Sistema di registrazione elettroencefalografica a basso costo combinato con una bobina di dimensioni millimetriche per stimolare transcranicamente il cervello del topo in vivo
Summary
Viene proposto un sistema di registrazione elettroencefalografica a basso costo combinato con una bobina di dimensioni millimetriche per guidare la stimolazione magnetica transcranica del cervello del topo in vivo. Utilizzando elettrodi a vite convenzionali con un substrato multielettrodo personalizzato, flessibile e multielettrodo, è possibile eseguire la registrazione multi-sito dal cervello del topo in risposta alla stimolazione magnetica transcranica.
Abstract
Un sistema di registrazione elettroencefalografico (EEG) a basso costo è proposto qui per guidare la stimolazione magnetica transcranica (TMS) del cervello del topo in vivo, utilizzando una bobina di dimensioni millimetriche. Utilizzando elettrodi a vite convenzionali combinati con un substrato multielettrodo personalizzato, flessibile e multielettrodo, è possibile eseguire la registrazione multi-sito dal cervello del topo. Inoltre, spieghiamo come viene prodotta una bobina di dimensioni millimetriche utilizzando attrezzature a basso costo che di solito si trovano nei laboratori. Vengono inoltre presentate le procedure pratiche per la fabbricazione del substrato flessibile multielettrodo e la tecnica di impianto chirurgico per elettrodi a vite, necessari per produrre segnali EEG a basso rumore. Sebbene la metodologia sia utile per la registrazione dal cervello di qualsiasi piccolo animale, il presente rapporto si concentra sull’implementazione di elettrodi in un cranio di topo anestetizzato. Inoltre, questo metodo può essere facilmente esteso a un piccolo animale sveglio che è collegato con cavi legati tramite un adattatore comune e fissato con un dispositivo TMS alla testa durante la registrazione. Viene descritta l’attuale versione del sistema EEG-TMS, che può includere un massimo di 32 canali EEG (un dispositivo con 16 canali è presentato come esempio con meno canali) e un dispositivo di canale TMS. Inoltre, vengono brevemente riportati i risultati tipici ottenuti dall’applicazione del sistema EEG-TMS a topi anestetizzati.
Introduction
La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è uno strumento promettente per la scienza del cervello umano, l’applicazione clinica e la ricerca su modelli animali a causa della sua non/bassa invasività. Durante la fase iniziale delle applicazioni della TMS, la misurazione dell’effetto corticale in risposta alla TMS a impulso singolo e accoppiato nell’uomo e negli animali era limitata alla corteccia motoria; L’output facilmente misurabile era limitato ai potenziali evocati motori e ai potenziali mioelettrici indotti che coinvolgevano la corteccia motoria 1,2. Per espandere le regioni cerebrali che possono essere misurate dalla modulazione TMS, la registrazione elettroencefalografica (EEG) è stata integrata con TMS a impulso singolo e accoppiato come metodo utile per esaminare direttamente l’eccitabilità, la connettività e le dinamiche spaziotemporali delle aree in tutto il cervello 3,4,5. Pertanto, l’applicazione simultanea della registrazione TMS e EEG (TMS-EEG) al cervello è stata utilizzata per sondare varie aree cerebrali corticali superficiali di esseri umani e animali per studiare i circuiti neurali intracorticali (vedi Tremblay et al.6). Inoltre, i sistemi TMS-EEG possono essere utilizzati per esaminare ulteriori caratteristiche spaziotemporali corticali, tra cui la propagazione di segnali ad altre aree corticali e la generazione di attività oscillatoria 7,8.
Tuttavia, il meccanismo d’azione della TMS nel cervello rimane speculativo a causa della non invasività della TMS, che limita la nostra conoscenza di come funziona il cervello durante le applicazioni della TMS. Pertanto, gli studi traslazionali invasivi in animali che vanno dai roditori all’uomo sono di cruciale importanza per comprendere il meccanismo degli effetti della TMS sui circuiti neurali e la loro attività. In particolare, per gli esperimenti combinati TMS-EEG negli animali, non è stato sviluppato in modo intensivo un sistema di stimolazione e misurazione simultanea per i piccoli animali. Pertanto, gli sperimentatori sono tenuti a costruire un tale sistema per tentativi ed errori in base alle loro specifiche esigenze sperimentali. Inoltre, i modelli murini sono utili tra gli altri modelli di specie animali in vivo perché molti ceppi di topi transgenici e isolati dal ceppo sono disponibili come risorse biologiche. Pertanto, un metodo conveniente per costruire un sistema di misurazione combinato TMS-EEG per topi sarebbe auspicabile per molti ricercatori di neuroscienze.
Questo studio propone un metodo combinato TMS-EEG che può essere applicato per la stimolazione simultanea e la registrazione del cervello del topo, che è il principale tipo di animale transgenico utilizzato nella ricerca e che può essere facilmente costruito nei tipici laboratori di neuroscienze. In primo luogo, viene descritto un sistema di registrazione EEG a basso costo utilizzando elettrodi a vite convenzionali e un substrato flessibile per assegnare in modo riproducibile una posizione di array di elettrodi in ogni esperimento. In secondo luogo, un sistema di stimolazione magnetica è costruito utilizzando una bobina di dimensioni millimetriche, che può essere facilmente realizzata su misura nei laboratori tipici. In terzo luogo, il sistema combinato TMS-EEG registra l’attività neurale in risposta alla stimolazione sonora e magnetica. Il metodo presentato in questo studio può rivelare i meccanismi che generano disturbi specifici nei piccoli animali e i risultati ottenuti nei modelli animali possono essere tradotti per comprendere i corrispondenti disturbi umani.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo studio affronta un sistema di registrazione EEG multi-sito combinato con un sistema di stimolazione magnetica progettato per piccoli animali, compresi i topi. Il sistema costruito è a basso costo e facilmente costruibile nei laboratori fisiologici e può estendere le loro impostazioni di misurazione esistenti. La procedura chirurgica necessaria per ottenere dati dal sistema di registrazione del topo è profondamente semplice se tali laboratori hanno precedenti esperienze con esperimenti elettrofisiologici standar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Murata Science Foundation, dalla Suzuken Memorial Foundation, dalla Nakatani Foundation for Advancement of Measuring Technologies in Biomedical Engineering e da una sovvenzione in aiuto per la ricerca esplorativa (numero di sovvenzione 21K19755, Giappone) e per la ricerca scientifica (B) (numero di sovvenzione 23H03416, Giappone) a 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 |
References
- 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).
