متزامنة الفيديو-EEG-ECG الرصد لتحديد الخلل نيوروكاردياك في نماذج الماوس من الصرع
Summary
نقدم هنا، بروتوكول تسجيل الدماغ والقلب الإشارات الحيوية في الفئران باستخدام الفيديو المتزامنة، المخ (EEG)، وكهربيه (ECG). ونحن أيضا وصف أساليب لتحليل تسجيلات التخطيط الدماغي-ECG الناتجة للمضبوطات والتخطيط الدماغي القدرة الطيفية ووظيفة القلب وتقلب معدل ضربات القلب.
Abstract
في الصرع، مضبوطات يمكن أن تثير اضطرابات ضربات القلب مثل التغيرات في معدل ضربات القلب، وكتل التوصيل، أسيستوليس، وعدم انتظام ضربات القلب، التي يمكن أن تزيد خطر الوفاة المفاجئة غير المتوقعة في الصرع (سوديب). المخ (EEG) وكهربيه (ECG) أدوات التشخيص السريري المستخدمة على نطاق واسع لمراقبة الدماغ الشاذة وايقاعات القلب في المرضى. وهنا يتم وصف تقنية لتسجيل الفيديو، EEG، وتخطيط القلب في وقت واحد في الفئران لقياس السلوك والدماغ، وأنشطة القلب، على التوالي،. يستخدم أسلوب الموضحة هنا المربوطة (أي، السلكية) تسجيل التكوين الذي مسرى مزروع على رأس الماوس السلكية لمعدات تسجيل. بالمقارنة مع القياس اللاسلكية أنظمة تسجيل، الترتيب المربوطة تمتلك العديد من المزايا التقنية مثل أكبر عدد ممكن من القنوات لتسجيل EEG أو بيوبوتينتيالس أخرى؛ انخفاض تكاليف القطب؛ وأكبر تردد عرض النطاق الترددي (أي، معدل أخذ العينات) من التسجيلات. يمكن أيضا تعديل أساسيات هذه التقنية بسهولة لاستيعاب تسجيل بيوسيجنالس الأخرى، مثل الكهربائي (EMG) أو بليثيسموجرافي من أجل تقييم العضلات ونشاط الجهاز التنفسي، على التوالي. بالإضافة إلى وصف كيفية إجراء تسجيلات التخطيط الدماغي-الرسم الكهربائي للقلب، ونحن أيضا بالتفصيل أساليب لقياس البيانات الناتجة عن المضبوطات والتخطيط الدماغي القدرة الطيفية ووظيفة القلب، وتقلب معدل ضربات القلب، التي تبين لنا في تجربة مثال استخدام ماوس مع الصرع بسبب حذف الجينات Kcna1 . فيديو-EEG-ECG الرصد في نماذج الماوس من الصرع أو غيره من الأمراض العصبية يوفر أداة قوية لتحديد الخلل على مستوى الدماغ والقلب، أو تفاعلات المخ-القلب.
Introduction
المخ (EEG) وكهربيه (ECG) تقنيات قوية والمستخدمة على نطاق واسع لتقييم في فيفو الدماغ ووظيفة القلب، على التوالي. التخطيط الدماغي هو تسجيل نشاط الدماغ الكهربائية عن طريق ربط كهربائي ل فروة الرأس1. الإشارات المسجلة مع EEG غير الغازية يمثل الجهد التقلبات الناجمة عن إمكانات بوستسينابتيك ضادات والمثبطة سوماتيد الناتجة أساسا عن الخلايا العصبية الهرمية القشرية1،2. التخطيط الدماغي هو اختبار نيورودياجنوستيك الأكثر شيوعاً لتقييم وإدارة المرضى المصابين بالصرع3،4. أنها مفيدة بشكل خاص عندما تحدث نوبات الصرع دون المظاهر السلوكية التشنجية واضحة، مثل غياب النوبات أو حالة غير التشنجية ابيليبتيكوس5،6. على العكس من ذلك، غير الصرع المتعلقة بالظروف التي تؤدي إلى الحلقات التشنجية أو فقدان الوعي قد تشخص كنوبات الصرع دون رصد EEG الفيديو7. وبالإضافة إلى فائدتها في مجال الصرع، EEG كما يستخدم على نطاق واسع للكشف عن نشاط الدماغ الشاذة المرتبطة باضطرابات النوم، والاعتلال، واضطرابات الذاكرة، فضلا عن استكمال التخدير العام أثناء العمليات الجراحية2 , 8 , 9.
على النقيض من التخطيط الدماغي، تخطيط القلب (أو في بعض الأحيان يتم اختصار رسم القلب كما) هو تسجيل النشاط الكهربائي ل القلب10. اكجس تتم عادة عن طريق ربط كهربائي للأطراف أطرافهم وجدار الصدر، الذي يتيح الكشف عن التغييرات الجهد التي تولدها في عضلة القلب أثناء كل دورة قلبية للانكماش والاسترخاء10،11. تشمل مكونات الموجي ECG الابتدائي دورة القلب العادي موجه P وقيود الكمية المعقدة، وموجه T، التي تقابل أذينية depolarization و depolarization البطين البطين ريبولاريزيشن، على التوالي10، 11-رصد ECG تستخدم بشكل روتيني لتحديد عدم انتظام ضربات القلب، وعيوب نظام التوصيل القلب12. يتم تضخيمه بأهمية استخدام تخطيط القلب لتحديد عدم انتظام ضربات القلب تهدد الحياة بين مرضى الصرع، نظراً لأنهم معرضون لخطر متزايد إلى حد كبير لسكتة قلبية مفاجئة، فضلا عن الموت المفاجئ غير متوقعة في الصرع13، ،من 1415.
بالإضافة إلى تطبيقاتها السريرية، تسجيلات التخطيط الدماغي وتخطيط القلب قد أصبحت أداة لا غنى عنها لتحديد الخلل في الدماغ والقلب في نماذج الماوس من المرض. على الرغم من أن عادة هذه التسجيلات قد أجريت بشكل منفصل، هنا يصف لنا تقنية لتسجيل الفيديو، والتخطيط الدماغي، وتخطيط القلب في وقت واحد في الفئران. يستخدم الأسلوب الفيديو-EEG-ECG المتزامنة مفصلة هنا تكوين تسجيل المربوطة فيها مسرى مزروع على رأس الماوس hard-wired إلى معدات تسجيل. وتاريخيا، هذا المربوطة، أو سلكية، تكوين تم القياسية وتستخدم الأسلوب الأكثر على نطاق واسع لتسجيلات التخطيط الدماغي في الفئران؛ ومع ذلك، نظم القياس EEG اللاسلكية كما وضعت مؤخرا، وتكتسب شعبية16.
بالمقارنة مع نظم التخطيط الدماغي اللاسلكية، الترتيب المربوطة تمتلك العديد من المزايا التقنية التي قد تجعل من الأفضل الاعتماد على التطبيق المطلوب. وتشمل هذه المزايا عدد أكبر من القنوات لتسجيل EEG أو بيوبوتينتيالس أخرى؛ انخفاض تكاليف القطب؛ ديسبوسابيليتي القطب؛ أقل قابلية لإشارة الخسارة؛ وأكبر تردد عرض النطاق الترددي (أي.، معدل أخذ العينات) من تسجيلات17. القيام به بشكل صحيح، يتم تسجيل المربوطة الطريقة الموضحة هنا قادرة على توفير جودة عالية وخالية من القطع الأثرية التخطيط الدماغي وتخطيط القلب البيانات في نفس الوقت، جنبا إلى جنب مع الفيديو المقابلة للرصد السلوكي. يمكن ثم أنها ملغومة هذه البيانات التخطيط الدماغي وتخطيط القلب لتحديد العصبية، وأمراض القلب، أو شذوذ نيوروكاردياك مثل المضبوطات، تغييرات في التخطيط الدماغي السلطة الطيف، كتل التوصيل القلب (أي.، تخطي دقات القلب)، والتغييرات في تقلب معدل ضربات القلب. تثبت تطبيق هذه الأساليب الكمية في التخطيط الدماغي-تخطيط القلب، نقدم تجربة مثال بالضربة قاضية Kcna1 (-/-) باستخدام الماوس. Kcna1 الفئران -/- تفتقر إلى بوابات الجهد Kv1.1 α-مفارز ونتيجة لذلك معرض المضبوطات عفوية والخلل في القلب والوفاة قبل الأوان، مما يجعلهم نموذجا مثاليا لتقييم التخطيط الدماغي-ECG المتزامنة الضارة المرتبطة بالصرع خلل نيوروكاردياك.
Protocol
Representative Results
Discussion
للحصول على تسجيلات التخطيط الدماغي-ECG عالية الجودة خالية من القطع الأثرية، ينبغي اتخاذ كل الاحتياطات للحيلولة دون تدهور أو تفكك القطب مزروع والأسلاك. كما زرع رأس EEG تصبح فضفاضة، سوف تتحلل اتصالات سلكية مع الدماغ مما يؤدي إلى انخفاض إشارة ستريك. يزرع فضفاضة أو سلك سوء الاتصالات يمكن أيضا أن…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أيد هذا العمل “المتحدة المواطنين” للبحوث في الصرع (عدد المنح 35489)؛ المعاهد الوطنية للصحة (منح أرقام R01NS100954، R01NS099188)؛ ومركز العلوم الصحية جامعة الدولة لويزيانا موشي مالكولم زمالة ما بعد الدكتوراه.
Materials
| VistaVision stereozoom dissecting microscope | VWR | ||
| Dolan-Jenner MI-150 microscopy illuminator, with ring light | VWR | MI-150RL | |
| CS Series scale | Ohaus | CS200 | for weighing animal |
| T/Pump professional | Stryker | recirculating water heat pad system | |
| Ideal Micro Drill | Roboz Surgical Instruments | RS-6300 | |
| Ideal Micro Drill Burr Set | Cell Point Scientific | 60-1000 | only need the 0.8-mm size |
| electric trimmer | Wahl | 9962 | mini clipper |
| tabletop vise | Eclipse Tools | PD-372 | PD-372 Mini-tabletop suction vise |
| fine scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | ToughCut, Straight, Sharp/Sharp, 11.5 cm |
| Crile-Wood needle holder | Fine Science Tools | 12003-15 | Straight, Serrated, 15 cm, with lock – For applying wound clips |
| Dumont #7 forceps | Fine Science Tools | 11297-00 | Standard Tips, Curved, Dumostar, 11.5 cm |
| Adson forceps | Fine Science Tools | 11006-12 | Serrated, Straight, 12 cm |
| Olsen-Hegar needle holder with suture cutter | Fine Science Tools | 12002-12 | Straight, Serrated, 12 cm, with lock |
| scalpel handle #3 | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| surgical blades #15 | Havel's | FHS15 | |
| 6-0 surgical suture | Unify | S-N618R13 | non-absorbable, monofilament, black |
| gauze sponges | Coviden | 2346 | 12 ply, 7.6 cm x 7.6 cm |
| cotton-tipped swabs | Constix | SC-9 | 15.2-cm total length |
| super glue | Loctite | LOC1364076 | gel control |
| Michel wound clips, 7.5mm | Kent Scientific | INS700750 | |
| polycarboxylate dental cement kit | Prime-dent | 010-036 | Type 1 fine grain |
| tuberculin syringe | BD | 309623 | |
| polyethylene tubing | Intramedic | 427431 | PE160, 1.143 mm (ID) x 1.575 mm (OD) |
| chlorhexidine | Sigma-Aldrich | C9394 | |
| ethanol | Sigma-Aldrich | E7023-500ML | |
| Puralube vet ointment | Dechra Veterinary Products | opthalamic eye ointment | |
| mouse anesthetic cocktail | Ketamine (80 mg/kg), Xylazine (10 mg/kg), and Acepromazine (1 mg/kg) | ||
| carprofen | Rimadyl (trade name) | ||
| HydroGel | ClearH20 | 70-01-5022 | hydrating gel; 56-g cups |
| Ponemah software | Data Sciences International | data acquisition and analysis software; version 5.2 or greater with Electrocardiogram Module | |
| 7700 Digital Signal conditioner | Data Sciences International | ||
| 12 Channel Isolated Bio-potential Pod | Data Sciences International | ||
| fish tank | Topfin | for use as recording chamber; 20.8 gallon aquarium; 40.8 cm (L) X 21.3 cm (W) X 25.5 cm (H) | |
| Digital Communication Module (DCOM) | Data Sciences International | 13-7715-70 | |
| 12 Channel Isolated Bio-potential Pod | Data Sciences International | 12-7770-BIO12 | |
| serial link cable | Data Sciences International | J03557-20 | connects DCOM to bio-potential pod |
| Acquisition Interface (ACQ-7700USB) | Data Sciences International | PNM-P3P-7002 | |
| network video camera | Axis Communications | P1343, day/night capability | |
| 8-Port Gigabit Smart Switch | Cisco | SG200-08 | 8-port gigabit ethernet swith with 4 power over ethernet supported ports (Cisco Small Business 200 Series) |
| 10-pin male nanoconnector with guide post hole | Omnetics | NPS-10-WD-30.0-C-G | electrode for implantation on the mouse head |
| 10-socket female nanoconnector with guide post | Omnetics | NSS-10-WD-2.0-C-G | connector for electrode implant |
| 1.5-mm female touchproof connector cables | PlasticsOne | 441 | 1 signal, gold-plated; for connecting the wiring from the head-mount implant to the bio-potential pod |
| soldering iron | Weller | WESD51 BUNDLE | digital soldering station |
| solder | Bernzomatic | 327797 | lead free, silver bearing, acid flux core solder |
| heat shrink tubing | URBEST | collection of tubing with 1.5- to 10-mm internal diameters | |
| heat gun | Dewalt | D26960 | |
| mounting tape (double-sided) | 3M Scotch | MMM114 | 114/DC Heavy Duty Mounting Tape, 2.54 cm x 1.27 m |
| desktop computer | Dell | recommended minimum requirements: 3rd Gen Intel Core i7-3770 processor with HD4000 graphics; 4 GB RAM, 1 GB AMD Radeon HD 7570 video card; 1 TB hard drive; Windows 7 OS | |
| permanent marker | Sharpie | 37001 | black color, ultra fine point |
| toothpicks | for mixing and applying the polycarboxylate dental cement | ||
| LabChart Pro software | ADInstruments | power spectrum software; version 8.1.3 or greater | |
| Kubios HRV software | Univ. of Eastern Finland | HRV analysis software; version 2.2 | |
| Notepad | Microsoft | simple text editor software |
References
- Fisch, B. J. . Fisch and Spehlmann’s EEG Primer. , (1999).
- Constant, I., Sabourdin, N. The EEG signal: a window on the cortical brain activity. Paediatr. Anaesth. 22 (6), 539-552 (2012).
- Mendez, O. E., Brenner, R. P. Increasing the yield of EEG. J. Clin. Neurophysiol. 23 (4), 282-293 (2006).
- Smith, S. J. M. EEG in the diagnosis, classification, and management of patients with epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 76, ii2-ii7 (2005).
- Bauer, G., Trinka, E. Nonconvulsive status epilepticus and coma. Epilepsia. 51 (2), 177-190 (2010).
- Hughes, J. R. Absence seizures: a review of recent reports with new concepts. Epilepsy Behav. 15 (4), 404-412 (2009).
- Mostacci, B., Bisulli, F., Alvisi, L., Licchetta, L., Baruzzi, A., Tinuper, P. Ictal characteristics of psychogenic nonepileptic seizures: what we have learned from video/EEG recordings–a literature review. Epilepsy Behav. 22 (2), 144-153 (2011).
- Smith, S. J. M. EEG in neurological conditions other than epilepsy: when does it help, what does it add?. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 76, ii8-ii12 (2005).
- Kennett, R. Modern electroencephalography. J. Neurol. 259 (4), 783-789 (2012).
- Thaler, M. S. . The Only EKG Book You’ll Ever Need. , (2012).
- Becker, D. E. Fundamentals of electrocardiography interpretation. Anesth. Prog. 53 (2), 53-63 (2006).
- Luz, E. J. S., Schwartz, W. R., Cámara-Chávez, G., Menotti, D. ECG-based heartbeat classification for arrhythmia detection: A survey. Comput. Methods Programs Biomed. 127, 144-164 (2016).
- Bardai, A., et al. Epilepsy is a risk factor for sudden cardiac arrest in the general population. PloS One. 7 (8), e42749 (2012).
- Lamberts, R. J., et al. Increased prevalence of ECG markers for sudden cardiac arrest in refractory epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 86 (3), 309-313 (2015).
- Thurman, D. J., Hesdorffer, D. C., French, J. A. Sudden unexpected death in epilepsy: assessing the public health burden. Epilepsia. 55 (10), 1479-1485 (2014).
- Zayachkivsky, A., Lehmkuhle, M. J., Dudek, F. E. Long-term Continuous EEG Monitoring in Small Rodent Models of Human Disease Using the Epoch Wireless Transmitter System. J. Vis. Exp. (101), e52554 (2015).
- Bertram, E. H. Monitoring for Seizures in Rodents. Models of Seizures and Epilepsy. , 97-109 (2017).
- Mishra, V., et al. Scn2a deletion improves survival and brain-heart dynamics in the Kcna1-null mouse model of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Hum. Mol. Genet. 26 (11), 2091-2103 (2017).
- Thireau, J., Zhang, B. L., Poisson, D., Babuty, D. Heart rate variability in mice: a theoretical and practical guide. Exp. Physiol. 93 (1), 83-94 (2008).
- Smart, S. L., et al. Deletion of the K(V)1.1 potassium channel causes epilepsy in mice. Neuron. 20 (4), 809-819 (1998).
- Glasscock, E., Yoo, J. W., Chen, T. T., Klassen, T. L., Noebels, J. L. Kv1.1 potassium channel deficiency reveals brain-driven cardiac dysfunction as a candidate mechanism for sudden unexplained death in epilepsy. J. Neurosci. 30 (15), 5167-5175 (2010).
- Moore, B. M., Jerry Jou, ., Tatalovic, C., Kaufman, M., S, E., Kline, D. D., Kunze, D. L. The Kv1.1 null mouse, a model of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Epilepsia. 55 (11), 1808-1816 (2014).
- Ryvlin, P., et al. Incidence and mechanisms of cardiorespiratory arrests in epilepsy monitoring units (MORTEMUS): a retrospective study. Lancet Neurol. 12 (10), 966-977 (2013).
- Stables, C. L., Auerbach, D. S., Whitesall, S. E., D’Alecy, L. G., Feldman, E. L. Differential impact of type-1 and type-2 diabetes on control of heart rate in mice. Auton. Neurosci. 194, 17-25 (2016).
- Gehrmann, J., Hammer, P. E., Maguire, C. T., Wakimoto, H., Triedman, J. K., Berul, C. I. Phenotypic screening for heart rate variability in the mouse. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 279 (2), H733-H740 (2000).
- Goldman, A. M., Glasscock, E., Yoo, J., Chen, T. T., Klassen, T. L., Noebels, J. L. Arrhythmia in heart and brain: KCNQ1 mutations link epilepsy and sudden unexplained death. Sci. Transl. Med. 1 (2), 2ra6 (2009).
