29, 81-93 (2016).
  38. Ravikumar, M., et al. The effect of residual endotoxin contamination on the neuroinflammatory response to sterilized intracortical microelectrodes. Journal of Materials Chemistry B. 2, 2517-2529 (2014).
  39. Potter, K. A., Simon, J. S., Velagapudi, B., Capadona, J. R. Reduction of autofluorescence at the microelectrode-cortical tissue interface improves antibody detection. Journal of Neuroscience Methods. 203 (1), 96-105 (2012).
  40. Potter, K. A., et al. Curcumin-releasing mechanically-adaptive intracortical implants improve the proximal neuronal density and blood-brain barrier stability. Acta Biomaterialia. 10 (5), 2209-2222 (2014).
  41. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11, 056014 (2014).
  42. Potter, K. A., et al. The effect of resveratrol on neurodegeneration and blood brain barrier stability surrounding intracortical microelectrodes. Biomaterials. 34, 7001-7015 (2013).
  43. McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. Journal of Neural Engineering. 6 (5), 056003 (2009).
  44. Hamm, R. J., Pike, B. R., O’Dell, D. M., Lyeth, B. G., Jenkins, L. W. The rotarod test: an evaluation of its effectiveness in assessing motor deficits following traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 11 (2), 187-196 (1994).
  45. Teuber, H. L. Recovery of function after brain injury in man. Ciba Foundation Symposium. (34), 159-190 (1975).
  46. Carmel, J. B., Kimura, H., Martin, J. H. Electrical stimulation of motor cortex in the uninjured hemisphere after chronic unilateral injury promotes recovery of skilled locomotion through ipsilateral control. Journal of Neuroscience. 34 (2), 462-466 (2014).
  47. Hayn, L., Koch, M. Suppression of excitotoxicity and foreign body response by memantine in chronic cannula implantation into the rat brain. Brain Research Bulletin. 117, 54-68 (2015).
  48. Marklund, N. Rodent models of traumatic brain injury: methods and challenges. Methods in Molecular Biology. 1462, 29-46 (2016).
  49. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments. (28), e1204 (2009).
  50. Pajoohesh-Ganji, A., Byrnes, K. R., Fatemi, G., Faden, A. I. A combined scoring method to assess behavioral recovery after mouse spinal cord injury. Neuroscience Research. 67 (2), 117-125 (2010).
  51. Chesler, E. J., Wilson, S. G., Lariviere, W. R., Rodriguez-Zas, S. L., Mogil, J. S. Influences of laboratory environment on behavior. Nature Neuroscience. 5 (11), 1101-1102 (2002).
  52. Crabbe, J. C., Wahlsten, D., Dudek, B. C. Genetics of mouse behavior: interactions with laboratory environment. Science. 284 (5420), 1670-1672 (1999).
  53. Richter, S. H., Garner, J. P., Auer, C., Kunert, J., Wurbel, H. Systematic variation improves reproducibility of animal experiments. Nature Methods. 7 (3), 167-168 (2010).
  54. Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
  55. Osier, N. D., Dixon, C. E. The controlled cortical impact model: applications, considerations for researchers, and future directions. Frontiers in Neurology. 7, 134 (2016).
  56. Harrison, F. E., Hosseini, A. H., McDonald, M. P. Endogenous anxiety and stress responses in water maze and Barnes maze spatial memory tasks. Behavioural Brain Research. 198 (1), 247-251 (2009).
  57. Jackson, J. R., et al. Reduced voluntary running performance is associated with impaired coordination as a result of muscle satellite cell depletion in adult mice. Skeletal Muscle. 5, 41 (2015).
  58. Potter-Baker, K. A., et al. Implications of chronic daily anti-oxidant administration on the inflammatory response to intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 12 (4), 046002 (2015).
  59. Ware, T., Simon, D., Rennaker, R. L., Voit, W. Smart polymers for neural interfaces. Polymer Reviews. 53 (1), 108-129 (2013).
  60. Ecker, M., et al. Sterilization of thiol-ene/acrylate based shape memory polymers for biomedical applications. Macromolecular Materials and Engineering. 302 (2), 160331 (2017).
  61. Kozai, T., et al. Reduction of neurovascular damage resulting from microelectrode insertion into the cerebral cortex using in vivo two-photon mapping. Journal of Neural Engineering. 7 (4), 046011 (2010).

Tags

Keywords: RodentBehavioral TestingFunctional DeficitsMicroelectrode ImplantationRat Motor CortexNeural EngineeringMotor FunctionSurgical ProcedureStereotaxic FrameCephalosporin AntibioticBupivacaineBetadineCyanoacrylateDental CementDuraMotor CortexForepaw Movement
check_url/fr/57829?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
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).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image