ミリサイズのコイルと組み合わせた低コスト脳波記録システムにより、マウス脳をin vivoで経頭的に刺激する
Summary
di vivoでマウス脳の経頭蓋磁気刺激を駆動するために、ミリメートルサイズのコイルと組み合わせた低コストの脳波記録システムが提案されています。カスタムメイドの柔軟な多電極アレイ基板を備えた従来のスクリュー電極を使用して、経頭蓋磁気刺激に応答してマウス脳からマルチサイト記録を行うことができます。
Abstract
ここでは、ミリサイズのコイルを利用して、マウス脳の経頭蓋磁気刺激(TMS)を in vivoで 駆動するための低コストの脳波(EEG)記録システムが提案されています。従来のスクリュー電極とカスタムメイドの柔軟な多電極アレイ基板を組み合わせて、マウスの脳からマルチサイト記録を行うことができます。また、実験室でよく見かける低コストの装置でミリサイズのコイルを製造する方法についても説明します。また、低ノイズの脳波信号を生成するために必要な、フレキシブル多電極アレイ基板の実用的な製造手順とスクリュー電極の外科的移植技術も紹介します。この方法論はあらゆる小動物の脳からの記録に有用であるが、本報告では麻酔をかけたマウス頭蓋骨における電極の実装に焦点を当てている。さらに、この方法は、共通のアダプタ を介して テザーケーブルで接続され、記録中にTMS装置で頭部に固定される覚醒中の小動物に容易に拡張することができる。最大32個のEEGチャネル(16個のチャネルを有する装置がより少ないチャネルを有する例として提示される)および1つのTMSチャネル装置を含むことができるEEG−TMSシステムの本バージョンが説明される。さらに、EEG-TMSシステムを麻酔マウスに適用することによって得られた典型的な結果が簡単に報告されています。
Introduction
経頭蓋磁気刺激法(TMS)は、非侵襲性/低侵襲性のため、ヒトの脳科学、臨床応用、動物モデル研究に有望なツールです。TMSアプリケーションの初期段階では、ヒトおよび動物におけるシングルパルスおよびペアパルスTMSに応答する皮質効果の測定は、運動皮質に限定されていました。容易に測定可能な出力は、運動誘発電位および運動皮質1,2を含む誘導筋電位に限定されていた。TMS変調で測定できる脳領域を拡大するために、脳波記録(EEG)記録をシングルパルスTMSおよびペアパルスTMSと統合し、脳全体の領域の興奮性、接続性、および時空間ダイナミクスを直接調べる有用な方法として3,4,5。したがって、TMSと脳波記録(TMS-EEG)の脳への同時適用は、皮質内神経回路を調べるためにヒトおよび動物の様々な表在皮質脳領域を調査するために使用されてきた(Tremblayら6を参照)。さらに、TMS-EEGシステムを使用して、他の皮質領域への信号の伝播や振動活動の生成など、追加の皮質時空間特性を調べることができます7,8。
しかし、TMSの非侵襲性のために、脳におけるTMSの作用機序は推測のままであり、TMSの適用中に脳がどのように機能するかについての知識が制限されています。したがって、げっ歯類からヒトまでの動物を対象とした侵襲的なトランスレーショナル研究は、神経回路とその活動に対するTMSの影響のメカニズムを理解するために非常に重要です。特に、動物におけるTMS-EEG複合実験では、小動物用の同時刺激および測定システムが集中的に開発されていません。したがって、実験家は、特定の実験要件に応じて試行錯誤によってそのようなシステムを構築する必要があります。また、マウスモデルは、多くのトランスジェニックマウス系統や系統分離マウス系統が生物資源として利用可能であるため、他の in vivo 動物種モデルの中でも有用です。したがって、マウス用のTMS-EEG複合測定システムを構築するための便利な方法は、多くの神経科学研究者にとって望ましいでしょう。
本研究では、研究で用いられるトランスジェニック動物の主な種類であるマウス脳の同時刺激と記録に適用でき、一般的な神経科学研究室で容易に構築できるTMS-EEG併用法を提案します。まず、従来のスクリュー電極とフレキシブル基板を使用して、各実験で電極アレイ位置を再現性よく割り当てる低コストのEEG記録システムについて説明します。第二に、磁気刺激システムは、一般的な実験室で簡単にカスタムメイドできるミリメートルサイズのコイルを使用して構築されます。第三に、TMS-EEG複合システムは、音と磁気刺激に応答した神経活動を記録します。この研究で提示された方法は、小動物に特定の障害を引き起こすメカニズムを明らかにすることができ、動物モデルで得られた結果は、対応する人間の障害を理解するために翻訳することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
この研究は、マウスを含む小動物用に設計された磁気刺激システムと組み合わせたマルチサイトEEG記録システムに取り組んでいます。構築されたシステムは低コストで、生理学的実験室で簡単に構築でき、既存の測定セットアップを拡張できます。マウス記録システムからデータを取得するために必要な外科的手順は、そのような実験室が標準的な電気生理学的実験の経験がある場合、非常?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究は、村田科学振興財団、スズケン記念財団、中谷医工学計測技術振興財団、T.萌芽研究(課題番号21K19755)および基盤研究(B)(課題番号23H03416)の支援を受けて行われました。
Materials
| 3D printer | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | FFD-101 | The printer used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| ATROPINE SULFATE 0.5 mg | NIPRO ES PHARMA CO., LTD. | – | Atropine sulfate |
| Bipolar amplifier | NF Corp. | KIT61380 | For amplifying waveforms for coil input |
| Butorphanol | Meiji Seika Pharma Co., Ltd., Tokyo, Japan |
– | For anathesis of animals |
| Commercial manufacturer of flexible 2D array | p-ban.com Corp. | – | URL: https://www.p-ban.com/ |
| Computer prograom to analyze output signals | Natinal Instruments | NI-DAQ and NI-DAQmx Python | To analyze output signals from the hall-effect sensor |
| Connector | Harwin Inc. | G125-FV12005L0P | For connector to conect to the measuring system |
| Copper pad | p-ban.com Corp. | copper | Copper pad on each substrate |
| Copper wire | Kyowa Harmonet Ltd. | P644432 | The windings of the coil |
| DAQ board | National Instruments Corp. | USB-6343 | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| Dental cement | SHOFU INC. | Quick Resin | Self-Curing Orthodontic Resin |
| ECoG electrode | NeuroNexus Inc. | HC32 | For reference to design of the flexible 2D array |
| Epoxy resin | Konishi Co. Ltd. | #16123 | For coil construction |
| Ethyl Carbamate | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 050-05821 | For urethan anesthesia |
| Flat ribbon cable | Oki Electric Cable Co., Ltd. | FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m | For cable to connect between surface-mount connector and measuring sysytem |
| flexible substrate | p-ban.com Corp. | polyimide | Baseplate of flexible substrate |
| Function generator | NF Corp. | WF1947 | For generating waveforms for coil input |
| Hall-effect sensor | Honeywell International Inc. | SS94A2D | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| IDC crimping tool | Pro'sKit Industries Co. | 6PK-214 | To crimp the IDC and one end of the flat ribbon cable; Flat cable connector crimping tool |
| Instant glue | Konishi Co. Ltd. | #04612 | For coil construction |
| Insulation-displacement connector (IDC ) | Uxcell Japan | B07GDDG3XG | 2 × 10 pins and a 1.27 mm pitch |
| LCR meter | NF Corp. | ZM2376 | For measuring the AC properties of the coil |
| Manipulator | NARISHIGE Group. | SM-15L | For manipulating the coil |
| Medetomidine | Kobayashi Kako, Fukui, Japan | – | For anathesis of animals |
| Midazolam | Astellas Pharma, Tokyo, Japan | – | For anathesis of animals |
| Miniature screw | KOFUSEIBYO Co., Ltd. | S0.6*1.5 | For EEG-senseing and reference electrode |
| Mouse | Japan SLC, Inc. | C57BL/6J (C57BL/6JJmsSlc) | Experimental animal |
| Permalloy-45 rod | The Nilaco Corp. | 780544 | The core of the coil |
| Recording system | Plexon Inc. | OmniPlex | For EEG data acquisition |
| Stainless wire | Wakisangyo Co., Ltd. | HW-136 | For grasp by manipulator |
| Stereotaxic apparatus | NARISHIGE Group. | SR-5M-HT | To fix a mouse head |
| Surface-mount connector | Useconn Electronics Ltd. | PH127-2x10MG | For connector to mount on the flexible 2D array |
| Testing equipment (LCR meter) | NF Corp. | ZM2372 | Contact check and impedance measurements |
| White PLA filament | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | PLA-F13 | The material used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| Xylocaine Jelly 2% | Sandoz Pharma Co., Ltd. | – | lidocaine hydrochloride |
Riferimenti
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