Visual Evoked potentiële opnamen in muizen met behulp van een niet-invasieve meerkanaals droge hoofdhuid EEG Sensor
Summary
We ontwierpen een droog-type 16 kanaals EEG sensor die niet-invasief, vervormbare en opnieuw bruikbaar is. Dit witboek beschrijft het gehele proces van productie de voorgestelde EEG elektrode signaal verwerking van visual evoked potentieel (VEP) signalen op een muis-hoofdhuid met behulp van een droge niet-invasieve multi-kanaals EEG sensor gemeten.
Abstract
Voor hoofdhuid EEG onderzoek omgevingen met laboratorium muizen ontwierpen we een droog-type 16 kanaals EEG sensor die niet-invasieve, vervormbare en herbruikbaar is vanwege de plunjer-lente-vat structurele facet en de mechanische krachten die voortvloeien uit metaal materialen. Het hele proces voor het verkrijgen van de VEP reacties in vivo een muis bestaat uit vier stappen: (1) de sensor montage, (2) dierlijke voorbereiding, (3) VEP meting en (4) de signaalverwerking. Dit document stelt representatieve metingen van VEP reacties van meerdere muizen met een resolutie van submicrome-spanning signaal en sub honderd milliseconden temporele resolutie. Hoewel de voorgestelde methode is veiliger en gemakkelijker in vergelijking met andere eerder gemeld dierlijke EEG verwervende methoden, er zijn nog kwesties, waaronder het verbeteren van de signaal-/ ruisverhouding en het toepassen van deze techniek met vrij bewegende dieren. De voorgestelde methode maakt gebruik van gemakkelijk beschikbare middelen en toont een repetitieve VEP reactie met een goede signaalkwaliteit. Daarom is deze methode kan worden gebruikt voor longitudinale experimentele studies en betrouwbare translationeel onderzoek exploitatie van niet-invasieve paradigma’s.
Introduction
Als het aantal patiënten met seniele degeneratieve hersenziekten zoals dementie, Alzheimer en Parkinsonian syndromen beroerte gestegen met een verouderende bevolking en een toenemende levensverwachting, heeft de lange termijn maatschappelijke last van deze ziekten ook steeg1,2,3. Daarnaast, de meeste neurologische ziekten zoals schizofrenie en autisme, vergezeld gaan van cognitieve en gedragsmatige stoornissen waardoor een patiënt hele leven2,3,4. Om deze reden, hebben onderzoekers moeite om het verbeteren van de diagnose, preventie, pathologische begrip, op lange termijn observatie en behandeling van hersenziekten. Problemen blijven echter afkomstig uit de hersenen complexiteit en ziekte pathologieën. Translationeel onderzoek wellicht een veelbelovende instrument voor het identificeren van oplossingen, omdat hierdoor de overdracht van fundamenteel onderzoek naar klinische toepassingen binnen een korter tijdsbestek, tegen lagere kosten en met een hoger slagingspercentage in de neurowetenschappen velden5 ,6,7. Een ander doel van translationeel onderzoek is het onderzoeken van de toepasbaarheid bij menselijke proefpersonen, waarbij niet-invasieve experimentele benaderingen in dieren die het mogelijk maken van vergelijkingen met dezelfde methode voor de mens. Deze voorwaarden hebben geleid tot verscheidene grote behoeften voor de ontwikkeling van niet-invasieve dierlijke bereidingswijzen. Een methode is elektro-encefalografie (EEG), die onthult corticale hersenen connectiviteit en activiteit two-dimensionally met hoge temporele resolutie, en welke uitkeringen uit een niet-invasieve protocol. De gebeurtenis-gerelateerde potentiële opname (ERP) is één van de typische experimentele paradigma’s die gebruik maken van de EEG.
Talrijke eerdere studies werknemer niet-invasieve EEG methodes voor het targeten van mensen onderwerpen, overwegende dat invasieve methoden, zoals implantaat schroeven en paal type elektroden, zijn gebruikt in dierstudies8,9,10 , 11 , 12. de signaalkwaliteit en de kenmerken van deze methoden zijn sterk afhankelijk van de invasiviteit van de plaatsing van de sensor. Voor succesvolle translationeel onderzoek, Garner benadrukt met behulp van dezelfde voorwaarden voor dierlijke studie als die worden gebruikt voor menselijke onderzoek13. Voor fundamenteel onderzoek met behulp van dieren, zijn niet-invasieve EEG methoden echter niet gangbaar. Een nieuwe benadering met behulp van een niet-invasieve hoofdhuid EEG sensorsysteem gericht op laboratorium muizen zou een betrouwbaar en efficiënt hulpmiddel voor translationeel onderzoek dat kan worden toegepast op de niet-invasieve paradigma’s voor de mens, ook.
Talrijke studies van de muis EEG leidde de weg door het commercialiseren van PCB (printed circuit board) gebaseerd meerkanaals elektroden14,15,16. Hoewel zij een invasieve methode, had ze een beperkt aantal kanalen (3-8), waardoor het moeilijker te observeren dynamiek van de grote hersenen. Bovendien kunnen toepassingen worden beperkt door hun invasiviteit en hoge kosten. In een ander onderzoek, de KIST (Korea Institute of Science and Technology) een 40 kanaal polyimide gebaseerde dunne-film elektrode ontwikkeld en deze vervolgens gekoppeld aan een muis schedel17,18,19,20 . Dit werk verwierf het hoogste aantal muis EEG kanalen. Het was echter mechanisch zwak en niet makkelijk te hergebruiken; het was dus niet geschikt voor langdurige observaties, wat leidt tot een verzwakte signaal, mogelijk veroorzaakt door een immune reactie. Ondertussen Troncoso en Mégevand verworven een sensory evoked potentieel (SEP) op knaagdieren doodshoofden met tweeëndertig RVS elektroden beveiligd door een geperforeerde Poly(methyl Methacrylate) (PMMA, acrylglas) raster21,22 , 23. ondanks hun hoge signaalkwaliteit, waren de elektroden mechanisch flexibel en teder; Daarom hadden ze problemen op meerdere experimenten wordt toegepast. Bovendien, was deze methode nog steeds minimaal invasieve. Hoewel deze methoden bieden goede signaalkwaliteit, de oppervlakte van de schedel van een muis is beperkt, dus het aantal elektroden is beperkt met behulp van een elektrode RVS paal-type. Een aantal eerdere EEG studies voor muizen toonde verscheidene beperkingen. In deze studie, zullen wij een nieuwe methode voor het meten van de EEG die van toepassing zijn in de pre-klinische translationeel onderzoek met behulp van een niet-invasieve droog-type multi-kanaals sensor tonen.
Om te overwinnen van de beperkingen van eerdere dierlijke EEG methodologieën, waaronder de intrinsieke complexiteit van dierlijke voorbereiding, invasiviteit, hoge kosten, verspilling en zwakke mechanische sterkte, we gestreefd naar de ontwikkeling van een nieuwe elektrode dat vertoont flexibiliteit, droge type status, multi-kanaals mogelijkheden, niet-invasiviteit en herbruikbaarheid. In het volgende protocol beschrijven we het proces voor het meten van visual evoked potentiële (VEP) opnames op de hoofdhuid van een muis met behulp van een droge, niet-invasieve, multi-kanaals EEG-sensor. Deze methode maakt gebruik van gemakkelijk beschikbare middelen, dus het verlagen van de belemmering voor de indienststelling van dierproeven op het gebied van de biomedische technologie.
Protocol
Representative Results
Discussion
We in de eerste plaats gericht op het ontwerp van de sensor, prioriteren bruikbaarheid door het minimaliseren van complexe chirurgische ingrepen. De vervormbare EEG-sensor bestaat uit zestien pinnen: veertien voor opname, één voor de grond, en de laatstgenoemde voor verwijst naar elektroden. Elke elektrode heeft de plunjer-lente-vat-structuur, die vervormbaarheid op van de elektrode contactoppervlak, geldt dus zij homogeen en bestendig signaal overname van gebogen en inschrijving van de muis hoofdhuid vergemakkelijken….
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het GIST Research Institute (GRI), het GIST-Caltech onderzoeksproject samenwerking door middel van een subsidie verstrekt door GIST in 2017. Ook ondersteund door onderzoeksbeurs (NRF-2016R1A2B4015381) van de National Research Foundation (NRF) gefinancierd door de Koreaanse overheid (MEST), en door KBRI basisonderzoek programma via Korea Brain Research Institute gefinancierd door het ministerie van wetenschap, ICT en toekomst Plan (17-BR-04).
Materials
| Ketamine 50 Inj. (Vial) | Yuhan | – | Ketamine HCl 57.68 mg |
| Zoletil 50 Inj. | Virbac | – | Tiletamina 125 mg/ Zolazepam 125 mg |
| Rompun 2% Inj. | BAYER | – | Xylazine hydrochloride 23.32mg/mL |
| Hycell solution 2% | Samil | – | Hydroxypropylmethylcellulose 20 mg |
| Puralube Vet Ointment 3.5 mg | Pharmaderm | – | |
| Saline solution Inj. | JW Pharmaceutical | – | NaCl 9 g/1000 mL |
| Veet Hair Removal Cream – Legs & Body – Sensitive Skin | Reckitt Benckiser | – | depilatory |
| Skins – Surgical Skin Marker | Surgmed | S-3000 | STERILE – Multi-Tip Fine Marker with ruler and label set |
| Stainless Steel Micro Spatulas | HEATHROW SCIENTIFIC | HS15907 | One Round Flat End, 2L x 5/16W" |
| cotton swap | |||
| Stereotaxic, Desktop Digi Single | RWD Life Science | 68025 | |
| Mouse Adapter | RWD Life Science | 68010 | |
| Ear Bar for Mouse Non-Rupture | RWD Life Science | 68306 | |
| Mitsar-EEG 202-24 | MITSAR | amplifier | |
| EEGStudio EEG acquisition software | MITSAR | ||
| White flash stimulator | MITSAR | MITSAR Flash stimulator | |
| BCI2000 software | Schalk lab | ||
| g.USBamp | g.tec | 0216 | |
| g.Power-g.USBamp | g.tec | 0247 | |
| 441 style straight body Touch Proof connector | PlasticsOne | 441000PSW080001 | 441 – 000 PSW 80" (BLACK) |
| Standard probe | LEENO | SK100CSW | http://www.globalinterpark.com/detail/detail?prdNo=2114277241&dispNo=001851006012 |
| Precision engraving machine tools | TINYROBO | TinyCNC-6060C | |
| Heat shirink | 3M | FP301 |
Referências
- Alzheimer’s Association. Alzheimer’s disease facts and figures. Alzheimers Dement. 12 (4), 459-509 (2016).
- Birbeck, G. L., Meyer, A. C., Ogunniyi, A. Nervous system disorders across the life course in resource-limited settings. Nature. 527 (7578), S167-S171 (2015).
- World Health Organization. . Neurological disorders: public health challenges. , (2006).
- Meyer, U., Feldon, J., Dammann, O. Schizophrenia and Autism: Both Shared and Disorder-Specific Pathogenesis Via Perinatal Inflammation?. Pediatr Res. 69 (5), 26r-33r (2011).
- Freedman, L. P., Cockburn, I. M., Simcoe, T. S. The Economics of Reproducibility in Preclinical Research. PLoS Biol. 13 (6), e1002165 (2015).
- Cummings, J. L., et al. Alzheimer’s disease drug development: translational neuroscience strategies. CNS Spectr. 18 (3), 128-138 (2013).
- Roelfsema, P. R., Treue, S. Basic neuroscience research with nonhuman primates: a small but indispensable component of biomedical research. Neuron. 82 (6), 1200-1204 (2014).
- Wu, C., Wais, M., Sheppy, E., del Campo, M., Zhang, L. A glue-based, screw-free method for implantation of intra-cranial electrodes in young mice. J Neurosci Methods. 171 (1), 126-131 (2008).
- Yu, F. H., et al. Reduced sodium current in GABAergic interneurons in a mouse model of severe myoclonic epilepsy in infancy. Nat Neurosci. 9 (9), 1142-1149 (2006).
- Parmentier, R., et al. Anatomical, physiological, and pharmacological characteristics of histidine decarboxylase knock-out mice: evidence for the role of brain histamine in behavioral and sleep-wake control. J Neurosci. 22 (17), 7695-7711 (2002).
- Handforth, A., Delorey, T. M., Homanics, G. E., Olsen, R. W. Pharmacologic evidence for abnormal thalamocortical functioning in GABA receptor beta3 subunit-deficient mice, a model of Angelman syndrome. Epilepsia. 46 (12), 1860-1870 (2005).
- Wu, C., Wais, M., Zahid, T., Wan, Q., Zhang, L. An improved screw-free method for electrode implantation and intracranial electroencephalographic recordings in mice. Behav Res Methods. 41 (3), 736-741 (2009).
- Garner, J. P. The Significance of Meaning: Why Do Over 90% of Behavioral Neuroscience Results Fail to Translate to Humans, and What Can We Do to Fix It?. Ilar Journal. 55 (3), 438-456 (2014).
- Naylor, E., Harmon, H., Gabbert, S., Johnson, D. Automated sleep deprivation: simulated gentle handling using a yoked control. Sleep. 12 (1), 5-12 (2010).
- Naylor, E., et al. Simultaneous real-time measurement of EEG/EMG and L-glutamate in mice: A biosensor study of neuronal activity during sleep. J Electroanal Chem (Lausanne). 656 (1-2), 106-113 (2011).
- Naylor, E., et al. Molecules in Neuroscience. , 12-16 (2010).
- Choi, J. H., et al. A flexible microelectrode for mouse EEG. , 1600-1603 (2009).
- Choi, J. H., Koch, K. P., Poppendieck, W., Lee, M., Shin, H. S. High resolution electroencephalography in freely moving mice. J Neurophysiol. 104 (3), 1825-1834 (2010).
- Lee, M., Shin, H. S., Choi, J. H. Simultaneous recording of brain activity and functional connectivity in the mouse brain. , 2934-2936 (2009).
- Lee, M., Kim, D., Shin, H. S., Sung, H. G., Choi, J. H. High-density EEG recordings of the freely moving mice using polyimide-based microelectrode. JoVE-J Vis Exp. (47), e2562 (2011).
- Mégevand, P., Quairiaux, C., Lascano, A. M., Kiss, J. Z., Michel, C. M. A mouse model for studying large-scale neuronal networks using EEG mapping techniques. Neuroimage. 42 (2), 591-602 (2008).
- Megevand, P., et al. Long-term plasticity in mouse sensorimotor circuits after rhythmic whisker stimulation. J Neurosci. 29 (16), 5326-5335 (2009).
- Troncoso, E., Muller, D., Czellar, S., Zoltan Kiss, J. Epicranial sensory evoked potential recordings for repeated assessment of cortical functions in mice. J Neurosci Methods. 97 (1), 51-58 (2000).
- Keith, B., Franklin, G. P., Paxinos, G. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2008).
- Kawakami, M., Yamamura, K. I. Cranial bone morphometric study among mouse strains. Bmc Evol Biol. 8, (2008).
- Strain, G. M., Tedford, B. L. Flash and pattern reversal visual evoked potentials in C57BL/6J and B6CBAF1/J mice. Brain Res Bull. 32 (1), 57-63 (1993).
- Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. BCI2000: A general-purpose, brain-computer interface (BCI) system. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).
- Kim, D., Yeon, C., Kim, K. Development and Experimental Validation of a Dry Non-Invasive Multi-Channel Mouse Scalp EEG Sensor through Visual Evoked Potential Recordings. Sensors. 17 (2), 326 (2017).
- Yeon, C., Kim, D., Kim, K., Chung, E. . SENSORS, 2014 IEEE. , 519-522 (2014).
- Kim, D., Yeon, C., Chung, E., Kim, K. . SENSORS, 2015 IEEE. , 1-4 (2015).
- Lin, C. T., et al. Novel dry polymer foam electrodes for long-term EEG measurement. IEEE Trans Biomed Eng. 58 (5), 1200-1207 (2011).
- Lopez-Gordo, M. A., Sanchez-Morillo, D., Pelayo Valle, F. Dry EEG electrodes. Sensors (Basel). 14 (7), 12847-12870 (2014).
- Fang, Q., Bedi, R., Ahmed, B., Cosic, I. Engineering in Medicine and Biology Society, 2004. IEMBS’04. , 2995-2998 (2004).
- Maffei, L., Fiorentini, A., Bisti, S. Neural correlate of perceptual adaptation to gratings. Science. 182 (4116), 1036-1038 (1973).
- Ernst, M., Lee, M. H., Dworkin, B., Zaretsky, H. H. Pain perception decrement produced through repeated stimulation. Pain. 26 (2), 221-231 (1986).
