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

Gnagare beteendemässiga tester för att bedöma funktionella underskott orsakad av mikroelektrod implantationen i Rat Motor Cortex

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

Vi har visat att en mikroelektrod implantation i motor cortex av råttor orsakar omedelbar och varaktig motor underskott. Metoderna som föreslås häri disposition en mikroelektrod implantation kirurgi och tre gnagare beteendemässiga uppgifter att belysa potentiella förändringar i den fin eller grov motorik på grund av implantation-orsakade skador på motoriska cortex.

Abstract

Medicintekniska produkter som implanteras i hjärnan håller enorm potential. Som en del av ett system för hjärnan Machine Interface (BMI) Visa intracortical mikroelektroder förmåga att registrera handlingspänningar från enskilda eller små grupper av nervceller. Sådana inspelade signaler har framgångsrikt använts för att tillåta patienter att gränssnitt med eller styra datorer, robotic lemmar och deras egna lemmar. Dock har tidigare djurstudier visat att en mikroelektrod implantation i hjärnan inte bara skadar omgivande vävnad, men kan också resultera i funktionella underskott. Här diskuterar vi en serie beteendemässiga tester kvantifiera potentiella motoriska funktionsnedsättningar efter implantation av intracortical mikroelektroder i motor cortex av en råtta. Metoderna för öppen fältrutnätet, stege korsning och grepp styrka tester ger värdefull information om de komplikationer som följd av en mikroelektrod implantation. Resultaten av den beteendemässiga testning är korrelerade med endpoint histologi, att tillhandahålla ytterligare information om patologiska resultaten och effekterna av detta förfarande på intilliggande vävnad.

Introduction

Intracortical mikroelektroder användes ursprungligen för att kartlägga kretsen av hjärnan, och har utvecklats till ett värdefullt verktyg för att möjliggöra detektion av motor avsikter som kan användas för att producera funktionella utgångar1. Identifierade funktionella utgångar kan erbjuda individer lider ryggmärgsskador, cerebral pares, amyotrofisk lateralskleros (ALS) eller andra rörelse-begränsande villkor kontroll av en dator markören2,3 eller robotic arm4,5,6, eller återställa funktionen i sina egna funktionshinder lem7. Intracortical mikroelektrod teknik har därför vuxit fram som en lovande och snabbt växande fält8.

På grund av framgångarna sett i fältet, pågår kliniska studier för att förbättra och bättre förstå möjligheterna till BMI teknik5,9,10. Genom att inse den fulla potentialen av kommunikation med nervceller i hjärnan, uppfattas programmen rehabilitering som gränslös8. Även om det finns stor optimism för framtidens intracortical mikroelektrod teknik, är det också välkänt att mikroelektroder så småningom misslyckas11, möjligen på grund av en akut neuroinflammatoriska svar efter implantation. Implantation av främmande material i hjärnan leder till omedelbara skador på omgivande vävnad och leder till ytterligare skador som orsakats av den neuroinflammatoriska svar som varierar beroende på egenskaper hos implantatet12. Dessutom ett implantat i hjärnan kan orsaka en microlesion effekt: en minskning av glukosmetabolism tros orsakas av akut ödem och blödningar på grund av den enhe införande13. Dessutom är signalkvaliteten och längden av tid som användbara signaler kan registreras inkonsekvent, oavsett de djurmodell11,14,15,16. Flera studier har visat sambandet mellan neuroinflammation och mikroelektrod prestanda17,18,19. Konsensus av gemenskapen därför att den inflammatoriska reaktionen av neural vävnad som omger mikroelektroder, åtminstone delvis, äventyrar elektrod tillförlitlighet.

Många studier har undersökt lokal inflammation11,20,21,22 eller utforskat metoder för att minska skador till hjärnan orsakad av införande11,23, 24,25, med målet att förbättra inspelning prestanda över tid14,26. Vi har dessutom nyligen visat att en iatrogen skada som orsakas av en mikroelektrod isättning i motor cortex hos råttor orsakar en omedelbar och varaktig fina motor underskott27. Därför, syftet med de protokoll som presenteras här är att ge forskare en kvantitativ metod för att bedöma möjliga motor underskott till följd av hjärnan trauma efter implantation och ihållande närvaro av intracortical enheter (mikroelektroder i den fall av detta manuskript). De beteende-prov som beskrivs här var utformade för att locka fram både grov och fin motorik försämringar, och kan användas i många modeller av hjärnskada. Dessa metoder är okomplicerad, reproducerbar och kan enkelt implementeras i en gnagare modell. Dessutom möjliggör de metoder som presenteras här en korrelation på motoriska beteende till histologiska resultat, en förmån som tills nyligen, författarna inte har sett publicerade i fältet BMI. Slutligen, eftersom dessa metoder var avsedd att testa fina motorik28, grov motorik29och stress och ångest beteende29,30, de metoder som presenteras här kan också implementeras i en mängd huvudskada modeller där forskarna vill härska ut (eller in) motorik underskott.

Protocol

Alla förfaranden och djurvård praxis godkändes av och utförs i enlighet med Louis Stokes Cleveland institutionen av veteraner frågor medicinska Center institutionella djur vård och användning kommittéer. Obs: För att utbilda forskare på beslutet om användningen av ett hugg skada modell som en kontroll, det rekommenderas att granska det arbete som Potter o.a. 21. 1. mikroelektrod Implantation kirurgiskt ingrepp <…

Representative Results

Med hjälp av metoder som presenteras här, är en mikroelektrod implantation kirurgi i motor cortex slutfört följande etablerade förfaranden39,40,41,42, följt av öppna fältprovning rutnät för att bedöma grov motorik och stege och grepp fungera styrka tester för att bedöma den fina motorn27. Motorisk funktion testning var ifyll…

Discussion

Protokollet som beskrivs här har använts effektivt och reproducibly mäta både fina och brutto motoriska underskott i en modell av gnagare hjärnskada. Det möjliggör dessutom korrelationen av fina motoriska beteende till histologiska resultat efter en mikroelektrod implantation i motor cortex. Metoderna är lätta att följa, billig att ställa in, och kan ändras för att passa en forskares enskilda behov. Ytterligare, beteende testning inte orsakar stor stress eller smärta djur. Forskarna tror snarare, djuren vä…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denna studie stöddes delvis av Merit i Award #B1495-R (Capadona) och utmärkelsen Presidential tidiga karriär för forskare och ingenjörer (PECASE, Capadona) från Förenta staterna (USA) Avdelningen för veteraner frågor rehabilitering analys och Utveckling Service. Dessutom stöddes detta arbete delvis av kontoret av den biträdande sekreteraren av försvar för hälsa frågor genom Peer recenserade medicinsk forskningsprogram under Award nr W81XWH-15-1-0608. Innehållet representerar inte åsikter US Department of Veterans Affairs eller Förenta staternas regering. Författarna vill tacka Dr Hiroyuki Arakawa i CWRU gnagare beteende kärna för hans vägledning i utformningen och gnagare beteendemässiga testprotokoll. Författarna vill även tacka James Drake och Kevin Talbot från CWRU institutionen av mekaniska och flygteknik för deras hjälp med att designa och tillverka gnagare stege testet.

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