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

Грызун поведенческое тестирование оценить функциональные дефициты, вызванные микроэлектродные имплантации в моторной коры крыса

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

Мы показали, что микроэлектродные имплантации в моторной коры крыс вызывает немедленное и прочное моторного дефицита. Наброски здесь предложены методы, хирургия имплантации микроэлектродные и три грызунов поведенческих задач для выяснения возможных изменений в штраф или грубой моторной функции имплантации вызвало повреждение моторной коры.

Abstract

Медицинские приборы, имплантированных в мозг провести огромный потенциал. В рамках системы мозга машина интерфейс (BMI) intracortical микроэлектродов продемонстрировать способность записать потенциалы действия отдельных лиц или небольших групп нейронов. Такие записанные сигналы были использованы успешно разрешить пациентам интерфейс с или управлять компьютерами, Роботизированная конечностей и их собственных конечностей. Однако предыдущие исследования на животных показали, что микроэлектродные имплантации в мозге не только повреждений окружающих тканей, но также может привести к функциональным дефицита. Здесь мы обсуждаем ряд поведенческих тестов для количественной оценки потенциальных моторных дефектов после имплантации intracortical микроэлектродов на моторной коры крысы. Методы для открытого поля сетки, лестница пересечения и сцепление прочность тестирования предоставляют ценную информацию о возможных осложнений в результате имплантации микроэлектродные. Результаты поведенческих тестирования соотносятся с конечной гистологии, предоставляющих дополнительную информацию о патологических результатов и воздействия этой процедуры на соседние ткани.

Introduction

Intracortical микроэлектродов первоначально были использованы для сопоставления схемы мозга и превратились в ценный инструмент для обнаружения мотор намерений, которые могут быть использованы для производства функциональных мероприятий1. Обнаруженные функциональных мероприятий может предложить лиц, страдающих от травм спинного мозга, ДЦП, боковой амиотрофический склероз (ALS) или других условий, ограничивающих движение контроль компьютер курсор2,3 или роботизированной рука4,5,6, или восстановить их собственных инвалидов конечности7функция. Таким образом intracortical микроэлектродные технология стала перспективное и быстро растущей области8.

Из-за успехи в области проводятся клинические исследования совершенствовать и лучше понять возможности BMI технологии5,9,10. Реализуя потенциал связи с нейронов в головном мозге, реабилитации приложений воспринимаются как безграничные8. Хотя есть большой оптимизм в отношении будущего intracortical микроэлектродные технологии, это также хорошо известно, что микроэлектродов в конечном итоге не11, возможно из-за острого neuroinflammatory ответ, после имплантации. Имплантация иностранных материалов в мозге приводит к немедленному повреждения окружающих тканей и приводит к дальнейшего ущерба, причиненного в ответ neuroinflammatory, который варьируется в зависимости от свойств имплантат12. Кроме того, имплантант в мозг может вызвать эффект microlesion: снижение метаболизма глюкозы, как считается, быть вызваны острый отек и кровотечение из-за вставки устройства13. Кроме того качество сигнала и продолжительность времени, которое полезно сигналы могут быть записаны несовместимы, независимо от модели на животных11,14,,1516. Несколько исследований показали связь между neuroinflammation и микроэлектродные производительности17,18,19. Таким образом консенсус сообщества является, что воспалительной реакции нервной ткани, которая окружает микроэлектродов, по крайней мере частично, подрывает надежность электрода.

Многие исследования изучены местные воспаления11,20,,2122 или изучить методы для уменьшения повреждения головного мозга, вызванные вставки11,23, 24,25, с целью повышения эффективности записи за время14,26. Кроме того мы недавно показали, что ятрогенной травмы, вызванные микроэлектродные вставки в моторной коры крыс вызывает немедленное и прочное тонкой моторные дефицит27. Таким образом, протоколов, представленные здесь призвана дать исследователям количественный метод для оценки возможного моторного дефицита в результате травмы головного мозга после имплантации и постоянное присутствие intracortical устройств (микроэлектродов в в случае этой рукописи). Поведение тесты, описанные здесь были разработаны дразнить из обоих нарушениями общей и мелкой моторики и может использоваться во многих моделях черепно-мозговой травмы. Эти методы являются простым, воспроизводимые и может быть легко реализован в модели грызунов. Кроме того представленные здесь методы позволяют корреляции моторного поведения гистологические результаты, выгоды, которые до недавнего времени не видели авторы опубликованных в поле BMI. Наконец, как эти методы были разработаны для проверки тонкой моторики28, грубые двигательные функции29и стресса и тревоги поведение29,30, представленные здесь методы могут также осуществляться в разнообразие моделей травмы головы, где исследователи хотят правило (или) любой дефицит двигательной функции.

Protocol

Все процедуры и практики ухода за животными были одобрены и выполнены в соответствии с Луи Стокса Кливленд Департамента из ветеранов дел медицинский центр институциональных Уход за животными и использования комитетов. Примечание: Воспитывать исследователей на решение…

Representative Results

С использованием представленные здесь методы, микроэлектродные хирургия имплантации в моторной коры – завершенных следующих установленных процедур39,40,41,42, следуют открытые поля сетки тестировани…

Discussion

Протокол, изложенные здесь был использован для герметизации и эффективно измерить мелкой и крупной моторного дефицита в модели грызунов черепно-мозговой травмы. Кроме того она позволяет для корреляции тонкой моторного поведения гистологические результаты после имплантации микроэле…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование было поддержано в части обзора заслуги #B1495-R (Capadona) и премии президента ранней карьеры для ученых и инженеров (PECASE, Capadona) от Соединенных Штатов Америки (США) Отдел ветеранов вопросам реабилитации исследований и Служба развития. Кроме того эта работа частично поддерживалась Управлением из помощника министра обороны по вопросам здравоохранения через Peer обзор медицинских исследований программы под № премии W81XWH-15-1-0608. Содержимое не представляют взгляды Департамента США по делам ветеранов или правительства Соединенных Штатов. Авторы хотели бы поблагодарить Доктор Хироюки Arakawa в ядре поведение грызунов КЕЙЗА за его руководство в разработке и грызунов поведенческих протоколы испытаний. Авторы также хотели бы поблагодарить Джеймса Дрейк и Кевин Talbot от КЕЙЗА Департамент механической и аэрокосмической инженерии за их помощь в проектировании и производстве теста грызунов лестница.

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

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

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