Roditore comportamentali test per valutare deficit funzionali causati da microelettrodo impianto nella corteccia di motore del ratto
Summary
Abbiamo dimostrato che l’impianto di un microelettrodo nella corteccia motoria dei ratti provoca deficit motori immediato e duraturo. I metodi proposti nel presente documento muta una chirurgia di impianto microelettrodo e tre mansioni comportamentistiche roditore per delucidare potenziali cambiamenti nella funzione motoria fine o lordo dovuto l’impianto-ha causato danni alla corteccia di motore.
Abstract
Dispositivi medici impiantati nel cervello, che un potenziale enorme. Come parte di un sistema di Brain Machine Interface (BMI), microelettrodi intracorticali dimostrano la capacità di registrare i potenziali di azione da individui o piccoli gruppi di neuroni. Tali segnali registrati sono stati utilizzati con successo per permettere ai pazienti di interfaccia con o controllare computer, arti robotici e le proprie membra. Tuttavia, studi sugli animali precedenti hanno indicato che un impianto microelettrodo nel cervello non solo danneggia il tessuto circostante, ma può anche causare i deficit funzionali. Discutiamo qui, una serie di test comportamentali per quantificare il potenziale motorie dopo l’impianto di microelettrodi intracorticali nella corteccia motoria di un ratto. I metodi per campo aperto griglia, incrocio di scaletta e presa forza test forniscono informazioni preziose per quanto riguarda le complicazioni potenziali derivanti da un impianto di microelettrodo. I risultati dei test comportamentali sono correlati con l’istologia dell’endpoint, fornire informazioni aggiuntive sugli esiti patologici e le ripercussioni di questa procedura il tessuto adiacente.
Introduction
Microelettrodi intracorticali erano originariamente utilizzati per mappare i circuiti del cervello e si sono sviluppati in un prezioso strumento per abilitare il rilevamento delle intenzioni motore che può essere usato per produrre uscite funzionale1. Rilevati uscite funzionali in grado di offrire gli individui affetti da lesioni del midollo spinale, paralisi cerebrale, sclerosi laterale amiotrofica (ALS) o altre condizioni di movimento-limitare il controllo di un computer cursore2,3 o robotizzato braccio4,5,6, o ripristinare il funzionamento proprio arto disabili7. Di conseguenza, tecnologia intracortical microelettrodo è emerso come un promettente e in rapida crescita campo8.
Dovuto i successi visti nel campo, gli studi clinici sono in corso per migliorare e comprendere meglio le possibilità di BMI tecnologia5,9,10. Realizzando il pieno potenziale della comunicazione con i neuroni nel cervello, le applicazioni di riabilitazione sono percepite come illimitate8. Anche se c’è grande ottimismo per il futuro della tecnologia intracortical microelettrodo, è anche ben noto che microelettrodi infine non11, probabilmente a causa di una risposta acuta neuroinfiammatorie dopo impianto. L’impianto di un materiale straniero nel cervello provoca danni immediati al tessuto circostante e conduce ad ulteriori danni causati dalla risposta neuroinfiammatorie che varia a seconda delle proprietà dell’ impianto12. Inoltre, un impianto nel cervello può causare un effetto di microlesioni: una riduzione nel metabolismo del glucosio pensato per essere causato da edema acuto e l’emorragia dovuto il dispositivo inserimento13. Inoltre, la qualità del segnale e la lunghezza del tempo che segnali utili possono essere registrati sono incoerenti, indipendentemente dal modello animale11,14,15,16. Parecchi studi hanno dimostrato il collegamento tra neuroinflammation e microelettrodo prestazioni17,18,19. Pertanto, il consenso della Comunità è che la risposta infiammatoria del tessuto neurale che circonda i microelettrodi, almeno in parte, compromette la affidabilità di elettrodo.
Molti studi hanno esaminato l’infiammazione locale11,20,21,22 o esplorato metodi per ridurre i danni al cervello causati da inserimento11,23, 24,25, con l’obiettivo di migliorare le prestazioni di registrazione sopra tempo14,26. Inoltre, abbiamo recentemente dimostrato che una lesione iatrogenica causata da un inserimento di microelettrodi nella corteccia motoria dei ratti provoca un deficit motorio fine immediato e duraturo27. Pertanto, lo scopo dei protocolli qui presentato è quello di dare ai ricercatori un metodo quantitativo per valutare possibili deficit motori come conseguenza del trauma del cervello seguendo l’impianto e la persistente presenza di dispositivi intracortical (microelettrodi nella caso di questo manoscritto). I test di comportamento descritti qui sono stati progettati per prendere in giro fuori entrambi danni di funzione di motore lordo e bene e possono essere utilizzati in molti modelli di danno cerebrale. Questi metodi sono semplice, riproducibile e possono essere facilmente implementati in un modello del roditore. Ulteriormente, i metodi qui presentati consentono una correlazione del comportamento del motore ai risultati istologici, un beneficio che fino a poco tempo fa, gli autori non hanno visto pubblicato nel campo BMI. Infine, come questi metodi sono stati progettati per testare la funzione motoria fine28, la funzione di motore lordo29e lo stress e l’ansia comportamento29,30, i metodi qui presentati possono essere implementati anche in un varietà di modelli di lesione alla testa dove i ricercatori vogliono regola fuori (o in) qualsiasi deficit di funzione motoria.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo descritto qui è stato utilizzato in modo efficace e riproducibile misura grossolana e fine deficit motorio in un modello del roditore cranico. Inoltre, consente la correlazione di comportamento motorio fine ai risultati istologici dopo un impianto microelettrodo nella corteccia motoria. I metodi sono facili da seguire, poco costoso da impostare e possono essere modificati per adattarsi alle esigenze individuali di un ricercatore. Ulteriormente, la prova del comportamento non causa grande stress o dolore ag…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato in parte sostenuto dal premio di merito recensione #B1495-R (Capadona) e il premio alla carriera precoce presidenziale per scienziato e ingegneri (PECASE, Capadona) dal dipartimento Stati Uniti (US) di Veterans Affairs riabilitazione ricerca e Servizio di sviluppo. Inoltre, questo lavoro è stato supportato in parte dall’ufficio di assistente segretario della difesa per gli affari di salute attraverso il Peer recensione di programma di medica ricerca sotto Premio Nr. W81XWH-15-1-0608. I contenuti non rappresentano le opinioni di l’US Department of Veterans Affairs o di governo degli Stati Uniti. Gli autori vorrei ringraziare Dr. Hiroyuki Arakawa nel nucleo di comportamento del roditore CWRU per la sua guida nella progettazione e test del roditore protocolli comportamentali. Gli autori inoltre ringraziare James Drake e Kevin Talbot dalla CWRU dipartimento di meccanica e ingegneria aerospaziale per il loro aiuto nella progettazione e produzione la prova scaletta del roditore.
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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