Summary

Gnaver adfærdsmæssige test for at vurdere funktionelle mangler forårsaget af mikroelektrode Implantation i rotte motoriske Cortex

Published: August 18, 2018
doi:

Summary

Vi har vist, at en mikroelektrode implantation i den motoriske hjernebark af rotter forårsager øjeblikkelig og varig motor underskud. Metoderne, der foreslås heri disposition en mikroelektrode implantering og tre gnaver adfærdsmæssige opgaver at belyse eventuelle ændringer i den fin eller grov motorik på grund af implantation-forårsaget skade på den motoriske hjernebark.

Abstract

Medicinsk udstyr implanteret i hjernen hold kolossalt potentiale. Som en del af en hjerne Machine Interface (BMI) demonstrere intracortical microelectrodes evnen til at optage handling potentialer fra individuelle eller små grupper af neuroner. Sådanne optagede signaler med held været anvendt til at tillade patienter at interface med eller styre computere, robot lemmer og deres egne lemmer. Dog har tidligere animalsk undersøgelser vist at en mikroelektrode implantation i hjernen ikke kun skader det omkringliggende væv, men kan også resultere i funktionelle mangler. Her diskuterer vi en række adfærdsmæssige test at kvantificere potentielle motoriske funktionsnedsættelser efter implantation af intracortical microelectrodes i den motoriske hjernebark af en rotte. Metoderne til åben feltgitteret, stigen passage og greb styrke test giver værdifulde oplysninger om de potentielle komplikationer som følge af en mikroelektrode implantation. Resultaterne af de adfærdsmæssige test er korreleret med slutpunkt histologi, giver yderligere oplysninger om de patologiske resultater og virkninger af denne procedure på tilstødende væv.

Introduction

Intracortical microelectrodes blev oprindeligt brugt til at knytte kredsløb i hjernen, og har udviklet sig til et værdifuldt værktøj til at muliggøre påvisning af motor intentioner, som kan bruges til at fremstille funktionelle udgange1. Detekterede funktionelle udgange kan tilbyde personer lider af rygmarvsskader, cerebral parese, amyotrofisk lateral sklerose (ALS) eller andre bevægelse-begrænsende betingelser en computer markøren2,3 , eller robot arm4,5,6, eller gendanne funktion til deres egen handicappede lemmer7. Derfor opstået intracortical mikroelektrode teknologi som en lovende og hurtigt voksende felt8.

På grund af de gode resultater set i feltet, er kliniske undersøgelser undervejs for at forbedre og bedre at forstå mulighederne for BMI technology5,9,10. Af at realisere det fulde potentiale af kommunikation med neuroner i hjernen, er rehabilitering programmer opfattet som ubegrænsede8. Selvom der er stor optimisme for fremtiden for intracortical mikroelektrode teknologi, er det også velkendt, at microelectrodes i sidste ende ikke11, muligvis på grund af en akut neuroinflammatory svar efter implantation. Implantation af en udenlandsk materiale i hjernen medfører øjeblikkelig skader til det omgivende væv og fører til yderligere skade som følge af den neuroinflammatory reaktion, som varierer afhængigt af egenskaber af implantatet12. Derudover et implantat i hjernen kan forårsage en microlesion effekt: en reduktion af glukose stofskifte menes at være forårsaget af akut ødem og blødning på grund af enheden indsættelse13. Derudover er signalkvaliteten og længden af tid, nyttige signaler kan registreres inkonsekvent, uanset dyremodel11,14,15,16. Flere undersøgelser har påvist forbindelsen mellem neuroinflammation og mikroelektrode ydeevne17,18,19. Konsensus i Fællesskabet er derfor, at den inflammatoriske reaktion af neurale væv, der omgiver microelectrodes, i det mindste delvis, kompromiser elektrode pålidelighed.

Mange studier har undersøgt lokale betændelse11,20,21,22 eller udforsket metoder til at reducere skader på hjernen forårsaget af indsættelse11,23, 24,25, med et mål om outplacement recording over tid14,26. Derudover har vi for nylig vist, at en iatrogen skade forårsaget af en mikroelektrode indsættelse i den motoriske hjernebark af rotter forårsager en øjeblikkelig og varig fine motor underskud27. Formålet med de protokoller, der præsenteres her er derfor at give forskere en kvantitativ metode til at vurdere mulige motor underskud som følge af hjernen traumer efter implantation og vedvarende tilstedeværelse af intracortical enheder (microelectrodes i den tilfælde af dette manuskript). Adfærd prøverne her var designet til at drille ud både grov og fin motorik funktionshæmninger og kan bruges i mange modeller af hjerneskade. Disse metoder er ligetil, reproducerbar, og kan nemt implementeres i en gnaver model. Yderligere, de metoder, der præsenteres her tillader en korrelation på motor adfærd til histologisk resultater, en fordel, der indtil for nylig, forfatterne ikke har set offentliggjort i feltet BMI. Endelig, da disse metoder var designet til at teste fin motorik28, grov motorik29og stress og angst adfærd29,30, de metoder, der præsenteres her kan også gennemføres i en række hovedskade modeller hvor forskerne vil regere ud (eller i) enhver motorik underskud.

Protocol

Alle procedurer og dyrs pleje praksis blev godkendt og udført i overensstemmelse med Louis Stokes Cleveland afdeling af veteraner anliggender medicinsk Center institutionelle dyrs pleje og brug udvalg. Bemærk: For at uddanne forskere på beslutningen om brugen af en stab skade model som en kontrol, anbefales det at gennemgå Potter et al. arbejde 21. 1. mikroelektrode Implantation kirurgisk Procedure Pre kirurgis…

Representative Results

Ved hjælp af de metoder, der præsenteres her, er en mikroelektrode implantering i den motoriske hjernebark afsluttet følgende fastlagte procedurer39,40,41,42, efterfulgt af åben gitteret feltafprøvning for at vurdere grov motorik og stigen og greb fungere styrke test til at vurdere den fine motor27. Motorik test blev afsluttet 2 x pr…

Discussion

Den protokol, der er skitseret her har været brugt til effektivt og reproducerbar måling af både fint og groft motor underskud i en model af gnaver hjerneskade. Desuden, det giver mulighed for korrelation af fine motor adfærd til histologisk resultater efter en mikroelektrode implantation i den motoriske cortex. Metoderne er let at følge og billig at etablere, og kan ændres til at passe en forsker individuelle behov. Yderligere, opførsel test ikke forårsager stor stress eller smerte til dyr; Forskerne tror snarer…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne undersøgelse var delvist understøttet af Merit anmeldelse Award #B1495-R (Capadona) og den præsidentielle tidlige karriere Award for forskere og ingeniører (PECASE, Capadona) fra de Forenede Stater (USA) Institut for veteraner anliggender rehabilitering forskning og Udvikling af Service. Derudover blev dette arbejde støttet i en del af kontor for Assistant Secretary of Defense for sundhed anliggender gennem Peer Reviewed medicinske forskningsprogrammet under Award No. W81XWH-15-1-0608. Oplysningerne repræsenterer ikke synspunkter US Department of veterananliggender eller de Forenede Staters regering. Forfatterne vil gerne takke Dr. Hiroyuki Arakawa i CWRU gnaver adfærd kerne til hans vejledning i at designe og teste gnaver adfærdsmæssige protokoller. Forfatterne ønsker også at takke James Drake og Kevin Talbot fra den CWRU afdeling af mekanisk og astronautik for deres hjælp i design og fremstilling gnaver stigen test.

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

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).

Play Video

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).

View Video