Goedkoop elektro-encefalografisch opnamesysteem gecombineerd met een millimetergrote spoel om het muizenbrein in vivo transcraniaal te stimuleren
Summary
Een goedkoop elektro-encefalografisch registratiesysteem in combinatie met een millimetergrote spoel wordt voorgesteld om transcraniële magnetische stimulatie van het muizenbrein in vivo aan te sturen. Met behulp van conventionele schroefelektroden met een op maat gemaakt, flexibel, multi-elektrode arraysubstraat, kan multi-site opname worden uitgevoerd vanuit het muizenbrein als reactie op transcraniële magnetische stimulatie.
Abstract
Een goedkoop elektro-encefalografisch (EEG) opnamesysteem wordt hier voorgesteld om transcraniële magnetische stimulatie (TMS) van het muizenbrein in vivo aan te sturen, met behulp van een millimetergrote spoel. Met behulp van conventionele schroefelektroden in combinatie met een op maat gemaakt, flexibel, multi-elektrode arraysubstraat, kan multi-site opname worden uitgevoerd vanuit het muizenbrein. Daarnaast leggen we uit hoe een millimetergrote spoel wordt geproduceerd met behulp van goedkope apparatuur die meestal in laboratoria wordt aangetroffen. Praktische procedures voor het fabriceren van het flexibele multi-elektrode arraysubstraat en de chirurgische implantatietechniek voor schroefelektroden worden ook gepresenteerd, die nodig zijn om ruisarme EEG-signalen te produceren. Hoewel de methodologie nuttig is voor het opnemen vanuit de hersenen van elk klein dier, richt dit rapport zich op elektrode-implementatie in een verdoofde muizenschedel. Bovendien kan deze methode eenvoudig worden uitgebreid naar een wakker klein dier dat via een gemeenschappelijke adapter met vastgebonden kabels is verbonden en tijdens het opnemen met een TMS-apparaat aan het hoofd is bevestigd. De huidige versie van het EEG-TMS-systeem, dat maximaal 32 EEG-kanalen kan bevatten (een apparaat met 16 kanalen wordt gepresenteerd als een voorbeeld met minder kanalen) en één TMS-kanaalapparaat, wordt beschreven. Bovendien worden typische resultaten verkregen door de toepassing van het EEG-TMS-systeem op verdoofde muizen kort gerapporteerd.
Introduction
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een veelbelovend hulpmiddel voor menselijke hersenwetenschap, klinische toepassing en diermodelonderzoek vanwege de niet-/ lage invasiviteit. Tijdens het vroege stadium van TMS-toepassingen was de meting van het corticale effect als reactie op single- en paired-pulse TMS bij mens en dier beperkt tot de motorische cortex; Gemakkelijk meetbare output was beperkt tot motorische geëvoceerde potentialen en geïnduceerde myo-elektrische potentialen waarbij de motorische cortex 1,2 betrokken was. Om de hersengebieden uit te breiden die kunnen worden gemeten door TMS-modulatie, werd elektro-encefalografische (EEG) -opname geïntegreerd met single- en paired-pulse TMS als een nuttige methode om direct de prikkelbaarheid, connectiviteit en spatiotemporale dynamiek van gebieden in de hele hersenen te onderzoeken 3,4,5. Zo is de gelijktijdige toepassing van TMS- en EEG-registratie (TMS-EEG) op de hersenen gebruikt om verschillende oppervlakkige corticale hersengebieden van mens en dier te onderzoeken om intracorticale neurale circuits te onderzoeken (zie Tremblay et al.6). Bovendien kunnen TMS-EEG-systemen worden gebruikt om aanvullende corticale spatiotemporale kenmerken te onderzoeken, waaronder de voortplanting van signalen naar andere corticale gebieden en het genereren van oscillerende activiteit 7,8.
Het werkingsmechanisme van TMS in de hersenen blijft echter speculatief vanwege de niet-invasiviteit van TMS, wat onze kennis beperkt over hoe de hersenen functioneren tijdens TMS-toepassingen. Daarom zijn invasieve translationele studies bij dieren, variërend van knaagdieren tot mensen, van cruciaal belang om het mechanisme van de effecten van TMS op neurale circuits en hun activiteit te begrijpen. Met name voor gecombineerde TMS-EEG-experimenten bij dieren is voor kleine dieren geen gelijktijdig stimulatie- en meetsysteem ontwikkeld. Daarom zijn experimentalisten verplicht om een dergelijk systeem met vallen en opstaan te construeren volgens hun specifieke experimentele vereisten. Bovendien zijn muismodellen nuttig onder andere in vivo diersoortmodellen omdat veel transgene en stamgeïsoleerde muizenstammen beschikbaar zijn als biologische hulpbronnen. Een handige methode om een TMS-EEG-gecombineerd meetsysteem voor muizen te bouwen, zou dus wenselijk zijn voor veel neurowetenschappelijke onderzoekers.
Deze studie stelt een TMS-EEG-gecombineerde methode voor die kan worden toegepast voor gelijktijdige stimulatie en registratie van het muizenbrein, het belangrijkste type transgeen dier dat in onderzoek wordt gebruikt, en dat gemakkelijk kan worden geconstrueerd in typische neurowetenschappelijke laboratoria. Ten eerste wordt een goedkoop EEG-registratiesysteem beschreven met behulp van conventionele schroefelektroden en een flexibel substraat om reproduceerbaar een elektrode-arraypositie toe te wijzen in elk experiment. Ten tweede wordt een magnetisch stimulatiesysteem geconstrueerd met behulp van een millimetergrote spoel, die gemakkelijk op maat kan worden gemaakt in typische laboratoria. Ten derde registreert het TMS-EEG-gecombineerde systeem neurale activiteit als reactie op geluid en magnetische stimulatie. De methode die in deze studie wordt gepresenteerd, kan de mechanismen onthullen die specifieke aandoeningen bij kleine dieren genereren, en de resultaten die in de diermodellen zijn verkregen, kunnen worden vertaald om de overeenkomstige menselijke aandoeningen te begrijpen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze studie richt zich op een multi-site EEG-registratiesysteem in combinatie met een magnetisch stimulatiesysteem dat is ontworpen voor kleine dieren, waaronder muizen. Het geconstrueerde systeem is goedkoop en eenvoudig te bouwen in fysiologische laboratoria en kan hun bestaande meetopstellingen uitbreiden. De chirurgische procedure die nodig is om gegevens uit het muisregistratiesysteem te verkrijgen, is zeer eenvoudig als dergelijke laboratoria eerdere ervaring hebben met standaard elektrofysiologische experimenten.<…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Murata Science Foundation, de Suzuken Memorial Foundation, de Nakatani Foundation for Advancement of Measuring Technologies in Biomedical Engineering, en een Grant-in-Aid for Exploratory Research (subsidienummer 21K19755, Japan) en voor Wetenschappelijk Onderzoek (B) (subsidienummer 23H03416, Japan) aan T.T.
Materials
| 3D printer | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | FFD-101 | The printer used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| ATROPINE SULFATE 0.5 mg | NIPRO ES PHARMA CO., LTD. | – | Atropine sulfate |
| Bipolar amplifier | NF Corp. | KIT61380 | For amplifying waveforms for coil input |
| Butorphanol | Meiji Seika Pharma Co., Ltd., Tokyo, Japan |
– | For anathesis of animals |
| Commercial manufacturer of flexible 2D array | p-ban.com Corp. | – | URL: https://www.p-ban.com/ |
| Computer prograom to analyze output signals | Natinal Instruments | NI-DAQ and NI-DAQmx Python | To analyze output signals from the hall-effect sensor |
| Connector | Harwin Inc. | G125-FV12005L0P | For connector to conect to the measuring system |
| Copper pad | p-ban.com Corp. | copper | Copper pad on each substrate |
| Copper wire | Kyowa Harmonet Ltd. | P644432 | The windings of the coil |
| DAQ board | National Instruments Corp. | USB-6343 | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| Dental cement | SHOFU INC. | Quick Resin | Self-Curing Orthodontic Resin |
| ECoG electrode | NeuroNexus Inc. | HC32 | For reference to design of the flexible 2D array |
| Epoxy resin | Konishi Co. Ltd. | #16123 | For coil construction |
| Ethyl Carbamate | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 050-05821 | For urethan anesthesia |
| Flat ribbon cable | Oki Electric Cable Co., Ltd. | FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m | For cable to connect between surface-mount connector and measuring sysytem |
| flexible substrate | p-ban.com Corp. | polyimide | Baseplate of flexible substrate |
| Function generator | NF Corp. | WF1947 | For generating waveforms for coil input |
| Hall-effect sensor | Honeywell International Inc. | SS94A2D | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| IDC crimping tool | Pro'sKit Industries Co. | 6PK-214 | To crimp the IDC and one end of the flat ribbon cable; Flat cable connector crimping tool |
| Instant glue | Konishi Co. Ltd. | #04612 | For coil construction |
| Insulation-displacement connector (IDC ) | Uxcell Japan | B07GDDG3XG | 2 × 10 pins and a 1.27 mm pitch |
| LCR meter | NF Corp. | ZM2376 | For measuring the AC properties of the coil |
| Manipulator | NARISHIGE Group. | SM-15L | For manipulating the coil |
| Medetomidine | Kobayashi Kako, Fukui, Japan | – | For anathesis of animals |
| Midazolam | Astellas Pharma, Tokyo, Japan | – | For anathesis of animals |
| Miniature screw | KOFUSEIBYO Co., Ltd. | S0.6*1.5 | For EEG-senseing and reference electrode |
| Mouse | Japan SLC, Inc. | C57BL/6J (C57BL/6JJmsSlc) | Experimental animal |
| Permalloy-45 rod | The Nilaco Corp. | 780544 | The core of the coil |
| Recording system | Plexon Inc. | OmniPlex | For EEG data acquisition |
| Stainless wire | Wakisangyo Co., Ltd. | HW-136 | For grasp by manipulator |
| Stereotaxic apparatus | NARISHIGE Group. | SR-5M-HT | To fix a mouse head |
| Surface-mount connector | Useconn Electronics Ltd. | PH127-2x10MG | For connector to mount on the flexible 2D array |
| Testing equipment (LCR meter) | NF Corp. | ZM2372 | Contact check and impedance measurements |
| White PLA filament | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | PLA-F13 | The material used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| Xylocaine Jelly 2% | Sandoz Pharma Co., Ltd. | – | lidocaine hydrochloride |
References
- Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
- Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
- Thut, G., Pascual-Leone, A. Integrating TMS with EEG: How and what for. Brain Topography. 22 (4), 215-218 (2010).
- Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topograpy. 22 (4), 233-248 (2010).
- Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Radhu, N., Fitzgerald, P. B. Combined transcranial magnetic stimulation and electroencephalography: its past, present and future. Brain Research. 1463, 93-107 (2012).
- Tremblay, S., et al. Clinical utility and prospective of TMS-EEG. Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).
- Pellicciari, M. C., Veniero, D., Miniussi, C. Characterizing the cortical oscillatory response to TMS pulse. Frontiers in Cellular Neuroscience. 11, 38 (2017).
- Lin, Y. J., Shukla, L., Dugue, L., Valero-Cabre, A., Carrasco, M. Transcranial magnetic stimulation entrains alpha oscillatory activity in occipital cortex. Scientific Reports. 11 (1), 18562 (2021).
- Takahashi, S., et al. Laminar responses in the auditory cortex using a multielectrode array substrate for simultaneous stimulation and recording. IEEJ Transactions Electrical and Electronic Engineering. 14 (2), 303-311 (2019).
- Yoshikawa, T., Higuchi, H., Furukawa, R., Tateno, T. Temporal and spatial profiles of evoked activity induced by magnetic stimulation using millimeter-sized coils in the mouse auditory cortex in vivo. Brain Research. 1796, 148092 (2022).
- Tang, A. D., et al. Construction and evaluation of rodent-specific rTMS coils. Frontiers in Neural Circuits. 10, 47 (2016).
- Li, L. Controlling annealing and magnetic treatment parameters to achieve high permeabilities in 55 Ni-Fe toroid cores. IEEE Transactions on Magnetics. 37 (4), 2315-2317 (2001).
