JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioingegneria

מכרסם ההתנהגותי בוחן להערכת תפקודית גירעונות הנגרמת על ידי ההשרשה Microelectrode של קליפת המוח המוטורית עכברוש

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

אנחנו הראו כי השרשה microelectrode של קליפת המוח המוטורית של חולדות גורמת גירעונות מנוע מידיים וקבועים. השיטות המוצע במסמך זה לרמות ניתוח ההשתלה microelectrode, שלוש פעילויות התנהגותיות מכרסמים התירי פוטנציאל לשינויים בתפקוד המוטורי בסדר או דוחה עקב פגיעה הנגרמת-השרשה קליפת המוח המוטורית.

Abstract

מכשור רפואי מושתל במוח החזק פוטנציאל עצום. כחלק ממערכת המוח המכונה ממשק (BMI), intracortical microelectrodes להפגין את היכולת להקליט פוטנציאל פעולה מקבוצות בודדים או קטן של נוירונים. אותות שהוקלט כזה בהצלחה שימשו כדי לאפשר למטופלים ממשק עם או לשלוט מחשבים הגפיים רובוטיות, הגפיים משלהם. אולם, מחקרים קודמים שנעשו בבעלי חיים הראו כי ההשתלה microelectrode במוח לא רק פוגעת הרקמה שמסביב אבל יכול גם לגרום גירעונות פונקציונלי. כאן, אנו נדון סדרת מבחנים התנהגותיים לכמת פוטנציאליים ליקויים מוטוריים בעקבות ההשתלה של intracortical microelectrodes לתוך קליפת המוח המוטורית של חולדה. השיטות רשת השדה פתוח, מעבר הסולם של בדיקות חוזק אחיזה מספקים מידע רב ערך לגבי סיבוכים פוטנציאליים הנובע השרשה microelectrode. תוצאות בדיקה התנהגותית נמצאים בקורלציה עם היסטולוגיה קצה, מתן מידע נוסף על תוצאות פתולוגיים ועל ההשפעות של הליך זה על הרקמות הסמוכות.

Introduction

Intracortical microelectrodes שימשו במקור כדי למפות את המעגלים של המוח, פיתחנו כלי חשוב כדי לאפשר הגילוי של כוונות מוטורית אשר יכול לשמש כדי לייצר תפוקות פונקציונלי1. פלטי פונקציונלי שזוהו יכול להציע אנשים הסובלים פגיעות בעמוד השדרה, שיתוק מוחין, נוירודגנרטיביות (ALS) או תנאים אחרים הגבלת תנועה הפקד של המחשב הסמן2,3 או רובוטית זרוע4,5,6, או לשקם את תפקוד האיבר בעלי מוגבלויות משלהם7. לכן, intracortical microelectrode הטכנולוגיה התפתחה חברה מבטיחה וגדל במהירות שדה8.

בשל ההצלחות ראיתי בשטח, מחקרים קליניים נערכים כדי לשפר ולהבין טוב יותר את האפשרויות של ה-BMI טכנולוגיה5,9,10. על-ידי מימוש הפוטנציאל המלא של תקשורת עם הנוירונים במוח, היישומים שיקום נתפסים בלתי מוגבלות8. למרות שיש הרבה אופטימיות לעתיד של טכנולוגיית intracortical microelectrode, הוא גם ידוע כי microelectrodes בסופו של דבר להיכשל11, כנראה עקב מענה neuroinflammatory חריפה בעקבות ההשתלה. ההשתלה של חומר זר במוח גורמת נזק מיידי הרקמה שמסביב וגורם נזק נוסף נגרם על-ידי התגובה neuroinflammatory משתנה בהתאם למאפיינים של השתל12. בנוסף, שתל במוח עלולה לגרום אפקט microlesion: ירידה בחילוף החומרים של גלוקוז חשבו נגרמת על ידי בצקת חריפה, דימום עקב הכניסה המכשיר13. יתר על כן, את איכות האות ואת אורך הזמן שבו ניתן להקליט אותות שימושי אינם עקביים, ללא קשר15,1614,11,המודל החייתי. מספר מחקרים הוכיחו את הקשר בין neuroinflammation ו microelectrode ביצועים17,18,19. לכן, הקונצנזוס של הקהילה היא כי התגובה דלקתית של הרקמה העצבית המקיף את microelectrodes, לפחות בחלקו, פוגעת אלקטרודה אמינות.

מחקרים רבים בחנו דלקת מקומית11,20,21,22 או חקר שיטות לצמצום הנזק במוח שנגרם על-ידי ההוספה11,23, 24,25, עם מטרה של שיפור הביצועים הקלטה מעל הזמן14,26. בנוסף, אנחנו לאחרונה הראו כי פציעה iatrogenic נגרמת על ידי הכניסה microelectrode של קליפת המוח המוטורית של חולדות גורמת מידיים וקבועים גירעון המנוע בסדר27. לכן, המטרה של הפרוטוקולים המובאת כאן היא לתת חוקרים שיטה כמותית כדי להעריך את הגירעונות מנוע אפשרי עקב טראומה מוחית בעקבות ההשתלה ונוכחות מתמיד של מכשירים intracortical (microelectrodes, במקרה של כתב יד זה). הבדיקות ההתנהגות המתוארים כאן נועדו לבדוק שני ליקויים בתפקוד המוטורי וגסה, ניתן להשתמש במודלים שונים של פגיעה מוחית. שיטות אלה הן פשוט, לשחזור, ניתן ליישם בקלות במודל של מכרסמים. עוד, השיטות המובאות כאן מאפשרים התאמה של התנהגות מוטורית לתוצאות היסטולוגית, יתרון כי עד לאחרונה, המחברים לא ראיתי שפורסם בתחום ה-BMI. לבסוף, כמו שיטות אלה נועדו לבחון המוטורית בסדר28, דוחה המוטורית29ו מתח וחרדה התנהגות29,30, השיטות המובאות כאן ניתן גם ליישם לתוך מגוון הדגמים פגיעת הראש שבו החוקרים רוצה לשלוט החוצה (או) כל גירעונות המוטורית.

Protocol

כל נהלים ושיטות טיפול בבעלי חיים היו שאושרו על-ידי וביצע בהתאם לואי סטוקס קליבלנד המחלקה של ותיקי לענייני מרכז מוסדי חיה טיפול רפואי ושימוש ועדות. הערה: לחנך חוקרים את ההחלטה אודות השימוש של מודל פציעה דקירה כפקד, מומלץ לסקור את העבודה שנעשתה על ידי פוטר. et al. 21…

Representative Results

באמצעות השיטות המובאות כאן, ניתוח ההשתלה microelectrode של קליפת המוח המוטורית הוא השלים הבאים נהלים הקים39,40,41,42, ואחריו לבדוק רשת בשטח פתוח כדי להעריך את דוחה המוטורית ואת הסולם ואת האחיזה כוח בדיקות כדי להע…

Discussion

פרוטוקול שמפורטות כאן שימש למדוד ביעילות, reproducibly גירעון המנוע בסדר וגם מגעיל במודל של פגיעה מוחית מכרסמים. בנוסף, היא מאפשרת הקורלציה של התנהגות מוטורית בסדר לתוצאות היסטולוגית בעקבות ההשתלה microelectrode של קליפת המוח המוטורית. השיטות הן קל לעקוב, זולה להגדיר, יכול להיות שונה כדי להתאים את הצר…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

מחקר זה נתמך בחלקו על ידי את הסקירה למלגות #B1495-R (Capadona) ופרס את הקריירה מוקדם לנשיאות מדען ומהנדסים (PECASE, Capadona) של ארצות הברית (ארה ב) המחלקה של ותיקי לענייני שיקום המחקר, פיתוח שירות. בנוסף, עבודה זו נתמכה בחלקה ליד המשרד של העוזר למזכיר ההגנה לענייני בריאות דרך עמית שנסקרו רפואי מחקר התוכנית תחת מס פרס W81XWH-15-1-0608. התכנים אינם מייצגים את נופי המחלקה לענייני חיילים משוחררים ארה ב או ממשלת ארצות הברית. המחברים רוצה להודות ד ר הירויוקי אראקאווה בתוך ליבת ההתנהגות CWRU מכרסם להדרכה שלו בתכנון וביצוע בדיקות נוהלי התנהגות מכרסמים. המחברים רוצה גם להודות דרייק ג’יימס קווין טלבוט CWRU מחלקה של מכונות, הנדסת אווירונאוטיקה על עזרתם ב עיצוב וייצור הבדיקה הסולם מכרסמים.

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

Riferimenti

  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

RodentBehavioral TestingFunctional DeficitsMicroelectrode ImplantationRat Motor CortexNeural EngineeringMotor FunctionSurgical ProcedureStereotaxic FrameCephalosporin AntibioticBupivacaineBetadineCyanoacrylateDental CementDuraMotor CortexForepaw Movement

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
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).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image