Billigt elektroencefalografisk registreringssystem kombineret med en millimeterstor spole til transkranielt at stimulere musehjernen in vivo
Summary
Et billigt elektroencefalografisk registreringssystem kombineret med en millimeterstor spole foreslås at drive transkraniel magnetisk stimulering af musehjernen in vivo. Ved hjælp af konventionelle skrueelektroder med et specialfremstillet, fleksibelt multielektrode array-substrat kan multi-site optagelse udføres fra musehjernen som reaktion på transkraniel magnetisk stimulering.
Abstract
Et billigt elektroencefalografisk (EEG) registreringssystem foreslås her for at drive transkraniel magnetisk stimulering (TMS) af musehjernen in vivo ved hjælp af en millimeterstor spole. Ved hjælp af konventionelle skrueelektroder kombineret med et specialfremstillet, fleksibelt multielektrode array-substrat kan multi-site optagelse udføres fra musehjernen. Derudover forklarer vi, hvordan en millimeterstor spole produceres ved hjælp af billigt udstyr, der normalt findes i laboratorier. Praktiske procedurer til fremstilling af det fleksible multielektrode array-substrat og den kirurgiske implantationsteknik til skrueelektroder præsenteres også, som er nødvendige for at producere støjsvage EEG-signaler. Selvom metoden er nyttig til registrering fra hjernen hos ethvert lille dyr, fokuserer denne rapport på elektrodeimplementering i et bedøvet musekranium. Desuden kan denne metode let udvides til et vågent lille dyr, der er forbundet med fastgjorte kabler via en fælles adapter og fastgjort med en TMS-enhed til hovedet under optagelse. Den nuværende version af EEG-TMS-systemet, som maksimalt kan omfatte 32 EEG-kanaler (en enhed med 16 kanaler præsenteres som et eksempel med færre kanaler) og en TMS-kanalenhed, beskrives. Derudover rapporteres typiske resultater opnået ved anvendelse af EEG-TMS-systemet på bedøvede mus kort.
Introduction
Transkraniel magnetisk stimulering (TMS) er et lovende værktøj til menneskelig hjernevidenskab, klinisk anvendelse og dyremodelforskning på grund af dets ikke-/lave invasivitet. I den tidlige fase af TMS-applikationer var måling af den kortikale effekt som reaktion på enkelt- og parpuls-TMS hos mennesker og dyr begrænset til den motoriske cortex; Let målbar ydelse var begrænset til motorfremkaldte potentialer og inducerede myoelektriske potentialer, der involverede motorcortex 1,2. For at udvide hjerneområderne, der kan måles ved TMS-modulation, blev elektroencefalografisk (EEG) optagelse integreret med enkelt- og parpuls-TMS som en nyttig metode til direkte at undersøge excitabilitet, forbindelse og rumlig tidsmæssig dynamik i områder i hele hjernen 3,4,5. Således er samtidig anvendelse af TMS- og EEG-optagelse (TMS-EEG) til hjernen blevet brugt til at undersøge forskellige overfladiske kortikale hjerneområder hos mennesker og dyr for at undersøge intrakortikale neurale kredsløb (se Tremblay et al.6). Desuden kan TMS-EEG-systemer anvendes til at undersøge yderligere kortikale spatiotemporale egenskaber, herunder udbredelse af signaler til andre kortikale områder og generering af oscillerende aktivitet 7,8.
Imidlertid forbliver virkningsmekanismen for TMS i hjernen spekulativ på grund af TMS’s ikke-invasivitet, hvilket begrænser vores viden om, hvordan hjernen fungerer under TMS-applikationer. Derfor er invasive translationelle undersøgelser hos dyr, der spænder fra gnavere til mennesker, af afgørende betydning for at forstå mekanismen for virkningerne af TMS på neurale kredsløb og deres aktivitet. Navnlig for kombinerede TMS-EEG-forsøg på dyr er der ikke udviklet et samtidigt stimulerings- og målesystem intensivt for små dyr. Derfor er eksperimentalister forpligtet til at konstruere et sådant system ved forsøg og fejl i henhold til deres specifikke eksperimentelle krav. Derudover er musemodeller nyttige blandt andre in vivo-dyreartsmodeller, fordi mange transgene og stammeisolerede musestammer er tilgængelige som biologiske ressourcer. Således ville en bekvem metode til at opbygge et TMS-EEG-kombineret målesystem til mus være ønskeligt for mange neurovidenskabsforskere.
Denne undersøgelse foreslår en TMS-EEG-kombineret metode, der kan anvendes til samtidig stimulering og registrering af musehjernen, som er den vigtigste type transgene dyr, der anvendes i forskning, og som let kan konstrueres i typiske neurovidenskabelige laboratorier. For det første beskrives et billigt EEG-registreringssystem ved hjælp af konventionelle skrueelektroder og et fleksibelt substrat til reproducerbart at tildele en elektrodearray-position i hvert eksperiment. For det andet er et magnetisk stimuleringssystem konstrueret ved hjælp af en millimeterstor spole, som let kan skræddersys i typiske laboratorier. For det tredje registrerer det TMS-EEG-kombinerede system neural aktivitet som reaktion på lyd og magnetisk stimulering. Metoden præsenteret i denne undersøgelse kan afsløre de mekanismer, der genererer specifikke lidelser hos små dyr, og resultaterne opnået i dyremodellerne kan oversættes for at forstå de tilsvarende menneskelige lidelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne undersøgelse omhandler et multi-site EEG-registreringssystem kombineret med et magnetisk stimuleringssystem designet til små dyr, herunder mus. Det konstruerede system er billigt og let konstrueret i fysiologiske laboratorier og kan udvide deres eksisterende måleopsætninger. Den kirurgiske procedure, der er nødvendig for at indhente data fra museregistreringssystemet, er dybt enkel, hvis sådanne laboratorier har tidligere erfaring med standard elektrofysiologiske eksperimenter.
En …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Murata Science Foundation, Suzuken Memorial Foundation, Nakatani Foundation for Advancement of Measuring Technologies in Biomedical Engineering og et tilskud til sonderende forskning (bevillingsnummer 21K19755, Japan) og til videnskabelig forskning (B) (bevillingsnummer 23H03416, Japan) til T.T.
Materials
| 3D printer | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | FFD-101 | The printer used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| ATROPINE SULFATE 0.5 mg | NIPRO ES PHARMA CO., LTD. | – | Atropine sulfate |
| Bipolar amplifier | NF Corp. | KIT61380 | For amplifying waveforms for coil input |
| Butorphanol | Meiji Seika Pharma Co., Ltd., Tokyo, Japan |
– | For anathesis of animals |
| Commercial manufacturer of flexible 2D array | p-ban.com Corp. | – | URL: https://www.p-ban.com/ |
| Computer prograom to analyze output signals | Natinal Instruments | NI-DAQ and NI-DAQmx Python | To analyze output signals from the hall-effect sensor |
| Connector | Harwin Inc. | G125-FV12005L0P | For connector to conect to the measuring system |
| Copper pad | p-ban.com Corp. | copper | Copper pad on each substrate |
| Copper wire | Kyowa Harmonet Ltd. | P644432 | The windings of the coil |
| DAQ board | National Instruments Corp. | USB-6343 | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| Dental cement | SHOFU INC. | Quick Resin | Self-Curing Orthodontic Resin |
| ECoG electrode | NeuroNexus Inc. | HC32 | For reference to design of the flexible 2D array |
| Epoxy resin | Konishi Co. Ltd. | #16123 | For coil construction |
| Ethyl Carbamate | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 050-05821 | For urethan anesthesia |
| Flat ribbon cable | Oki Electric Cable Co., Ltd. | FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m | For cable to connect between surface-mount connector and measuring sysytem |
| flexible substrate | p-ban.com Corp. | polyimide | Baseplate of flexible substrate |
| Function generator | NF Corp. | WF1947 | For generating waveforms for coil input |
| Hall-effect sensor | Honeywell International Inc. | SS94A2D | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| IDC crimping tool | Pro'sKit Industries Co. | 6PK-214 | To crimp the IDC and one end of the flat ribbon cable; Flat cable connector crimping tool |
| Instant glue | Konishi Co. Ltd. | #04612 | For coil construction |
| Insulation-displacement connector (IDC ) | Uxcell Japan | B07GDDG3XG | 2 × 10 pins and a 1.27 mm pitch |
| LCR meter | NF Corp. | ZM2376 | For measuring the AC properties of the coil |
| Manipulator | NARISHIGE Group. | SM-15L | For manipulating the coil |
| Medetomidine | Kobayashi Kako, Fukui, Japan | – | For anathesis of animals |
| Midazolam | Astellas Pharma, Tokyo, Japan | – | For anathesis of animals |
| Miniature screw | KOFUSEIBYO Co., Ltd. | S0.6*1.5 | For EEG-senseing and reference electrode |
| Mouse | Japan SLC, Inc. | C57BL/6J (C57BL/6JJmsSlc) | Experimental animal |
| Permalloy-45 rod | The Nilaco Corp. | 780544 | The core of the coil |
| Recording system | Plexon Inc. | OmniPlex | For EEG data acquisition |
| Stainless wire | Wakisangyo Co., Ltd. | HW-136 | For grasp by manipulator |
| Stereotaxic apparatus | NARISHIGE Group. | SR-5M-HT | To fix a mouse head |
| Surface-mount connector | Useconn Electronics Ltd. | PH127-2x10MG | For connector to mount on the flexible 2D array |
| Testing equipment (LCR meter) | NF Corp. | ZM2372 | Contact check and impedance measurements |
| White PLA filament | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | PLA-F13 | The material used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| Xylocaine Jelly 2% | Sandoz Pharma Co., Ltd. | – | lidocaine hydrochloride |
References
- Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
- Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
- Thut, G., Pascual-Leone, A. Integrating TMS with EEG: How and what for. Brain Topography. 22 (4), 215-218 (2010).
- Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topograpy. 22 (4), 233-248 (2010).
- Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Radhu, N., Fitzgerald, P. B. Combined transcranial magnetic stimulation and electroencephalography: its past, present and future. Brain Research. 1463, 93-107 (2012).
- Tremblay, S., et al. Clinical utility and prospective of TMS-EEG. Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).
- Pellicciari, M. C., Veniero, D., Miniussi, C. Characterizing the cortical oscillatory response to TMS pulse. Frontiers in Cellular Neuroscience. 11, 38 (2017).
- Lin, Y. J., Shukla, L., Dugue, L., Valero-Cabre, A., Carrasco, M. Transcranial magnetic stimulation entrains alpha oscillatory activity in occipital cortex. Scientific Reports. 11 (1), 18562 (2021).
- Takahashi, S., et al. Laminar responses in the auditory cortex using a multielectrode array substrate for simultaneous stimulation and recording. IEEJ Transactions Electrical and Electronic Engineering. 14 (2), 303-311 (2019).
- Yoshikawa, T., Higuchi, H., Furukawa, R., Tateno, T. Temporal and spatial profiles of evoked activity induced by magnetic stimulation using millimeter-sized coils in the mouse auditory cortex in vivo. Brain Research. 1796, 148092 (2022).
- Tang, A. D., et al. Construction and evaluation of rodent-specific rTMS coils. Frontiers in Neural Circuits. 10, 47 (2016).
- Li, L. Controlling annealing and magnetic treatment parameters to achieve high permeabilities in 55 Ni-Fe toroid cores. IEEE Transactions on Magnetics. 37 (4), 2315-2317 (2001).
