Instructions for the low-cost construction and surgical implantation of a chronic transcranial high-density electroencephalographic montage into mice are provided. Signal recording, extraction, and processing techniques are also described.
Avanserte elek analyseteknikker som krever høy romlig oppløsning, inkludert elektrisk kilde bildebehandling og tiltak av nettverkstilkobling, gjelder for et voksende utvalg av spørsmålene i nevrovitenskap. Utføre slike analyser i en gnager modell krever høyere elektrode tetthet enn tradisjonelle skrue elektroder kan utrette. Mens høyere tetthet, elek- montasjer for gnagere eksisterer, de er av begrenset tilgjengelighet til de fleste forskere, er ikke robust nok for gjentatte forsøk over en lengre tidsperiode, eller er begrenset til bruk i bedøvede rotter. 1-3 En foreslått lave kostnader metode for å bygge en varig høy teller, transkranial elektrodegruppen, som består av bilateralt implanterbare headpieces er undersøkt som et middel til å utføre avansert elektroencefalogram analyser hos mus eller rotter.
Prosedyrer for headpiece fabrikasjon og kirurgisk implantasjon necessary å produsere høy signal til støy, er lav-impedans elektroencefalografiske og elektromyografisk signaler presenteres. Selv om metoden er nyttig i både rotter og mus, fokuserer dette manuskriptet på mer utfordrende gjennomføringen for den mindre mus skallen. Fritt bevegelige mus bare bundet til kabler via en vanlig adapter under opptak. En versjon av denne elektrodesystem som inneholder 26 elek-kanaler og 4 elektromyografiske kanaler er beskrevet nedenfor.
Neuronal aktivitet kan registreres ekstracellulært med ulike nivåer av detaljnivå fra mikroskopiske (enkelte aksjonspotensialer) til mesoskopisk (lokale feltpotensialer) til makroskopiske (elektroencefalogram). Disse brainwave spor er klassisk analysert i frekvensdomenet for å karakterisere atferdsmessige, nevrofysiologiske, eller elektrostater. Dette kan gjøres med et enkelt biopotential, 4 men sparsom tetthet EEG opptak kan ikke løse den romlige komponenten i neuronal aktivitet. Moderne elektroencefalogram analyse er avhengig av flere elektroder til å produsere detaljerte kart over tid og rom fordeling av kortikal aktivitet for å korrelere at aktivitet med bestemte psykologiske forhold og fysiologiske prosesser. 5-7 To av de mest brukte kategoriene av analyse som krever høy tetthet EEG montasjer er elektrisk kilde bildebehandling og nevrale nettverkstilkoblings tiltak. 8-11
<p class="jove_content"> Elektrisk kilde bildebehandling innebærer lokalisering av funksjonelt aktive hjerneregioner. Topografisk kartlegging av elektrodegruppen kan visualisere strømkilden tettheten av den elektriske aktiviteten i hjernen under hendelsesrelaterte potensialer (ERP) og fremkalt respons (EPS). Elektrisk kilde lokalisering er ofte brukt i både beslag studier samt i kraftdistribusjon analyser. 12-15 Siden EEG har høy tidsoppløsning, EEG studier tillate sanntid vurdering av ERP og EPer, så vel som timelig presis post hoc-analyse. 3,11 , 12Knytte kognitive tilstander og funksjoner med samspillet av svingninger sett på elektroencefalogram er det endelige målet for de ulike tiltakene i nevrale nettverkstilkobling. Tallrike studier har vist synkronisering og fase låsing av svingninger mellom ulike områder av hjernen er knyttet til bestemte tilstander av opphisselse, oppmerksomhet og handling. 6,13,14,16-19 </sup> Demonstrasjon slike signal assosiasjoner mellom hjernen regioner krever høy tetthet arrays som tillater vurdering av nettverkstilkobling.
Kildelokalisering og nettverksanalyse av EEG-signaler stammer fra studier på mennesker, men undersøkelser i den neuronale basis for disse signalene nødvendigvis involvere dyremodeller, som de krever invasive teknikker som er ellers umulig i mennesker. For å gjenskape disse analysene i gnagermodeller, som er nødvendig en metode for å fange høy tetthet EEG-signaler i en gnagerhjerne. Mens andre grupper har konstruert med høy tetthet microelectrode matriser for anvendelse i mus, er slike metoder er av begrenset tilgjengelighet til forskere uten adgang til Nanofabrication anlegg, ikke er robust nok for gjentatte forsøk over en lengre tidsperiode, eller er begrenset til bruk i bedøvede mus. 1-3,7 Et rimelig alternativ protokoll for bygging av kronisk høy tetthet, transkranial elektrode array er demonstrert her.
Den signal tilnærmingen som er beskrevet her er ikke begrenset til EEG, men omfatter elektromyografiske signaler (EMG). Kjøpet av EMG-signaler kan være en komplementær måte for å definere oppførsel tilstand og er spesielt nyttig for søvn studier. Denne tilnærmingen gir en mellomting mellom dyre, ultra-high-density intrakranielle nett, og de begrensede bly tallene er mulig med tradisjonelle skrue elektroder som er utilstrekkelig for avanserte analyse tilnærminger. Den headpiece design er enkelt konstruert og rimelig for high-throughput studier. Bruk av dette oppkjøpet system i forbindelse med diverse genetiske eller farmakologiske manipulerende teknikker innenfor gnagermodeller kan bidra til å avdekke mekanismene for kortikal pendling generasjon, atferdsmessige avvik fra sann genotypiske forskjeller, kilde lokalisering av ERP og EPer, og store nettverk kommunikasjon.
Den lave kostnader konstruksjon og kirurgiske nødvendige skritt for å riktig oppnå en 26 kanal, høy tetthet EEG montage i en mus er beskrevet. Riktig epidural elektrodekontakt er kritisk i å skaffe kvalitet EEG-signaler i dette systemet. To skritt innenfor protokollen løse dette problemet: pin trimming å matche hjernen kontur, og headpiece implantasjon før akryl forsterkning. Det er viktig ikke å kutte en pin for kort i byggefasen. Når implantere headpieces, er det viktig å sjekke pin plassering før den endelige akryl forsterkning. En måte for å bekrefte riktig elektrodekontakt er gjennom impedans testing. Tilsynelatende, impedanser av 5-10 kÊ foreslå riktig epidural plassering. 26 Impedansmålinger demonstrere Hode 'holdbarhet, som elektrode impedansverdier er stabile innenfor dette 5-10 kohm område i minst 4 måneder etter implantasjon. Den andreviktig skritt innebærer samkjøre EMG pins med de to bakre-fleste rader med 2 x 7 EEG murstein. Dette er avgjørende for adapter tilkobling, som feiljustert EMG og EEG pins vil resultere i en manglende evne til å koble adapteren eller bøyde adapter nålene.
En stor fordel med denne innhentingssystemet som er enkel å modifisere formen av elektrodegruppen for å optimalisere ulike eksperimentelle behov. Tilpassede elektrode ordninger som er optimalt tilpasset spesifikke eksperimenter lett kan opprettes. Tilpasning for spesifikke eksperimenter kan potensielt kombinere EEG med kanyle for levering av legemidler for kombinert farmakologiske, elektroencefalografiske, og atferdsstudier. 27 Hodepynt, adaptere, og kirurgiske prosedyrer er lett tilpasses til en lang rekke studier ved følgende metodene beskrevet i protokollen ovenfor . En annen stor fordel med dette oppkjøpet system er dens lave kostnader. I dag kan dette oppkjøpet systemrekord 128 inngangskanaler på opp til 4 separate kabler, tillater samtidige opptak fra 4 mus eller hvis det er ønskelig, rotter med rutenett høyere tetthet. En slik utvidelse vil bare kreve ekstra kabler og adaptere.
Denne tilnærmingen til høy tetthet EEG anskaffelse adresserer ulempene ved andre høy tetthet EEG innhentingsmetoder på mus. Systemet som er beskrevet i dette arbeidet er enkelt og greit konstruert med enkle materialer og bruker fri maskinvare og programvare som er billig og stabil, gir mulighet for gjentatte målinger på det samme dyret over måneder, tillater fri bevegelse under et eksperiment, og krever ikke mus å være bedøvet for innspilling. Begrensninger av dette systemet er at det bare har blitt validert hittil i mus som veier 20 g eller mer, og er eldre enn 12 uker. Mindre eller yngre mus kan ha problemer med headpiece implantasjon. En sekundær begrensning av denne metodikken er manglende evne til nøyaktig kontroll elektrode dybde etter headpiece fabrikasjon. Dette gjelder imidlertid samme begrensningene til tradisjonelle skru EEG elektroder siden det er ingen måte å nøyaktig vite pre-mortem innskruingsdybden forhold til kortikale overflaten. Feilsøker for denne fremgangsmåte vanligvis innebærer ordentlig skjerming interfererende signal fra musen når bundet for å oppnå støyfri signal.
Høy tetthet EEG arrays er avgjørende for de komplekse tid og rom analyser av EEG data som er den nye normalen i moderne EEG tolkning. Mens romlige fordelingen av en visuell fremkalt potensial er illustrert, kan data ervervet ved hjelp av dette systemet bli analysert ved hjelp av elektrisk kildebildeteknikker og nevrale tilkoblings tiltak. En 60% til 70% reduksjon i kontaktområdet mellom disse elektrodenåler i forhold til tradisjonelle skrue kontakter gir en mer presis lokalisering signal, som vist i figur 4. Ansette høy tetthet analytiske teknikker innen genetisk modifiserte mus, etter Pharmacological intervensjon, eller dyr med iboende patologi som anfall kan hjelpe skjelne de mekanismene som genererer spesifikke cortical svingninger, lokalisere kildene til ERP og EPer, og avslører store nettverksegenskaper. Ved å bedre parallelt menneskelige systemer, vil denne tilnærmingen forbedre små dyremodeller for menneskelig nevrofysiologi og nevropatologi, som gir enklere oversettelse av funn gjort i gnagermodeller til vitenskapelig og klinisk relevans hos mennesker.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the Foundation for Anesthesia Education and Research Mentored Research Training Grant (ARM), by the National Institutes of Health grants GM107117 (MBK) and GM088156 (MBK), and by the Department of Anesthesiology and Critical Care at the University of Pennsylvania, Perelman School of Medicine.
32 Channel RHD2132 amplifier headstage | Intan Technologies | C3314 | |
Aquistion Board | Open Ephys | v2.2 | |
100 Position Receptable Connector | Digi-Key | ED85100-ND | Headpiece |
Acetone (1L) | Sigma Aldrich | 179973-1L | |
Razor Blade (100pack) | McMaster Carr | 3962A4 | |
Wire-Cutting Pliers | MSC Industrial | 321786 | |
2-Part Epoxy | McMaster Carr | 7605A18 | |
PFA Coated Silver Wire (25ft) | A-M Systems | 787000 | EMG Wire |
CircuitWriter Pen | MCM Electronics | 200-175 | Silver Applicator for Electrode Tips |
36 Position Dual Row Male Nano-Miniature Connector | Omnetics Connector Corporation | A79028-001 | Headpiece to Amplifier Adapter |
Conn Strip Header 2 x 50 | Digi-Key | ED83100-ND | Headpiece to Amplifier Adapter |
Clidox Base and Acitvator | Pharmacal | 95120F & 96120F | Sterilant |
Isoflurane | Priamal Enterprises Ltd | 66794-019-10 | |
Oxygen | Airgas | OX USP300 | |
Closed Loop Temperature Controller | CWE Inc. | 08-130000 | |
Curved Scissors | FST | 14085-09 | |
0.25% Bupivicaine Hydrochloride | Hospira | 0409-1159-02 | Local Anesthetic |
Meloxicam 5mg/mL | Henry Schein | 6451602845 | Pain/Inflammation Relief |
0.9% Sodium Chloride | Hospira | 0409-4888-20 | Fluids |
Cefazolin | Hospira | 0409-0806-01 | Antibacterial |
No.11 Disposable Scapel (20 pk) | Feather | 2975#11 | |
Micro Serrefines | FST | 18052-3 | |
Cotton Swabs (1000 pk) | MSC Industrial | 8749574 | |
0.5mm Micro Drill Bit | FST | 19007-05 | |
Stereotaxic Drill | Kopf | Model 1471 | |
Curved Forceps | Roboz | RS-5136 | |
Methyl Methacrylate | A-M Systems | 525000 | Cement for headpiece |
Methyl Methacrylate Crosslinking Compound | A-M Systems | 526000 | |
Curved Hemostats | FST | 13003-10 | Aide in Adapter Connection |
RHD2000 standard SPI interface cable (3ft) | Intan Technologies | C3203 | |
Cantilever Arm | Instech | MCLA | |
Micro Spatula (12 pk) | Fischer Scientific | S50822 | |
Digital Soldering Station | MCM Electronics | 21-10115 | |
Rosin Core Solder 60/40 Tin/Lead | MCM Electronics | 21-1045 | |
Color Craze Nail Polish with Hardeners (Nitrocellulose based) | L.A. Colors | CNP508 | |
Small Animal Stereotaxic Instrument with Digital Display Console | Kopf | Model 940 |