생체 내에서 마우스 뇌를 경두개로 자극하기 위해 밀리미터 크기의 코일과 결합된 저비용 뇌파 기록 시스템
Summary
밀리미터 크기의 코일과 결합된 저비용 뇌파 기록 시스템은 생체 내에서 마우스 뇌의 경두개 자기 자극을 유도하기 위해 제안되었습니다. 맞춤형의 유연한 다중 전극 어레이 기판이 있는 기존의 나사 전극을 사용하여 경두개 자기 자극에 대한 반응으로 마우스 뇌에서 다중 부위 기록을 수행할 수 있습니다.
Abstract
밀리미터 크기의 코일을 사용하여 생체 내에서 마우스 뇌의 경두개 자기 자극(TMS)을 구동하기 위해 저비용 뇌파(EEG) 기록 시스템이 여기에서 제안됩니다. 맞춤형의 유연한 다중 전극 어레이 기판과 결합된 기존의 나사 전극을 사용하여 마우스 뇌에서 다중 부위 기록을 수행할 수 있습니다. 또한 실험실에서 흔히 볼 수 있는 저비용 장비를 사용하여 밀리미터 크기의 코일을 생산하는 방법을 설명합니다. 플렉서블 다중전극 어레이 기판을 제조하기 위한 실용적인 절차와 저잡음 EEG 신호를 생성하는 데 필요한 나사 전극의 외과적 주입 기술도 제시됩니다. 이 방법론은 작은 동물의 뇌에서 기록하는 데 유용하지만 현재 보고서는 마취된 마우스 두개골의 전극 구현에 중점을 둡니다. 또한, 이 방법은 공통 어댑터를 통해 테더링된 케이블로 연결되고 녹음 중에 TMS 장치로 머리에 고정되는 깨어 있는 작은 동물로 쉽게 확장할 수 있습니다. 최대 32개의 EEG 채널(예: 16개의 채널을 가진 장치가 더 적은 채널을 갖는 장치가 제시됨)과 하나의 TMS 채널 장치를 포함할 수 있는 EEG-TMS 시스템의 현재 버전에 대해 설명한다. 또한 마취된 마우스에 EEG-TMS 시스템을 적용하여 얻은 일반적인 결과가 간략하게 보고됩니다.
Introduction
경두개 자기 자극(TMS)은 비침습성/낮은 침습성으로 인해 인간 뇌 과학, 임상 응용 및 동물 모델 연구를 위한 유망한 도구입니다. TMS 적용의 초기 단계에서 인간과 동물의 단일 및 쌍 펄스 TMS에 대한 반응으로 피질 효과의 측정은 운동 피질로 제한되었습니다. 쉽게 측정할 수 있는 출력은 운동 피질 1,2를 포함하는 운동 유발 전위 및 유도 근전 전위로 제한되었습니다. TMS 변조로 측정할 수 있는 뇌 영역을 확장하기 위해 뇌파(EEG) 기록은 전체 뇌 영역에 걸쳐 영역의 흥분성, 연결성 및 시공간 역학을 직접 검사하는 유용한 방법으로 단일 및 쌍 펄스 TMS와 통합되었습니다 3,4,5. 따라서 뇌에 TMS 및 EEG 기록(TMS-EEG)을 동시에 적용하는 것은 피질 내 신경 회로를 조사하기 위해 인간과 동물의 다양한 표재성 피질 뇌 영역을 조사하는 데 사용되었습니다(Tremblay et al.6 참조). 또한, TMS-EEG 시스템은 다른 피질 영역으로의 신호 전파 및 진동 활동 생성을 포함하는 추가적인 피질 시공간 특성을 검사하는 데 사용될 수 있습니다 7,8.
그러나 뇌에서 TMS의 작용 메커니즘은 TMS의 비침습성으로 인해 추측에 불과하며, 이는 TMS 적용 중에 뇌가 어떻게 기능하는지에 대한 지식을 제한합니다. 따라서 설치류에서 인간에 이르는 동물에 대한 침습적 중개 연구는 TMS가 신경 회로와 그 활동에 미치는 영향의 메커니즘을 이해하는 데 매우 중요합니다. 특히, 동물에서의 TMS-EEG 결합 실험의 경우, 작은 동물에 대한 동시 자극 및 측정 시스템이 집중적으로 개발되지 않았습니다. 따라서 실험자는 특정 실험 요구 사항에 따라 시행 착오를 통해 이러한 시스템을 구성해야합니다. 또한, 마우스 모델은 많은 형질전환 및 균주-단리된 마우스 균주가 생물학적 자원으로서 이용가능하기 때문에 다른 생체내 동물 종 모델 중에서 유용하다. 따라서 마우스를 위한 TMS-EEG 결합 측정 시스템을 구축하는 편리한 방법은 많은 신경과학 연구자들에게 바람직할 것입니다.
본 연구에서는 연구에 사용되는 형질전환 동물의 주요 유형인 쥐 뇌의 동시 자극 및 기록에 적용할 수 있고 일반적인 신경과학 실험실에서 쉽게 구축할 수 있는 TMS-EEG 결합 방법을 제안한다. 먼저, 각각의 실험에서 전극 어레이 위치를 재현 가능하게 할당하기 위해 기존의 나사 전극 및 유연한 기판을 사용하여 저비용 EEG 기록 시스템이 설명됩니다. 둘째, 자기 자극 시스템은 밀리미터 크기의 코일을 사용하여 구성되며, 이는 일반적인 실험실에서 쉽게 맞춤 제작할 수 있습니다. 셋째, TMS-EEG 결합 시스템은 소리 및 자기 자극에 대한 반응으로 신경 활동을 기록합니다. 이 연구에서 제시된 방법은 작은 동물에서 특정 장애를 유발하는 메커니즘을 밝힐 수 있으며, 동물 모델에서 얻은 결과는 해당 인간 장애를 이해하기 위해 번역될 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구는 생쥐를 포함한 작은 동물을 위해 설계된 자기 자극 시스템과 결합된 다중 사이트 EEG 기록 시스템을 다룹니다. 구축된 시스템은 비용이 저렴하고 생리학 실험실에서 쉽게 구축할 수 있으며 기존 측정 설정을 확장할 수 있습니다. 마우스 기록 시스템에서 데이터를 얻는 데 필요한 수술 절차는 이러한 실험실이 표준 전기 생리학 실험에 대한 이전 경험이 있는 경우 매우 간단합니다.
<p c…Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 무라타 과학 재단, 스즈켄 기념 재단, 나카타니 생물 의학 공학 측정 기술 발전 재단, 탐사 연구 보조금 (보조금 번호 21K19755, 일본) 및 과학 연구 (B) (보조금 번호 23H03416, 일본)의 지원을 받았습니다.
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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