חזותי הקלטות פוטנציאליים עורר בעכברים באמצעות ערוץ מרובה לא פולשנית יבש בקרקפת EEG חיישן
Summary
תיכננו חיישן 16 ערוץ EEG מסוג יבש אשר לא פולשנית, deformable ו מחדש שמיש. מאמר זה מתאר את כל התהליך של ייצור האלקטרודה EEG המוצע כדי עיבוד חזותי עורר הפוטנציאלים (VEP) אותות אותות נמדדים על הקרקפת העכבר באמצעות חיישן EEG מרובה ערוצים לא פולשנית יבש.
Abstract
עבור סביבות מחקר הקרקפת EEG עם עכברי מעבדה, עיצבנו בחיישן מסוג יבש ערוץ 16 EEG אשר לא פולשנית, deformable ו שמיש מחדש בשל היבט מבניים הבוכנה-האביב-חבית החוזק המכני הנובע מתכת חומרים. התהליך כולו לרכישת את VEP תגובות ויוו מתוך עכבר כולל ארבעה שלבים: (1) חיישן הרכבה, הכנת חיות (2), (3) VEP מדידה של עיבוד אותות (4). מאמר זה מציג מדידות נציג של תגובות VEP עכברים מרובים עם רזולוציה אות מתח submicro וגם תת מאות מילי-שניות רזולוציה טמפורלית. למרות השיטה המוצעת היא בטוחה יותר ונוח יותר לעומת השני דיווח בעבר בעלי חיים שיטות רכישת EEG, נותרו בעיות כולל כיצד לשפר את יחס אות לרעש וכיצד ליישם טכניקה זו עם נע בחופשיות חיות. השיטה המוצעת מנצל את המשאבים הזמינים בקלות ומראה תגובה VEP חוזרות עם איכות אות משביע רצון. לכן, בשיטה זו יכול להיות מנוצל האורך מחקרים ניסויים ומחקר translational אמין ניצול פרדיגמות פולשני.
Introduction
ככל שמספר חולים עם מחלות ניוון מוחי סנילי כגון דמנציה, אלצהיימר, פרקינסון תסמונות ושבץ גדלו עם הזדקנות האוכלוסייה, של תוחלת החיים עולה, נטל חברתי ארוך טווח המחלות האלה יש גם גדל1,2,3. בנוסף, רוב מחלות התפתחותיות, כגון סכיזופרניה, אוטיזם, מלוות הפרעות קוגניטיביות והתנהגותיות המשפיעים של המטופל כל החיים2,3,4. מסיבה זו, החוקרים כבר נאבק לשפר את אבחון, מניעה, הבנה פתולוגי, תצפית לטווח ארוך, טיפול במחלות המוח. עם זאת, בעיות נשארים לבלום מן המורכבות של המוח שהצילום מחלות פתולוגיות. המחקר translational עשויה להיות כלי מבטיח לזיהוי פתרונות מכיוון שהיא מאפשרת העברת המחקר הבסיסי ליישומים קליניים בתוך מסגרת זמן קצרה יותר, במחיר נמוך יותר, עם שיעור הצלחה גבוה יותר של מדעי המוח שדות5 ,6,7. מטרה נוספת של המחקר translational היא לבחון את ישימות של ניסויים, אשר דורשת לא פולשנית גישות ניסיוניות בבעלי חיים המאפשרות השוואות באותה השיטה עבור בני אדם. תנאים אלה הובילו כמה צרכים ניכרים לפיתוח שיטות הכנת בעלי חיים לא פולשנית. שיטה אחת היא אלקטרואנצפלוגרם (EEG), אשר חושף חיבוריות במוח בקליפת המוח ופעילות two-dimensionally עם רזולוציה טמפורלית גבוהה, אשר נהנה פרוטוקול לא פולשנית. ההקלטה אפשריות הקשורות לאירוע (ERP) הוא אחד פרדיגמות ניסויית טיפוסית לנצל האא ג.
אינספור מחקרים מועסקים פולשני EEG שיטות קודמות הכוונת נושאים בני אדם, ואילו שיטות פולשניות, כגון שתל בורגי ואלקטרודות סוג קוטב, השתמשו במחקרים שנעשו בבעלי חיים8,9,10 , 11 , 12. איכות האות ומאפיינים של שיטות אלה הם תלויים באופן משמעותי invasiveness של המיקום חיישן. עבור המחקר translational מוצלחת, גארנר הדגיש משתמש באותם התנאים למחקר בבעלי חיים כמו אלה המשמשות עבור מחקר אנושי13. למחקר בסיסי באמצעות בעלי חיים, עם זאת, מתודולוגיות EEG לא פולשנית אינם נפוצים. גישה מוזרה באמצעות מערכת חיישן פולשני הקרקפת EEG התמקדות עכברי מעבדה יהיה כלי אמין ויעיל עבור המחקר translational שניתן להחיל כדי הפארדיגמות פולשני עבור בני האדם, כמו גם.
מחקרים רבים העכבר EEG הוביל את הדרך על-ידי המיסחור של PCB (המעגלים המודפסים) המבוסס על רב ערוצית אלקטרודות14,15,16. אמנם הם אימצו שיטה חודרנית, היו להם מספר מוגבל של הערוצים (3-8), אשר עשה את זה יותר קשה להתבונן הדינאמיקה המוחית בקנה מידה גדול. יתר על כן, יישומים יכולה להיות מוגבלת על-ידי invasiveness והעלות הגבוהה שלהם. במחקר מחקר אחר, KIST (קוריאה במכון למדע וטכנולוגיה) פיתח את ערוץ 40 מבוססי פוליאימיד סרט דק אלקטרודה ומצורף לזה של עכבר הגולגולת17,18,19,20 . עבודה זו רכשה את המספר הגבוה ביותר של העכבר EEG ערוצים. זה היה, עם זאת, באופן מכני חלש, לא קל לשימוש חוזר; לכן, זה לא היה הולם עבור תצפיות ארוכות טווח, שמוביל אות חלשה, ככל הנראה כתוצאה תגובה חיסונית. בינתיים, Troncoso, Mégevand רכשה חושית עורר פוטנציאלית (ספטמבר) על הגולגולות של מכרסמים עם 32 אלקטרודות נירוסטה מאובטח על ידי נקבים Poly(methyl methacrylate) (PMMA, זכוכית אקרילית) רשת21,22 , 23. למרות איכותם אות גבוה, האלקטרודות היו מכנית גמישה ורכה; לכן, היו להם קשיים בתרגולים של ניסויים מרובים. בנוסף, שיטה זו היה עדיין פולשנית. למרות שיטות אלה מספקים איכות אות טוב, פני השטח של הגולגולת של עכבר הוא מוגבל, ולכן מספר אלקטרודות היא מוגבלת באמצעות אלקטרודה מוט נירוסטה-סוג. מספר מחקרים קודמים EEG על עכברים הראו מספר מגבלות. במחקר זה, אנחנו נראה שיטה חדשה למדידת EEG החלות בתחומי המחקר translational קליניים באמצעות חיישן רב ערוצית מסוג יבש לא פולשנית.
על מנת להתגבר על המגבלות של הקודם מתודולוגיות EEG בעלי חיים, שכללה את המורכבות מהותי של הכנת בעלי חיים invasiveness, עלות גבוהה, בזבזנות, חוזק מכני חלש, חיפשנו לפתח אלקטרודה חדשה אשר מוצגים גמישות, סטטוס של סוג יבש, יכולות רב ערוצית, הלא-invasiveness ו re-usability. בפרוטוקול הבא, נתאר את התהליך של מדידת חזותי עורר פוטנציאליים (VEP) בהקלטות הקרקפת העכבר באמצעות חיישן EEG יבש, לא פולשנית, רב ערוצית. שיטה זו משתמשת משאבים זמינים בקלות, לכן הנמכת המכשול כניסה לתוך בבע ח בתחום הנדסה ביו-רפואית.
Protocol
Representative Results
Discussion
ראשית התמקדנו על העיצוב של החיישן, מתן עדיפות המעשיות על-ידי מזעור ניתוחים מורכבים. החיישן EEG deformable מורכב מ 16 פינים: 14 עבור הקלטה, אחד עבור הקרקע האחרון עבור הפניה אלקטרודות. כל אלקטרודה יש מבנה הבוכנה-האביב-חבית, אשר חל ודפורמביליות על גבי משטח מגע של האלקטרודה, אז הם מאפשרים רכישת אות אחידה…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמך בחלקה על ידי העיקר מכון המחקר (GRI), העיקר-Caltech מחקר שיתוף פעולה בפרויקט באמצעות מענק שמספק העיקר ב-2017. גם נתמך על ידי מענק מחקר (ה-NRF-2016R1A2B4015381) של נבחרת מחקר קרן (ב- NRF) ממומן על ידי ממשלת קוריאה (MEST), ועל ידי KBRI תוכנית מחקר בסיסי דרך המכון הקוריאני לחקר המוח ממומן על ידי משרד המדע, תקשוב, העתיד תכנון (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).
