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Bioengineering

चूहे की मोटर प्रांतस्था में Microelectrode आरोपण के कारण कार्यात्मक घाटे का आकलन करने के लिए कुतर व्यवहार परीक्षण

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

हमें पता चला है कि चूहों की मोटर प्रांतस्था में एक microelectrode आरोपण तत्काल और स्थाई मोटर घाटे का कारण बनता है । तरीकों का प्रस्ताव एक microelectrode आरोपण सर्जरी और तीन कुतर व्यवहार कार्यों को ठीक या सकल मोटर आरोपण के कारण समारोह में संभावित परिवर्तन स्पष्ट-मोटर प्रांतस्था के कारण नुकसान की रूपरेखा ।

Abstract

चिकित्सा उपकरणों मस्तिष्क में प्रत्यारोपित जबरदस्त क्षमता पकड़ । एक मस्तिष्क मशीन इंटरफेस (बीएमआई) प्रणाली के भाग के रूप में, intracortical microelectrodes कार्रवाई क्षमता ंयूरॉंस के व्यक्तिगत या छोटे समूहों से रिकॉर्ड करने की क्षमता का प्रदर्शन । ऐसे दर्ज संकेतों को सफलतापूर्वक रोगियों या नियंत्रण के साथ इंटरफेस करने के लिए अनुमति देने के लिए इस्तेमाल किया गया है कंप्यूटर, रोबोट अंगों, और अपने स्वयं के अंगों. हालांकि, पिछले पशु अध्ययन से पता चला है कि मस्तिष्क में एक microelectrode आरोपण न केवल नुकसान आसपास के ऊतकों पर भी कार्यात्मक घाटे में परिणाम कर सकते हैं । यहां, हम व्यवहार परीक्षणों की एक श्रृंखला के लिए एक चूहे की मोटर प्रांतस्था में intracortical microelectrodes के आरोपण निंनलिखित संभावित मोटर विकलांगता यों तो चर्चा । ओपन फील्ड ग्रिड के लिए तरीके, सीढ़ी पार, और पकड़ शक्ति परीक्षण एक microelectrode आरोपण से उत्पंन संभावित जटिलताओं के बारे में बहुमूल्य जानकारी प्रदान करते हैं । व्यवहार परीक्षण के परिणाम समापन बिंदु प्रोटोकॉल के साथ संबंधित हैं, रोग के परिणाम और आसन्न ऊतक पर इस प्रक्रिया के प्रभावों पर अतिरिक्त जानकारी प्रदान.

Introduction

Intracortical microelectrodes मूल रूप से मस्तिष्क के सर्किट को मैप करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, और कार्यात्मक outputs1उत्पादन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जो मोटर इरादों का पता लगाने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण में विकसित किया है. पाया कार्यात्मक outputs रीढ़ की हड्डी चोटों से पीड़ित व्यक्तियों की पेशकश कर सकते हैं, सेरेब्रल पाल्सी, पेशीशोषी पार्श्व स्केलेरोसिस (ALS), या अन्य आंदोलन-शर्तों सीमित एक कंप्यूटर कर्सर के नियंत्रण2,3 या रोबोट एआरएम4,5,6, या अपने स्वयं के विकलांग अंग7को बहाल समारोह । इसलिए, intracortical microelectrode प्रौद्योगिकी एक होनहार और जल्दी से बढ़ क्षेत्र8के रूप में उभरा है ।

क्षेत्र में देखा सफलता के कारण, नैदानिक अध्ययन में सुधार और बेहतर बीएमआई प्रौद्योगिकी की संभावनाओं को समझने के लिए चल रहे हैं5,9,10. मस्तिष्क में न्यूरॉन्स के साथ संचार की पूरी क्षमता को साकार करके, पुनर्वास अनुप्रयोगों के रूप में माना जाता है असीम8. हालांकि intracortical microelectrode प्रौद्योगिकी के भविष्य के लिए बहुत आशावाद है, यह भी अच्छी तरह से जाना जाता है कि microelectrodes अंततः11असफल हो, संभवतः एक तीव्र neuroinflammatory के कारण आरोपण के बाद प्रतिक्रिया । मस्तिष्क में एक विदेशी सामग्री का आरोपण आसपास के ऊतकों को तत्काल नुकसान में परिणाम और आगे neuroinflammatory प्रतिक्रिया है कि प्रत्यारोपण के गुणों के आधार पर बदलता है की वजह से नुकसान की ओर जाता है12. इसके अलावा, मस्तिष्क में एक प्रत्यारोपण एक microlesion प्रभाव पैदा कर सकता है: ग्लूकोज चयापचय में कमी के कारण होना करने के लिए सोचा तीव्र शोफ और नकसीर की वजह से डिवाइस प्रविष्टि13. इसके अलावा, संकेत गुणवत्ता और समय की लंबाई है कि उपयोगी संकेत दर्ज किया जा सकता है असंगत हैं, पशु मॉडल की परवाह किए बिना11,14,15,16। कई अध्ययनों से neuroinflammation और microelectrode प्रदर्शन17,18,19के बीच कनेक्शन का प्रदर्शन किया है । इसलिए, समुदाय की आम सहमति है कि तंत्रिका ऊतक कि microelectrodes के चारों ओर से घेरे के भड़काऊ प्रतिक्रिया, कम से भाग में, इलेक्ट्रोड विश्वसनीयता समझौता.

कई अध्ययनों से जांच की है स्थानीय सूजन11,20,21,22 या पता लगाया तरीकों के लिए11सम्मिलन की वजह से मस्तिष्क को नुकसान को कम करने के लिए,23, 24,25, समय पर रिकॉर्डिंग प्रदर्शन में सुधार लाने के एक लक्ष्य के साथ14,26. इसके अतिरिक्त, हम हाल ही में दिखाया गया है कि एक iatrogenic चोट चूहों की मोटर प्रांतस्था में एक microelectrode प्रविष्टि की वजह से एक तत्काल और स्थाई ठीक मोटर घाटे27का कारण बनता है । इसलिए, यहां प्रस्तुत प्रोटोकॉल का उद्देश्य शोधकर्ताओं को एक मात्रात्मक विधि के आरोपण और intracortical उपकरणों की लगातार उपस्थिति के बाद मस्तिष्क आघात का एक परिणाम के रूप में संभव मोटर घाटे का आकलन करने के लिए दे रहा है (microelectrodes में इस पांडुलिपि का मामला) । व्यवहार परीक्षण यहां वर्णित दोनों सकल और ठीक मोटर कार्य विकलांगता को चिढ़ाने के लिए डिजाइन किए गए थे, और मस्तिष्क की चोट के कई मॉडलों में इस्तेमाल किया जा सकता है । इन तरीकों को सीधा कर रहे हैं, reproducible, और आसानी से एक कुतर मॉडल में लागू किया जा सकता है । इसके अलावा, यहां प्रस्तुत तरीकों ऊतकवैज्ञानिक परिणामों के लिए मोटर व्यवहार के एक संबंध के लिए अनुमति देते हैं, एक लाभ यह है कि हाल ही में जब तक, लेखक बीएमआई क्षेत्र में प्रकाशित नहीं देखा है । अंत में, इन तरीकों के रूप में ठीक मोटर समारोह28परीक्षण डिजाइन किए गए थे, सकल मोटर समारोह29, और तनाव और चिंता29,30, तरीकों यहां प्रस्तुत भी एक में कार्यांवित किया जा सकता है सिर चोट मॉडल की विविधता जहां शोधकर्ताओं को शासन करना चाहते है (या में) किसी भी मोटर समारोह घाटे ।

Protocol

सभी प्रक्रियाओं और पशुओं की देखभाल प्रथाओं द्वारा अनुमोदित और लुई स्टोक्स क्लीवलैंड विभाग के दिग्गजों मामलों चिकित्सा केंद्र संस्थागत पशु देखभाल और उपयोग समितियों के अनुसार किया गया । नो…

Representative Results

यहां प्रस्तुत तरीकों का प्रयोग, मोटर प्रांतस्था में एक microelectrode प्रत्यारोपण सर्जरी के बाद स्थापित प्रक्रियाओं३९,४०,४१,४२, खुला क्षेत्र ग्रिड…

Discussion

यहां उल्लिखित प्रोटोकॉल को प्रभावी ढंग से इस्तेमाल किया गया है और reproducibly उपाय कुतर मस्तिष्क चोट के एक मॉडल में दोनों ठीक है और सकल मोटर घाटे । इसके अतिरिक्त, यह मोटर प्रांतस्था में एक microelectrode आरोपण के बाद ऊत…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

इस अध्ययन के भाग में योग्यता की समीक्षा पुरस्कार #B1495-R (Capadona) और वैज्ञानिक और इंजीनियरों के लिए राष्ट्रपति के जल्दी कैरियर पुरस्कार (PECASE, Capadona) संयुक्त राज्य अमेरिका (US) विभाग से दिग्गजों मामलों पुनर्वास अनुसंधान और विकास सेवा । इसके अतिरिक्त, इस काम के भाग में रक्षा के सहायक सचिव के कार्यालय के माध्यम से सहकर्मी की समीक्षा की चिकित्सा अनुसंधान कार्यक्रम के तहत पुरस्कार सं के तहत समर्थन किया गया । W81XWH-15-1-0608. सामग्री के दिग्गजों मामलों या संयुक्त राज्य अमेरिका सरकार के अमेरिकी विभाग के विचारों का प्रतिनिधित्व नहीं करते । लेखक अपने मार्गदर्शन के लिए CWRU कुतर व्यवहार कोर में Dr. हिरोयुकी Arakawa का शुक्रिया अदा करना चाहते है और परीक्षण कुतर व्यवहार प्रोटोकॉल । लेखक भी अपने डिजाइन में मदद के लिए मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग के CWRU विभाग से जेम्स ड्रेक और केविन टालबोट का शुक्रिया अदा करना चाहेंगे और उन्हें कुतर सीढ़ी टेस्ट का निर्माण करना होगा ।

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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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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