Visuelle Evoked potensial innspillinger i mus med en tørr ikke-invasiv flerkanals hodebunnen EEG sensoren
Summary
Vi utviklet en tørr 16 kanal EEG sensor som er ikke-invasiv deformerbare og gjenbrukbare. Dette dokumentet beskriver hele prosessen fra produksjon foreslåtte EEG elektroden til signalbehandling visuelle evoked potensial (VEP) signaler målt på en musen hodebunnen med en tørr ikke-invasiv flerkanals EEG sensoren.
Abstract
Hodebunnen EEG forskningsmiljøer med laboratoriet mus utviklet vi en tørr 16 kanal EEG sensor som er ikke-invasiv deformerbare og gjenbrukbare stempelet-våren-fat strukturelle fasett og mekaniske styrken som følge av metall materialer. Hele prosessen med å anskaffe den VEP svar i vivo fra en mus består av fire trinn: (1) sensor montering, (2) dyr forberedelse, (3) VEP måling og (4) signalbehandling. Dette dokumentet presenterer representant målinger av VEP svar fra flere mus med en submicro-spenningen signalet oppløsning og sub hundre millisekund midlertidig løsning. Selv om den foreslåtte metoden er tryggere og mer praktisk sammenlignet med andre tidligere rapportert dyr EEG overtakende metoder, det gjenstår problemer inkludert hvordan å forbedre signal-til-støy-forhold og hvordan å bruke denne teknikken med fritt flytte dyr. Den foreslåtte metoden benytter lett tilgjengelige ressurser og viser en repeterende VEP svar med en tilfredsstillende signalkvalitet. Denne metoden kan derfor utnyttes av langsgående eksperimentelle studier og pålitelig translasjonsforskning utnytte ikke-invasiv paradigmer.
Introduction
Som antall pasienter med senil degenerative brain sykdommer som demens, Alzheimers, Parkinsonspasienter syndromer og slag har økt med en aldrende befolkning og en økende levealder, har langsiktig samfunnsmessige byrden av disse sykdommene også økt1,2,3. I tillegg er de fleste neurodevelopmental sykdommer, for eksempel schizofreni og autisme, ledsaget av kognitive og atferdsmessige sykdommer som påvirker pasientens hele livet2,3,4. Derfor har forskere strevd for å forbedre diagnostisering, forebygging, patologisk forståelse, langsiktig observasjon og behandling av brain sykdommer. Men er problemer stammesøk hjernens kompleksitet og unrevealed sykdom patologi. Translasjonsforskning kan være et lovende verktøy for å identifisere løsninger fordi det muliggjør overføring av grunnleggende forskning til kliniske applikasjoner innen en kortere tidsramme, til lavere kostnad og med en høyere suksessrate i nevrovitenskap felt5 ,6,7. Et mål av translasjonsforskning er å undersøke anvendelsen på menneskelig fag, som krever ikke-invasiv eksperimentelle tilnærminger i dyr at sammenligninger på samme metode for mennesker. Disse betingelsene har ført til flere betydelig behov for å utvikle ikke-invasiv dyr forberedelse metoder. En metode er Elektroencefalogram (EEG), som avslører kortikale hjernen tilkobling og aktivitet two-dimensionally med høy midlertidig løsning, og som drar nytte av en ikke-invasiv protokoll. Event-relaterte potensielle innspillingen (ERP) er en av de typiske eksperimentelle paradigmene som bruker EEG.
Tallrike studier næringsdrivende ikke-invasiv EEG metodene for målretting mennesker fag, mens invasive metoder, slik som implantat skruer og pole type elektroder, har vært brukt i dyrestudier8,9,10 , 11 , 12. signalkvaliteten og egenskapene til disse metodene er betydelig avhengige invasiveness av sensoren plasseringen. For vellykket translasjonsforskning, Garner understreket bruker de samme betingelsene for dyret studien som brukes for menneskelig forskning13. Grunnforskning bruke dyr, men er ikke-invasiv EEG metoder ikke utbredt. En ny tilnærming med en ikke-invasiv hodebunnen EEG sensoren system fokusere på laboratoriet mus ville være et pålitelig og effektivt verktøy for translasjonsforskning som kan brukes til ikke-invasiv paradigmene for mennesker, også.
Tallrike mus EEG studier ledet vei ved å kommersialisere PCB (trykt kretsløpet råd) basert flerkanals elektroder14,15,16. Selv om de vedtatt en invasiv metode, hadde de et begrenset antall kanaler (3-8), som gjorde det vanskeligere å observere store hjernen dynamics. Videre kan programmer være innskrenket av deres invasiveness og høye kostnader. En annen studie, KIST (Korea Institutt for vitenskap og teknologi) utviklet en 40 kanal polyimid (pi)-baserte tynn-film elektrode og koblet den til en mus skallen17,18,19,20 . Dette arbeidet fikk flest musen EEG kanaler. Det var imidlertid mekanisk svak og ikke lett å bruke; Derfor var det upassende for langsiktige observasjoner, fører til et redusert signal, muligens forårsaket av en immunreaksjon. I mellomtiden, Troncoso og Mégevand kjøpt en sensorisk evoked potensial (SEP) på Red hodeskaller med trettito rustfritt stål elektroder sikret av en perforert Poly(methyl methacrylate) (PMMA, akryl glass) rutenettet21,22 , 23. til tross for deres høy signalkvalitet, elektrodene var mekanisk fleksible og anbud; Derfor hadde de problemer mot flere eksperimenter. Dessuten, var denne metoden fortsatt minimal invasiv. Selv om disse metodene gir god signalkvalitet, arealet av en mus skallen er begrenset, derfor elektrodene er begrenset ved hjelp av en elektrode rustfritt pole-type. En rekke tidligere EEG studier for mus viste flere begrensninger. I denne studien vil vi vise en ny metode for å måle EEG i pre-klinisk translasjonsforskning bruker en ikke-invasiv tørr flerkanals sensor.
For å overvinne begrensningene til tidligere dyr EEG metoder, som inkluderte den iboende kompleksiteten i dyr forberedelse, invasiveness, høye kostnader, wastefulness og svak mekanisk styrke, forsøkte vi å utvikle en ny elektrode som viser fleksibilitet, tørr type status, flerkanals evner, ikke-invasiveness og re-usability. I den følgende protokollen, vil vi beskrive prosessen med å måle visuelle evoked potensial (VEP) innspillinger på en musen hodebunnen med en tørr, ikke-invasiv, flerkanals EEG sensoren. Denne metoden bruker lett tilgjengelige ressurser, derfor senket barrieren til oppføring i dyr eksperimentering innen biomedisinsk engineering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi først fokusert på utformingen av sensoren, prioritere praktiske ved å minimere komplekse kirurgiske prosedyrer. Deformerbare EEG sensoren består av seksten pinner: fjorten for opptak, for bakken og det vare ettall for referanse elektroder. Hver elektrode har stempelet-våren-fat struktur, som gjelder deformability på elektrodens kontakt overflaten, så de rette jevn og stabil signalet vinningen fra buet og øm musen er hodebunnen. Vurderer velferden til dyrene, vi prøvde å minimere smerte påført våren kraft …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet var støttes delvis av GIST Research Institute (GRI), GIST-Caltech samarbeidsprosjektet gjennom et stipend gitt av GIST i 2017. Også støttet av forskningsstipend (NRF-2016R1A2B4015381) av National Research Foundation (NRF) finansiert av koreanske regjeringen (MEST), og av KBRI grunnleggende forskningsprogram gjennom Korea hjernen forskningsinstitutt finansiert av departementet for vitenskap, IKT og fremtiden Planlegging (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).
