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Bioengenharia

Comportamentais de testes para avaliar déficits funcionais causados pela implantação de microeletrodos no córtex Motor rato roedor

Published: August 18, 2018
doi:
10.3791/57829
, , , , , ,
1Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development,Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering,Case Western Reserve University

Summary

Mostramos que uma implantação de microeletrodos no córtex motor de ratos provoca déficits motor imediatos e duradouros. Os métodos propuseram neste documento contorno uma cirurgia de implante de microeletrodos e três roedores tarefas comportamentais para elucidar possíveis alterações na função motor fina ou bruta devido aos danos causados a implantação para o córtex motor.

Abstract

Dispositivos médicos implantados no cérebro têm enorme potencial. Como parte de um sistema de Interface de máquina cerebral (IMC), intracortical microeletrodos demonstram a capacidade de gravar os potenciais de ação de individuais ou pequenos grupos de neurônios. Tais sinais gravados com êxito tem sido usados para permitir pacientes para interface com ou controlar seus próprios membros, membros robóticos e computadores. No entanto, estudos anteriores com animais mostraram que uma implantação de microeletrodos no cérebro não só danifica o tecido circundante, mas também pode resultar em déficits funcionais. Aqui, vamos discutir uma série de testes comportamentais para quantificar potenciais deficiências motor seguindo a implantação de microeletrodos intracortical no córtex motor de um rato. Os métodos para a grade de campo aberto, cruzamento de escada e testes de resistência de aderência fornecem informações valiosas sobre as potenciais complicações resultantes de uma implantação de microeletrodos. Os resultados dos testes comportamentais estão correlacionados com histologia de ponto de extremidade, fornecendo informações adicionais sobre os resultados patológicos e os impactos deste procedimento no tecido adjacente.

Introduction

Microeletrodos intracortical foram originalmente usados para mapear os circuitos do cérebro e desenvolveram-se em uma valiosa ferramenta para habilitar a detecção de intenções motor que pode ser usado para produzir saídas funcional1. Saídas funcionais detectadas podem oferecer a indivíduos que sofrem de lesões na medula espinhal, paralisia cerebral, esclerose lateral amiotrófica (ela) ou outras condições de limitação de movimento do controle de um cursor de computador2,3 ou robótica 4,5,6do braço, ou restaurar a função própria de membro com deficiência7. Portanto, tecnologia de microeletrodos intracortical tem emergido como um promissor e rapidamente crescente campo8.

Devido o sucesso visto no campo, estudos clínicos estão em andamento para melhorar e entender melhor as possibilidades de BMI tecnologia5,9,10. Por perceber o potencial de comunicação com os neurônios no cérebro, as aplicações de reabilitação são percebidas como ilimitado8. Embora haja grande optimismo para o futuro da tecnologia de microeletrodos intracortical, também é bem conhecido que microeletrodos eventualmente falharem11, possivelmente devido a uma resposta aguda MPTP pós-implante. A implantação de um material estranho no cérebro resulta em danos imediatos para os tecidos circundantes e leva a mais danos causados por MPTP resposta que varia de acordo com propriedades do implante12. Além disso, um implante no cérebro pode causar um efeito de microlesion: uma redução no metabolismo da glicose, pensado para ser causado por edema agudo e hemorragia devido a inserção de dispositivo13. Além disso, a qualidade de sinal e o comprimento de tempo que os sinais úteis podem ser registrados são inconsistentes, independentemente do modelo animal11,14,15,16. Vários estudos têm demonstrado a conexão entre neuroinflammation e microeletrodos desempenho17,18,19. Portanto, o consenso da Comunidade é que a resposta inflamatória do tecido neural que rodeia os microeletrodos, pelo menos em parte, compromete a confiabilidade do eletrodo.

Muitos estudos têm examinado a inflamação local11,20,21,22 ou explorado métodos para reduzir os danos ao cérebro causado por inserção11,23, 24,25, com o objetivo de melhorar o desempenho de gravação ao longo do tempo14,26. Além disso, nós recentemente mostraram que uma lesão iatrogênica causada por uma inserção de microeletrodos no córtex motor de ratos provoca uma imediata e duradoura déficit motor bem27. Portanto, o objetivo dos protocolos aqui apresentados é dar pesquisadores um método quantitativo para avaliar possíveis déficits motor como resultado de trauma crânio-encefálico após a implantação e a presença persistente de dispositivos intracortical (microeletrodos na caso deste manuscrito). Os testes de comportamento descritos aqui foram projetados para destrinchar ambas as deficiências da motricidade grosseira e fina e podem ser usados em muitos modelos de lesão cerebral. Esses métodos são simples, reprodutível e podem ser facilmente implementados em um modelo de roedor. Além disso, os métodos aqui apresentados permitem uma correlação de comportamento motor para resultados histológicos, um benefício que, até recentemente, os autores não vi publicada no campo de IMC. Finalmente, como esses métodos foram projetados para testar a função motora fina28, a função motora bruta29e stress e ansiedade comportamento29,30, os métodos apresentados aqui também podem ser implementados em uma variedade de modelos de ferimento na cabeça, onde os investigadores querem governar para fora (ou em) eventuais déficits de função motora.

Protocol

Todos os procedimentos e práticas de cuidados com animais foram aprovadas pela e realizadas em conformidade com o Louis Stokes Cleveland departamento de veteranos dos Assuntos centro institucional Animal cuidados médicos e comissões de utilização. Nota: Para educar os pesquisadores sobre a decisão sobre o uso de um modelo de ferimento de facada como um controle, recomenda-se revisar o trabalho feito por Potter et al 21. 1. proced…

Representative Results

Usando os métodos apresentados aqui, uma cirurgia de implante de microeletrodos no córtex motor é concluído seguir procedimentos estabelecidos39,40,41,42, seguido pelo teste da grade de campo aberto para avaliar a função motora bruta e escada e aperto força testes para avaliar o motor bem função27. Teste de função motora foi co…

Discussion

O protocolo descrito aqui tem sido usado para efetivamente e reproducibly medir déficit motor fino e bruto em um modelo de lesão cerebral de roedores. Além disso, permite a correlação de comportamento motor fino a resultados histológicos pós-implante um microeléctrodo no córtex motor. Os métodos são fáceis de seguir, barato para configurar e podem ser modificados para atender às necessidades individuais do pesquisador. Além disso, os testes de comportamento não causa grande stress ou dor aos animais; em ve…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este estudo foi suportado em parte pela revisão de mérito #B1495-R (Capadona) e o Prêmio presidencial de carreira precoce para cientista e engenheiros (PECASE, Capadona) dos Estados Unidos (EUA) departamento de veteranos dos assuntos reabilitação pesquisa e Serviço de desenvolvimento. Além disso, este trabalho foi financiado em parte pela estância de assistente de defesa para assuntos de saúde, através de Peer revisão médica programa de pesquisa sob n º prêmio W81XWH-15-1-0608. O conteúdo não representam a opinião do departamento dos EUA de assuntos de veteranos ou o governo dos Estados Unidos. Os autores gostaria de agradecer o Dr. Hiroyuki Arakawa no núcleo de comportamento do roedor CWRU para sua orientação em projetar e testar protocolos comportamentais roedores. Os autores também gostaria de agradecer sua ajuda na concepção e fabrico no teste de roedores escada James Drake e Kevin Talbot do CWRU departamento de mecânica e engenharia aeroespacial.

Materials

Sprague Dawley rats, male, 201-225g Charles River CD
Compac5 anesthesia system Vetequip 901812
Electric trimmers Wahl 9918-6171
Stereotaxic frame David Kopf Instruments 1760
Gaymar heated water pad and pump Braintree Scientific Inc  TP-700
Vetbond tissue adhesive 3M 07-805-5031
Dental drill Pearson Dental O60-0045
Dura pick Fine Science Tools 10064-14
Silicon shank microelectrode Made in-house at Cleveland VA Medical Center N/A
KwikCast silicone elastomer World Precision Instruments KWIK-CAST
Teets dental cement  A-M Systems 525000
Webcam HD Pro c920 Logitec 960-000764
Grip strength meter Harvard Apparatus 565084
Minitab 17 statistical software Minitab Inc
Open field grid test Made in-house at Case Western Reserve University N/A
Ladder test Made in-house at Case Western Reserve University N/A
Rabbit anti rat IgG antibody Bio-Rad 618501
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Referências

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Keywords: RodentBehavioral TestingFunctional DeficitsMicroelectrode ImplantationRat Motor CortexNeural EngineeringMotor FunctionSurgical ProcedureStereotaxic FrameCephalosporin AntibioticBupivacaineBetadineCyanoacrylateDental CementDuraMotor CortexForepaw Movement
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Goss-Varley, M., Shoffstall, A. J., Dona, K. R., McMahon, J. A., Lindner, S. C., Ereifej, E. S., Capadona, J. R. Rodent Behavioral Testing to Assess Functional Deficits Caused by Microelectrode Implantation in the Rat Motor Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57829, doi:10.3791/57829 (2018).
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