Kostengünstiges elektroenzephalographisches Aufzeichnungssystem in Kombination mit einer millimetergroßen Spule zur transkraniellen Stimulation des Mäusegehirns in vivo
Summary
Ein kostengünstiges elektroenzephalographisches Aufzeichnungssystem in Kombination mit einer millimetergroßen Spule wird vorgeschlagen, um die transkranielle Magnetstimulation des Mäusegehirns in vivo zu steuern. Unter Verwendung herkömmlicher Schraubenelektroden mit einem speziell angefertigten, flexiblen Multielektroden-Array-Substrat kann als Reaktion auf die transkranielle Magnetstimulation eine Multi-Site-Aufzeichnung aus dem Mäusegehirn durchgeführt werden.
Abstract
Ein kostengünstiges elektroenzephalographisches (EEG) Aufzeichnungssystem wird hier vorgeschlagen, um die transkranielle Magnetstimulation (TMS) des Mäusegehirns in vivo unter Verwendung einer millimetergroßen Spule zu steuern. Unter Verwendung herkömmlicher Schraubenelektroden in Kombination mit einem speziell angefertigten, flexiblen Multielektroden-Array-Substrat kann eine Multi-Site-Aufzeichnung aus dem Mäusegehirn durchgeführt werden. Darüber hinaus erklären wir, wie eine millimetergroße Spule mit kostengünstigen Geräten hergestellt wird, die normalerweise in Laboren zu finden sind. Des Weiteren werden praktische Verfahren zur Herstellung des flexiblen Multielektroden-Array-Substrats und die chirurgische Implantationstechnik für Schraubenelektroden vorgestellt, die notwendig sind, um rauscharme EEG-Signale zu erzeugen. Obwohl die Methodik für die Aufzeichnung aus dem Gehirn eines beliebigen Kleintieres nützlich ist, konzentriert sich der vorliegende Bericht auf die Elektrodenimplementierung in einem anästhesierten Mausschädel. Des Weiteren lässt sich diese Methode leicht auf ein waches Kleintier ausdehnen, das über einen gängigen Adapter mit angebundenen Kabeln verbunden und während der Aufnahme mit einem TMS-Gerät am Kopf fixiert wird. Die vorliegende Version des EEG-TMS-Systems, das maximal 32 EEG-Kanäle (als Beispiel wird ein Gerät mit 16 Kanälen mit weniger Kanälen vorgestellt) und ein TMS-Kanalgerät umfassen kann, wird beschrieben. Darüber hinaus werden typische Ergebnisse, die durch die Anwendung des EEG-TMS-Systems bei anästhesierten Mäusen erzielt wurden, kurz beschrieben.
Introduction
Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist aufgrund ihrer nicht-/geringen Invasivität ein vielversprechendes Werkzeug für die menschliche Hirnforschung, die klinische Anwendung und die Tiermodellforschung. In der Frühphase der TMS-Anwendungen war die Messung des kortikalen Effekts als Reaktion auf Einzel- und Paarpuls-TMS bei Mensch und Tier auf den motorischen Kortex beschränkt. Der leicht messbare Output war auf motorisch evozierte Potentiale und induzierte myoelektrische Potentiale beschränkt, die den motorischenKortex 1,2 einbeziehen. Um die Gehirnregionen, die durch TMS-Modulation gemessen werden können, zu erweitern, wurde die elektroenzephalographische (EEG) Aufzeichnung mit Einzel- und Paarpuls-TMS als nützliche Methode zur direkten Untersuchung der Erregbarkeit, Konnektivität und räumlich-zeitlichen Dynamik von Bereichen im gesamten Gehirn integriert 3,4,5. So wurde die gleichzeitige Anwendung von TMS und EEG-Aufzeichnung (TMS-EEG) auf das Gehirn genutzt, um verschiedene oberflächliche kortikale Hirnareale von Mensch und Tier zu untersuchen, um intrakortikale neuronale Schaltkreise zu untersuchen (siehe Tremblay et al.6). Darüber hinaus können TMS-EEG-Systeme verwendet werden, um zusätzliche kortikale raumzeitliche Eigenschaften zu untersuchen, einschließlich der Ausbreitung von Signalen an andere kortikale Areale und der Erzeugung oszillatorischer Aktivität 7,8.
Der Wirkmechanismus von TMS im Gehirn bleibt jedoch spekulativ, da TMS nicht invasiv ist und unser Wissen über die Funktionsweise des Gehirns bei TMS-Anwendungen einschränkt. Daher sind invasive translationale Studien an Tieren, von Nagetieren bis hin zum Menschen, von entscheidender Bedeutung, um den Mechanismus der Auswirkungen von TMS auf neuronale Schaltkreise und deren Aktivität zu verstehen. Insbesondere für kombinierte TMS-EEG-Experimente an Tieren wurde ein simultanes Stimulations- und Messsystem für Kleintiere nicht intensiv entwickelt. Daher sind Experimentatoren verpflichtet, ein solches System durch Versuch und Irrtum entsprechend ihren spezifischen experimentellen Anforderungen zu konstruieren. Darüber hinaus sind Mausmodelle neben anderen in vivo Tierartenmodellen nützlich, da viele transgene und stammisolierte Mäusestämme als biologische Ressourcen zur Verfügung stehen. Daher wäre eine bequeme Methode zum Aufbau eines TMS-EEG-kombinierten Messsystems für Mäuse für viele neurowissenschaftliche Forscher wünschenswert.
In dieser Studie wird eine TMS-EEG-kombinierte Methode vorgeschlagen, die zur gleichzeitigen Stimulation und Aufzeichnung des Mausgehirns eingesetzt werden kann, dem wichtigsten transgenen Tiertyp, der in der Forschung verwendet wird, und die leicht in typischen neurowissenschaftlichen Labors konstruiert werden kann. Zunächst wird ein kostengünstiges EEG-Aufzeichnungssystem beschrieben, das konventionelle Schraubenelektroden und ein flexibles Substrat verwendet, um in jedem Experiment reproduzierbar eine Elektrodenträgerposition zuzuweisen. Zweitens wird ein Magnetstimulationssystem mit einer millimetergroßen Spule konstruiert, die in typischen Labors leicht maßgefertigt werden kann. Drittens zeichnet das TMS-EEG-kombinierte System die neuronale Aktivität als Reaktion auf Schall- und Magnetstimulation auf. Die in dieser Studie vorgestellte Methode kann die Mechanismen aufdecken, die bestimmte Erkrankungen bei Kleintieren hervorrufen, und die in den Tiermodellen erzielten Ergebnisse können auf das Verständnis der entsprechenden menschlichen Erkrankungen übertragen werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Studie befasst sich mit einem Multi-Site-EEG-Aufzeichnungssystem in Kombination mit einem Magnetstimulationssystem, das für Kleintiere, einschließlich Mäuse, entwickelt wurde. Das konstruierte System ist kostengünstig und einfach in physiologischen Labors zu konstruieren und kann deren bestehende Messaufbauten erweitern. Das chirurgische Verfahren, das notwendig ist, um Daten aus dem Maus-Aufzeichnungssystem zu erhalten, ist denkbar einfach, wenn solche Labore bereits Erfahrung mit elektrophysiologischen Standa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Murata Science Foundation, der Suzuken Memorial Foundation, der Nakatani Foundation for Advancement of Measuring Technologies in Biomedical Engineering und einem Grant-in-Aid for Exploratory Research (Fördernummer 21K19755, Japan) und für wissenschaftliche Forschung (B) (Fördernummer 23H03416, Japan) an 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
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