JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengenharia

مكافحة القوارض السلوكية اختبار لتقييم العجز الوظيفي الناجم عن زرع ميكروليكترودي في القشرة الحركية الفئران

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

وقد أظهرنا أن غرس ميكروليكترودي في القشرة الحركية الفئران يسبب العجز الحركي فورية ودائمة. الأساليب المقترحة هنا الخطوط العريضة جراحة زرع ميكروليكترودي وثلاث مهام السلوكية القوارض توضيح التغييرات المحتملة في الدالة موتور غرامة أو الإجمالي بسبب الأضرار التي تسببت في زرع للقشرة الحركية.

Abstract

الأجهزة الطبية مزروع في المخ من إمكانات هائلة. كجزء من نظام واجهة الجهاز الدماغ (BMI)، ميكرويليكتروديس إينتراكورتيكال إثبات القدرة على تسجيل إمكانات العمل من الفئات الفردية أو الصغيرة من الخلايا العصبية. قد استخدمت بنجاح مثل هذه الإشارات المسجلة السماح للمرضى إلى الواجهة مع أو التحكم في أجهزة الكمبيوتر وأطرافه الروبوتية وأطرافه الخاصة بهم. ومع ذلك، أظهرت الدراسات السابقة على الحيوانات أن زرع ميكروليكترودي في الدماغ لا يضر الأنسجة المحيطة فحسب بل يمكن أن يؤدي أيضا إلى عجز وظيفي. وهنا، نحن نناقش سلسلة من الاختبارات السلوكية التحديد الكمي للعاهات الحركية المحتملة بعد غرس ميكروليكتروديس إينتراكورتيكال في القشرة الحركية للفئران. الأساليب للشبكة فتح الحقل وسلم عبور، واختبار قوة قبضة توفر معلومات قيمة فيما يتعلق بالمضاعفات المحتملة الناجمة عن زرع ميكرويليكترودي. نتائج اختبار سلوكية ترتبط بعلم الأنسجة نقطة النهاية، تقديم معلومات إضافية عن النتائج المرضية والآثار المترتبة على هذا الإجراء في النسيج المجاور.

Introduction

واستخدمت ميكروليكتروديس إينتراكورتيكال أصلاً لخريطة دوائر الدماغ، وتحولت إلى أداة قيمة لتمكين الكشف عن نوايا السيارات التي يمكن استخدامها لإنتاج النواتج الفنية1. يمكن أن تقدم النواتج الفنية الكشف عن الأفراد الذين يعانون من إصابات النخاع الشوكي، والشلل الدماغي، والتصلب العضلي الجانبي (المرض)، أو غيرها من الشروط التي تحد من حركة عنصر التحكم من الكمبيوتر المؤشر2،3 أو إليه (روبوت) ذراع4،،من56، أو استعادة وظيفة إلى بهم ذوي أطرافهم7. ولذلك، برزت التكنولوجيا ميكروليكترودي إينتراكورتيكال كمبشرة بالخير، وتنمو بسرعة الميدان8.

بسبب النجاحات التي ينظر إليها في هذا المجال، تجري الدراسات السريرية لتحسين وفهم أفضل لإمكانيات مؤشر كتلة الجسم التكنولوجيا5،،من910. بتحقيق الإمكانات الكاملة للاتصالات مع الخلايا العصبية في المخ، تعتبر طلبات التأهيل بلا حدود8. على الرغم من وجود قدر كبير من التفاؤل لمستقبل التكنولوجيا ميكروليكترودي إينتراكورتيكال، كما أنها معروفة جيدا أن ميكروليكتروديس تفشل في نهاية المطاف11، ربما بسبب استجابة نيوروينفلاماتوري حاد بعد زرع. غرس مادة أجنبية في الدماغ ينتج الضرر الفوري للأنسجة المحيطة، ويؤدي إلى مزيد من الأضرار الناجمة عن الاستجابة نيوروينفلاماتوري التي تختلف تبعاً لخصائص من زرع12. وباﻹضافة إلى ذلك، زرع في الدماغ يمكن أن تسبب أثرا ميكروليسيون: انخفاض الجلوكوز الأيض يعتقد أن يكون سبب بذمة الحادة ونزيف بسبب الإدراج الجهاز13. وعلاوة على ذلك، جودة الإشارة وطول الفترة الزمنية التي يمكن أن تسجل إشارات مفيدة غير متناسقة، بغض النظر عن نموذج الحيوان11،14،،من1516. أظهرت العديد من الدراسات العلاقة بين نيوروينفلاميشن وميكروليكترودي الأداء17،،من1819. ولذلك، هو توافق آراء المجتمع أن الاستجابة الالتهابية من الأنسجة العصبية التي تحيط ميكروليكتروديس، جزئيا على الأقل، يمس موثوقية القطب.

العديد من الدراسات قد فحصت التهاب المحلية11،20،،من2122 أو استكشاف أساليب للحد من الأضرار في الدماغ الناجم عن الإدراج11،23، 24،25، بهدف تحسين أداء تسجيل على مر الوقت14،26. بالإضافة إلى ذلك، نحن قد أظهرت مؤخرا أن أسباب علاجية المنشأ ضرر ناجم إدراج ميكرويليكترودي في القشرة الحركية للفئران عجز الحركي غرامة فورية ودائمة27. ولذلك غرض البروتوكولات المقدمة هنا إعطاء الباحثين أسلوب كمي لتقييم العجز الحركي ممكن نتيجة صدمات الدماغ بعد زرع والتواجد المستمر لأجهزة إينتراكورتيكال (ميكروليكتروديس في حالة هذه المخطوطة). اختبارات السلوك الموصوف هنا صممت لندف من كل العاهات الدالة الحركية الجسيمة وغرامة، ويمكن أن تستخدم في نماذج عديدة لإصابة في الدماغ. هذه الأساليب هي واضحة، واستنساخه، ويمكن تنفيذها بسهولة في نموذج القوارض. علاوة على ذلك، تسمح الأساليب المقدمة هنا لارتباط السلوك الحركي لنتائج النسيجي، استحقاقا أنه حتى مؤخرا، لم نر الكتاب المنشورة في مجال مؤشر كتلة الجسم. وأخيراً، كما تم تصميم هذه الأساليب لاختبار وظيفة الحركية الدقيقة28، الدالة السيارات الإجمالي29، والإجهاد والقلق السلوك29،30، الأساليب المعروضة هنا يمكن أيضا تنفيذها في مجموعة متنوعة من نماذج إصابة في الرأس حيث تريد الباحثون أن القاعدة بها (أو في) أي عجز وظيفة الحركة.

Protocol

جميع إجراءات وممارسات رعاية الحيوان كانت وافقت عليها وتنفيذها وفقا للويس ستوكس كليفلاند الإدارة من قدامى المحاربين في الشؤون الطبية مركز الحيوان الرعاية المؤسسية واستخدام لجان. ملاحظة: لتوعية الباحثين بشأن القرار حول الاستخدام نموذج إصابة طعنه كعنصر تحكم، ينصح باستعراض …

Representative Results

باستخدام الأساليب المعروضة هنا، جراحة زرع ميكروليكترودي في القشرة الحركية هو المكتمل التالية الإجراءات المعمول بها39،40،41،42، متبوعاً بالاختبار الميداني فتح الشبكة تقييم الدالة الحركية الجسيمة وسلم …

Discussion

البروتوكول الواردة هنا قد استخدمت لقياس فعالية وتكاثر العجز الحركي كل خير وإجمالي في نموذج لإصابة في الدماغ القوارض. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يسمح للترابط بين السلوك الحركي غرامة النسيجي النتائج التالية غرس ميكرويليكترودي في القشرة الحركية. الطرق سهلة لمتابعة، وغير مكلفة لإعداد، ويمكن تع…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

هذه الدراسة وأيده في الجزء “استعراض جائزة الجدارة” #B1495-R (كابادونا) وجائزة الوظيفي المبكر الرئاسية للعلماء والمهندسين (بيكاس، كابادونا) من “الولايات المتحدة” (الولايات المتحدة) إدارة “المحاربين القدماء شؤون التأهيل البحوث” و خدمة التنمية. بالإضافة إلى ذلك، هذا العمل كان في الجزء التي يدعمها المكتب من مساعد وزير الدفاع “الشؤون الصحية” عن طريق “الأقران استعرض الطبية برنامج البحوث” تحت “رقم الجائزة” W81XWH-15-1-0608. المحتويات لا تمثل وجهات نظر حكومة الولايات المتحدة أو إدارة شؤون قدامى المحاربين في الولايات المتحدة. المؤلف يود أن يشكر الدكتور هيرويوكي Arakawa في “صميم سلوك القوارض كورو” لقيادته في تصميم واختبار بروتوكولات السلوكية القوارض. الكتاب أيضا يود أن يشكر جيمس دريك وكيفن تالبوت من كورو الإدارة الميكانيكية وهندسة الطيران للمساعدة في تصميم وتصنيع اختبار سلم القوارض.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  2. McFarland, D. J., Sarnacki, W. A., Wolpaw, J. R. Electroencephalographic (EEG) control of three-dimensional movement. Journal of Neural Engineering. 7 (3), 036007 (2010).
  3. Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (51), 17849-17854 (2004).
  4. Bell, C. J., Shenoy, P., Chalodhorn, R., Rao, R. P. Control of a humanoid robot by a noninvasive brain-computer interface in humans. Journal of Neural Engineering. 5 (2), 214-220 (2008).
  5. Collinger, J. L., et al. High-performance neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia. The Lancet. 381 (9866), 557-564 (2013).
  6. Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372-375 (2012).
  7. Ajiboye, A. B., et al. Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia: a proof-of-concept demonstration. The Lancet. 389 (10081), 1821-1830 (2017).
  8. Bowsher, K., et al. Brain-computer interface devices for patients with paralysis and amputation: a meeting report. Journal of Neural Engineering. 13 (2), 023001 (2016).
  9. Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. Direct cortical control of 3D neuroprosthetic devices. Science. 296 (5574), 1829-1832 (2002).
  10. Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. Information conveyed through brain-control: cursor versus robot. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (2), 195-199 (2003).
  11. Jorfi, M., Skousen, J. L., Weder, C., Capadona, J. R. Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications. Journal of Neural Engineering. 12 (1), 011001 (2015).
  12. Anderson, D. J. Penetrating multichannel stimulation and recording electrodes in auditory prosthesis research. Hearing Research. 242 (1-2), 31-41 (2008).
  13. Pourfar, M., et al. Assessing the microlesion effect of subthalamic deep brain stimulation surgery with FDG PET. Journal of Neurosurgery. 110 (6), 1278-1282 (2009).
  14. Hermann, J. K., et al. Inhibition of the cluster of differentiation 14 innate immunity pathway with IAXO-101 improves chronic microelectrode performance. Journal of Neural Engineering. , (2018).
  15. Bedell, H. W., et al. Targeting CD14 on blood derived cells improves chronic intracortical microelectrode performance in chronic modified state of neuroinflammation. Biomaterials. 163, 163-173 (2018).
  16. Kozai, T. D. Y., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies. ACS Chemical Neuroscience. 6 (1), 48-67 (2015).
  17. Rennaker, R. L., Miller, J., Tang, H., Wilson, D. A. Minocycline increases quality and longevity of chronic neural recordings. Journal of Neural Engineering. 4 (2), 1-5 (2007).
  18. Saxena, T., et al. The impact of chronic blood-brain barrier breach on intracortical electrode function. Biomaterials. 34 (20), 4703-4713 (2013).
  19. Kozai, T. D., et al. Effects of caspase-1 knockout on chronic neural recording quality and longevity: insight into cellular and molecular mechanisms of the reactive tissue response. Biomaterials. 35 (36), 9620-9634 (2014).
  20. Biran, R., Martin, D., Tresco, P. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
  21. Potter, K. A., Buck, A. C., Self, W. K., Capadona, J. R. Stab injury and device implantation within the brain results in inversely multiphasic neuroinflammatory and neurodegenerative responses. Journal of Neural Engineering. 9 (4), 046020 (2012).
  22. Szarowski, D. H., et al. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Research. 983 (1-2), 23-35 (2003).
  23. Gunasekera, B., Saxena, T., Bellamkonda, R., Karumbaiah, L. Intracortical recording interfaces: current challenges to chronic recording function. ACS Chemical Neuroscience. 6 (1), 68-83 (2015).
  24. Villalobos, J., et al. Preclinical evaluation of a miniaturized Deep Brain Stimulation electrode lead. Conference Proceedings: Annual International Conferences of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2015, 6908-6911 (2015).
  25. Zhong, Y., Bellamkonda, R. V. Controlled release of anti-inflammatory agent alpha-MSH from neural implants. Journal of Controlled Release. 106 (3), 309-318 (2005).
  26. Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), e3565 (2012).
  27. Goss-Varley, M., et al. Microelectrode implantation in motor cortex causes fine motor deficit: implications on potential considerations to brain computer interfacing and human augmentation. Scientific Reports. 7, 15254 (2017).
  28. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: a new task to evaluate fore- and hindlimb stepping, placing, and co-ordination. Journal of Neuroscience Methods. 115 (2), 169-179 (2002).
  29. Bailey, K. R., Crawley, J. N., Buccafusco, J. J. Anxiety-related behaviors in mice. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. , (2009).
  30. Prut, L., Belzung, C. The open field as a paradigm to measure the effects of drugs on anxiety-like behaviors: a review. European Journal of Pharmacology. 463 (1-3), 3-33 (2003).
  31. Shoffstall, A. J., et al. Potential for thermal damage to the blood-brain barrier during craniotomy procedure: implications for intracortical recording microelectrodes. Journal of Neural Engineering. , (2017).
  32. Dona, K. R., et al. A novel single animal motor function tracking system using MATLAB’s computer vision toolbox to assess functional deficits. Journal of Visualized Experiments. , (2018).
  33. Ereifej, E. S., et al. Implantation of neural probes in the brain elicits oxidative stress. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. , (2018).
  34. Ereifej, E. S., et al. The neuroinflammatory response to nanopatterning parallel grooves into the surface structure of intracortical microelectrodes. Advanced Functional Materials. , (2017).
  35. Ravikumar, M., et al. The roles of blood-derived macrophages and resident microglia in the neuroinflammatory response to implanted intracortical microelectrodes. Biomaterials. 0142-9612 (35), 8049-8064 (2014).
  36. Potter-Baker, K. A., et al. A comparison of neuroinflammation to implanted microelectrodes in rat and mouse models. Biomaterials. 34, 5637-5646 (2014).
  37. Nguyen, J. K., et al. Influence of resveratrol release on the tissue response to mechanically adaptive cortical implants. Acta Biomaterialia. 29, 81-93 (2016).
  38. Ravikumar, M., et al. The effect of residual endotoxin contamination on the neuroinflammatory response to sterilized intracortical microelectrodes. Journal of Materials Chemistry B. 2, 2517-2529 (2014).
  39. Potter, K. A., Simon, J. S., Velagapudi, B., Capadona, J. R. Reduction of autofluorescence at the microelectrode-cortical tissue interface improves antibody detection. Journal of Neuroscience Methods. 203 (1), 96-105 (2012).
  40. Potter, K. A., et al. Curcumin-releasing mechanically-adaptive intracortical implants improve the proximal neuronal density and blood-brain barrier stability. Acta Biomaterialia. 10 (5), 2209-2222 (2014).
  41. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11, 056014 (2014).
  42. Potter, K. A., et al. The effect of resveratrol on neurodegeneration and blood brain barrier stability surrounding intracortical microelectrodes. Biomaterials. 34, 7001-7015 (2013).
  43. McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. Journal of Neural Engineering. 6 (5), 056003 (2009).
  44. Hamm, R. J., Pike, B. R., O’Dell, D. M., Lyeth, B. G., Jenkins, L. W. The rotarod test: an evaluation of its effectiveness in assessing motor deficits following traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 11 (2), 187-196 (1994).
  45. Teuber, H. L. Recovery of function after brain injury in man. Ciba Foundation Symposium. (34), 159-190 (1975).
  46. Carmel, J. B., Kimura, H., Martin, J. H. Electrical stimulation of motor cortex in the uninjured hemisphere after chronic unilateral injury promotes recovery of skilled locomotion through ipsilateral control. Journal of Neuroscience. 34 (2), 462-466 (2014).
  47. Hayn, L., Koch, M. Suppression of excitotoxicity and foreign body response by memantine in chronic cannula implantation into the rat brain. Brain Research Bulletin. 117, 54-68 (2015).
  48. Marklund, N. Rodent models of traumatic brain injury: methods and challenges. Methods in Molecular Biology. 1462, 29-46 (2016).
  49. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments. (28), e1204 (2009).
  50. Pajoohesh-Ganji, A., Byrnes, K. R., Fatemi, G., Faden, A. I. A combined scoring method to assess behavioral recovery after mouse spinal cord injury. Neuroscience Research. 67 (2), 117-125 (2010).
  51. Chesler, E. J., Wilson, S. G., Lariviere, W. R., Rodriguez-Zas, S. L., Mogil, J. S. Influences of laboratory environment on behavior. Nature Neuroscience. 5 (11), 1101-1102 (2002).
  52. Crabbe, J. C., Wahlsten, D., Dudek, B. C. Genetics of mouse behavior: interactions with laboratory environment. Science. 284 (5420), 1670-1672 (1999).
  53. Richter, S. H., Garner, J. P., Auer, C., Kunert, J., Wurbel, H. Systematic variation improves reproducibility of animal experiments. Nature Methods. 7 (3), 167-168 (2010).
  54. Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
  55. Osier, N. D., Dixon, C. E. The controlled cortical impact model: applications, considerations for researchers, and future directions. Frontiers in Neurology. 7, 134 (2016).
  56. Harrison, F. E., Hosseini, A. H., McDonald, M. P. Endogenous anxiety and stress responses in water maze and Barnes maze spatial memory tasks. Behavioural Brain Research. 198 (1), 247-251 (2009).
  57. Jackson, J. R., et al. Reduced voluntary running performance is associated with impaired coordination as a result of muscle satellite cell depletion in adult mice. Skeletal Muscle. 5, 41 (2015).
  58. Potter-Baker, K. A., et al. Implications of chronic daily anti-oxidant administration on the inflammatory response to intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 12 (4), 046002 (2015).
  59. Ware, T., Simon, D., Rennaker, R. L., Voit, W. Smart polymers for neural interfaces. Polymer Reviews. 53 (1), 108-129 (2013).
  60. Ecker, M., et al. Sterilization of thiol-ene/acrylate based shape memory polymers for biomedical applications. Macromolecular Materials and Engineering. 302 (2), 160331 (2017).
  61. Kozai, T., et al. Reduction of neurovascular damage resulting from microelectrode insertion into the cerebral cortex using in vivo two-photon mapping. Journal of Neural Engineering. 7 (4), 046011 (2010).

Tags

RodentBehavioral TestingFunctional DeficitsMicroelectrode ImplantationRat Motor CortexNeural EngineeringMotor FunctionSurgical ProcedureStereotaxic FrameCephalosporin AntibioticBupivacaineBetadineCyanoacrylateDental CementDuraMotor CortexForepaw Movement

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
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).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image