Sistema de Gravação Eletroencefalográfica de Baixo Custo Combinado com uma Bobina de Tamanho Milimétrico para Estimular Transcranialmente o Cérebro de Camundongos In Vivo
Summary
Um sistema de registro eletrencefalográfico de baixo custo combinado com uma bobina de tamanho milimétrico é proposto para conduzir a estimulação magnética transcraniana do cérebro de camundongos in vivo. Usando eletrodos de parafuso convencionais com um substrato multieletrodo personalizado, flexível e com arranjo de eletrodos, o registro multi-site pode ser realizado a partir do cérebro de camundongos em resposta à estimulação magnética transcraniana.
Abstract
Um sistema de registro eletroencefalográfico (EEG) de baixo custo é proposto aqui para conduzir a estimulação magnética transcraniana (EMT) do cérebro de camundongos in vivo, utilizando uma bobina de tamanho milimétrico. Usando eletrodos de parafuso convencionais combinados com um substrato de matriz multieletrodos flexível, flexível e feito sob medida, a gravação em vários locais pode ser realizada a partir do cérebro do camundongo. Além disso, explicamos como uma bobina de tamanho milimétrico é produzida usando equipamentos de baixo custo normalmente encontrados em laboratórios. Também são apresentados procedimentos práticos para a confecção do substrato flexível multieletrodo array e a técnica cirúrgica de implante de eletrodos de parafuso, necessários para produzir sinais de EEG de baixo ruído. Embora a metodologia seja útil para o registro a partir do cérebro de qualquer pequeno animal, o presente relato se concentra na implementação de eletrodos em um crânio de camundongo anestesiado. Além disso, este método pode ser facilmente estendido a um pequeno animal acordado que é conectado com cabos amarrados através de um adaptador comum e fixado com um dispositivo TMS na cabeça durante a gravação. A presente versão do sistema EEG-TMS, que pode incluir no máximo 32 canais de EEG (um aparelho com 16 canais é apresentado como exemplo com menos canais) e um dispositivo de canal de EMT, é descrita. Além disso, resultados típicos obtidos pela aplicação do sistema EEG-TMS em camundongos anestesiados são brevemente relatados.
Introduction
A estimulação magnética transcraniana (EMT) é uma ferramenta promissora para a ciência do cérebro humano, aplicação clínica e pesquisa de modelos animais devido à sua não/baixa invasividade. Durante o estágio inicial das aplicações da EMT, a medida do efeito cortical em resposta à EMT de pulso único e pareado em humanos e animais foi restrita ao córtex motor; a produção facilmente mensurável limitou-se aos potenciais evocados motores e aos potenciais mioelétricos induzidos envolvendo o córtex motor 1,2. Para expandir as regiões cerebrais que podem ser medidas pela modulação da EMT, o registro eletroencefalográfico (EEG) foi integrado à EMT de pulso único e pareado como um método útil para examinar diretamente a excitabilidade, conectividade e dinâmica espaço-temporal de áreas em todo o cérebro 3,4,5. Assim, a aplicação simultânea do registro de EMT e EEG (EMT-EEG) ao cérebro tem sido usada para sondar várias áreas corticais superficiais cerebrais de humanos e animais para investigar circuitos neurais intracorticais (ver Tremblay et al.6). Além disso, os sistemas TMS-EEG podem ser usados para examinar características espaço-temporais corticais adicionais, incluindo a propagação de sinais para outras áreas corticais e a geração de atividade oscilatória 7,8.
No entanto, o mecanismo de ação da EMT no cérebro permanece especulativo devido à não invasividade da EMT, o que limita nosso conhecimento de como o cérebro funciona durante as aplicações da EMT. Portanto, estudos translacionais invasivos em animais desde roedores até humanos são de fundamental importância para a compreensão do mecanismo dos efeitos da EMT sobre os circuitos neurais e sua atividade. Em particular, para experimentos combinados de EMT-EEG em animais, um sistema de estimulação e medição simultâneas não foi desenvolvido intensivamente para pequenos animais. Portanto, experimentalistas são obrigados a construir tal sistema por tentativa e erro de acordo com suas exigências experimentais específicas. Além disso, modelos de camundongos são úteis entre outros modelos de espécies animais in vivo , pois muitas linhagens de camundongos transgênicos e isolados de cepas estão disponíveis como recursos biológicos. Assim, um método conveniente para construir um sistema de medição combinado EMT-EEG para camundongos seria desejável para muitos pesquisadores da neurociência.
Este estudo propõe um método combinado EMT-EEG que pode ser aplicado para estimulação e gravação simultâneas do cérebro de camundongos, que é o principal tipo de animal transgênico usado em pesquisas, e que pode ser facilmente construído em laboratórios típicos de neurociência. Primeiro, um sistema de registro de EEG de baixo custo é descrito usando eletrodos de parafuso convencionais e um substrato flexível para atribuir de forma reprodutível uma posição de arranjo de eletrodos em cada experimento. Em segundo lugar, um sistema de estimulação magnética é construído usando uma bobina de tamanho milimétrico, que pode ser facilmente feita sob medida em laboratórios típicos. Terceiro, o sistema combinado EMT-EEG registra a atividade neural em resposta à estimulação sonora e magnética. O método apresentado neste estudo pode revelar os mecanismos que geram distúrbios específicos em pequenos animais, e os resultados obtidos nos modelos animais podem ser traduzidos para a compreensão dos distúrbios humanos correspondentes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este estudo aborda um sistema de registro de EEG multi-site combinado com um sistema de estimulação magnética projetado para pequenos animais, incluindo camundongos. O sistema construído é de baixo custo e fácil construção em laboratórios fisiológicos, podendo estender suas configurações de medição existentes. O procedimento cirúrgico necessário para obter dados do sistema de gravação do mouse é profundamente simples se esses laboratórios tiverem experiência prévia com experimentos eletrofisiológic…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Murata Science Foundation, Suzuken Memorial Foundation, Nakatani Foundation for Advancement of Measuring Technologies in Biomedical Engineering, e um Grant-in-Aid for Exploratory Research (grant number 21K19755, Japão) e for Scientific Research (B) (grant number 23H03416, Japan) para T.T.
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
- Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
- Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
- Thut, G., Pascual-Leone, A. Integrating TMS with EEG: How and what for. Brain Topography. 22 (4), 215-218 (2010).
- Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topograpy. 22 (4), 233-248 (2010).
- Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Radhu, N., Fitzgerald, P. B. Combined transcranial magnetic stimulation and electroencephalography: its past, present and future. Brain Research. 1463, 93-107 (2012).
- Tremblay, S., et al. Clinical utility and prospective of TMS-EEG. Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).
- Pellicciari, M. C., Veniero, D., Miniussi, C. Characterizing the cortical oscillatory response to TMS pulse. Frontiers in Cellular Neuroscience. 11, 38 (2017).
- Lin, Y. J., Shukla, L., Dugue, L., Valero-Cabre, A., Carrasco, M. Transcranial magnetic stimulation entrains alpha oscillatory activity in occipital cortex. Scientific Reports. 11 (1), 18562 (2021).
- Takahashi, S., et al. Laminar responses in the auditory cortex using a multielectrode array substrate for simultaneous stimulation and recording. IEEJ Transactions Electrical and Electronic Engineering. 14 (2), 303-311 (2019).
- Yoshikawa, T., Higuchi, H., Furukawa, R., Tateno, T. Temporal and spatial profiles of evoked activity induced by magnetic stimulation using millimeter-sized coils in the mouse auditory cortex in vivo. Brain Research. 1796, 148092 (2022).
- Tang, A. D., et al. Construction and evaluation of rodent-specific rTMS coils. Frontiers in Neural Circuits. 10, 47 (2016).
- Li, L. Controlling annealing and magnetic treatment parameters to achieve high permeabilities in 55 Ni-Fe toroid cores. IEEE Transactions on Magnetics. 37 (4), 2315-2317 (2001).
