מערכת הקלטה אלקטרואנצפלוגרפית בעלות נמוכה בשילוב עם סליל בגודל מילימטר כדי לגרות באופן טרנס-גולגולתי את מוח העכבר in vivo
Summary
מערכת הקלטה אלקטרואנצפלוגרפית בעלות נמוכה בשילוב עם סליל בגודל מילימטר מוצעת להניע גירוי מגנטי טרנס-גולגולתי של מוח העכבר in vivo. באמצעות אלקטרודות בורג קונבנציונליות עם מצע מערך מותאם אישית, גמיש ורב-אלקטרודות, ניתן לבצע הקלטה מרובת אתרים ממוח העכבר בתגובה לגירוי מגנטי טרנס-גולגולתי.
Abstract
מערכת הקלטה אלקטרואנצפלוגרפית (EEG) בעלות נמוכה מוצעת כאן כדי להניע גירוי מגנטי טרנס-גולגולתי (TMS) של מוח העכבר in vivo, באמצעות סליל בגודל מילימטרי. באמצעות אלקטרודות בורג קונבנציונליות בשילוב עם מצע מערך מותאם אישית, גמיש ומרובה אלקטרודות, ניתן לבצע הקלטה מרובת אתרים ממוח העכבר. בנוסף, אנו מסבירים כיצד סליל בגודל מילימטר מיוצר באמצעות ציוד בעלות נמוכה שנמצא בדרך כלל במעבדות. מוצגים גם הליכים מעשיים לייצור מצע מערך מולטיאלקטרודות גמיש וטכניקת השתלה כירורגית לאלקטרודות בורג, הנחוצות להפקת אותות EEG ברעש נמוך. למרות שהמתודולוגיה שימושית להקלטה ממוחו של כל בעל חיים קטן, הדו”ח הנוכחי מתמקד ביישום אלקטרודות בגולגולת עכבר מורדמת. יתר על כן, ניתן להרחיב שיטה זו בקלות לחיה קטנה ערה המחוברת בכבלים קשורים באמצעות מתאם משותף ומקובעת עם מכשיר TMS לראש במהלך ההקלטה. הגרסה הנוכחית של מערכת EEG-TMS, שיכולה לכלול מקסימום 32 ערוצי EEG (מכשיר עם 16 ערוצים מוצג כדוגמה עם פחות ערוצים) ומכשיר ערוץ TMS אחד, מתוארת. בנוסף, תוצאות אופייניות המתקבלות מיישום מערכת EEG-TMS על עכברים מורדמים מדווחות בקצרה.
Introduction
גירוי מגנטי תוך גולגולתי (TMS) הוא כלי מבטיח למדעי המוח האנושי, ליישום קליני ולמחקר מודלים של בעלי חיים בגלל הפולשנות הלא/נמוכה שלו. במהלך השלב המוקדם של יישומי TMS, מדידת ההשפעה של קליפת המוח בתגובה ל-TMS של דופק יחיד וזוג בבני אדם ובבעלי חיים הוגבלה לקליפת המוח המוטורית; התפוקה הניתנת למדידה בקלות הוגבלה לפוטנציאלים מוטוריים מעוררים ולפוטנציאלים מיואלקטריים מושרים המערבים את קליפת המוח המוטורית 1,2. כדי להרחיב את אזורי המוח שניתן למדוד באמצעות אפנון TMS, הקלטה אלקטרואנצפלוגרפית (EEG) שולבה עם TMS בעל פולס יחיד וזוג כשיטה שימושית לבחינה ישירה של ההתרגשות, הקישוריות והדינמיקה המרחבית-טמפורלית של אזורים ברחבי המוח כולו 3,4,5. לפיכך, היישום הסימולטני של TMS ורישום EEG (TMS-EEG) במוח שימש לחקירת אזורי מוח שטחיים שונים בקליפת המוח של בני אדם ובעלי חיים כדי לחקור מעגלים עצביים תוך קורטיקליים (ראו Tremblay et al.6). יתר על כן, ניתן להשתמש במערכות TMS-EEG כדי לבחון מאפיינים מרחביים-זמניים נוספים בקליפת המוח, כולל התפשטות אותות לאזורים אחרים בקליפת המוח ויצירת פעילות תנודתית 7,8.
אולם מנגנון הפעולה של TMS במוח נותר ספקולטיבי בגלל הלא-פולשניות של TMS, אשר מגבילה את הידע שלנו על האופן שבו המוח מתפקד במהלך יישומי TMS. לכן, מחקרי תרגום פולשניים בבעלי חיים, ממכרסמים ועד בני אדם, הם בעלי חשיבות מכרעת להבנת מנגנון ההשפעות של TMS על מעגלים עצביים ופעילותם. בפרט, עבור ניסויים משולבים TMS-EEG בבעלי חיים, מערכת גירוי ומדידה בו זמנית לא פותחה באופן אינטנסיבי עבור בעלי חיים קטנים. לכן, הנסיינים נדרשים לבנות מערכת כזו על ידי ניסוי וטעייה בהתאם לדרישות הניסוי הספציפיות שלהם. בנוסף, מודלים של עכברים שימושיים בין מודלים אחרים של מיני בעלי חיים in vivo מכיוון שזנים רבים של עכברים טרנסגניים ומבודדים זנים זמינים כמשאבים ביולוגיים. לפיכך, שיטה נוחה לבניית מערכת מדידה משולבת TMS-EEG עבור עכברים תהיה רצויה עבור חוקרי מוח רבים.
מחקר זה מציע שיטה משולבת TMS-EEG שניתן ליישם לגירוי והקלטה בו זמנית של מוח העכבר, שהוא הסוג העיקרי של בעל חיים מהונדס המשמש במחקר, ושניתן לבנות בקלות במעבדות מדעי מוח טיפוסיות. ראשית, מערכת הקלטה EEG בעלות נמוכה מתוארת באמצעות אלקטרודות בורג קונבנציונליות ומצע גמיש כדי להקצות מיקום מערך אלקטרודות בכל ניסוי. שנית, מערכת גירוי מגנטי נבנית באמצעות סליל בגודל מילימטרי, אשר יכול בקלות להיות מותאם אישית במעבדות טיפוסיות. שלישית, המערכת המשולבת TMS-EEG מתעדת פעילות עצבית בתגובה לקול ולגירוי מגנטי. השיטה המוצגת במחקר זה יכולה לחשוף את המנגנונים היוצרים הפרעות ספציפיות אצל בעלי חיים קטנים, ואת התוצאות המתקבלות במודלים של בעלי חיים ניתן לתרגם כדי להבין את ההפרעות האנושיות המתאימות.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקר זה עוסק במערכת רישום EEG מרובת אתרים בשילוב עם מערכת גירוי מגנטי המיועדת לבעלי חיים קטנים, כולל עכברים. המערכת הבנויה היא בעלות נמוכה וקלה לבנייה במעבדות פיזיולוגיות, ויכולה להרחיב את מערכי המדידה הקיימים שלהם. ההליך הכירורגי הדרוש לקבלת נתונים ממערכת הקלטת העכבר הוא פשוט מאוד אם למעב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי קרן המדע של מוראטה, קרן הזיכרון סוזוקן, קרן נקאטאני לקידום טכנולוגיות מדידה בהנדסה ביו-רפואית, ומענק סיוע למחקר גישוש (מענק מספר 21K19755, יפן) ולמחקר מדעי (B) (מענק מספר 23H03416, יפן) לט.ט.
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).
