Fare Beynini In Vivo'da Transkraniyal Olarak Uyarmak için Milimetre Boyutlu Bir Bobin ile Birleştirilmiş Düşük Maliyetli Elektroensefalografik Kayıt Sistemi
Summary
Fare beyninin in vivo transkraniyal manyetik uyarımını sağlamak için milimetre büyüklüğünde bir bobin ile birleştirilmiş düşük maliyetli bir elektroensefalografik kayıt sistemi önerilmektedir. Özel yapım, esnek, çoklu elektrot dizisi substratına sahip geleneksel vidalı elektrotlar kullanılarak, transkraniyal manyetik stimülasyona yanıt olarak fare beyninden çok bölgeli kayıt gerçekleştirilebilir.
Abstract
Burada, milimetre boyutunda bir bobin kullanarak, fare beyninin transkraniyal manyetik stimülasyonunu (TMS) in vivo olarak yürütmek için düşük maliyetli bir elektroensefalografik (EEG) kayıt sistemi önerilmektedir. Özel yapım, esnek, çok elektrot dizilimli bir alt tabaka ile birleştirilmiş geleneksel vidalı elektrotlar kullanılarak, fare beyninden çok bölgeli kayıt gerçekleştirilebilir. Ek olarak, milimetre boyutunda bir bobinin genellikle laboratuvarlarda bulunan düşük maliyetli ekipmanlar kullanılarak nasıl üretildiğini açıklıyoruz. Düşük gürültülü EEG sinyalleri üretmek için gerekli olan esnek çoklu elektrot dizisi substratının üretimi için pratik prosedürler ve vidalı elektrotlar için cerrahi implantasyon tekniği de sunulmaktadır. Metodoloji, herhangi bir küçük hayvanın beyninden kayıt yapmak için yararlı olsa da, bu rapor anestezi uygulanmış bir fare kafatasında elektrot uygulamasına odaklanmaktadır. Ayrıca, bu yöntem, ortak bir adaptör aracılığıyla bağlı kablolarla bağlanan ve kayıt sırasında kafasına bir TMS cihazı ile sabitlenen uyanık küçük bir hayvana kolayca genişletilebilir. EEG-TMS sisteminin en fazla 32 EEG kanalı (16 kanallı bir cihaz daha az kanallı bir örnek olarak sunulmuştur) ve bir TMS kanal cihazı içerebilen mevcut versiyonu açıklanmıştır. Ek olarak, EEG-TMS sisteminin anestezi uygulanan farelere uygulanmasıyla elde edilen tipik sonuçlar kısaca bildirilmiştir.
Introduction
Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS), düşük invaziv olmayan / düşük invaziv olması nedeniyle insan beyni bilimi, klinik uygulama ve hayvan modeli araştırmaları için umut verici bir araçtır. TMS uygulamalarının erken aşamasında, insanlarda ve hayvanlarda tek ve çift darbeli TMS’ye yanıt olarak kortikal etkinin ölçülmesi motor korteksle sınırlandırılmıştır; Kolayca ölçülebilir çıktı, motor uyarılmış potansiyeller ve motor korteks1,2’yi içeren indüklenmiş miyoelektrik potansiyellerle sınırlıydı. TMS modülasyonu ile ölçülebilen beyin bölgelerini genişletmek için, elektroensefalografik (EEG) kayıt, tüm beyindeki alanların uyarılabilirliğini, bağlantısını ve mekansal zamansal dinamiklerini doğrudan incelemek için yararlı bir yöntem olarak tek ve çift darbeli TMS ile entegre edilmiştir 3,4,5. Bu nedenle, TMS ve EEG kaydının (TMS-EEG) beyne eşzamanlı uygulanması, intrakortikal sinir devrelerini araştırmak için insan ve hayvanların çeşitli yüzeysel kortikal beyin bölgelerini araştırmak için kullanılmıştır (bkz. Tremblay ve ark.6). Ayrıca, TMS-EEG sistemleri, sinyallerin diğer kortikal bölgelere yayılması ve salınımlı aktivitenin üretilmesi de dahil olmak üzere ek kortikal uzaysal zamansal özellikleri incelemek için kullanılabilir 7,8.
Bununla birlikte, TMS’nin beyindeki etki mekanizması, TMS’nin invaziv olmaması nedeniyle spekülatif kalmaktadır ve bu da TMS uygulamaları sırasında beynin nasıl çalıştığına dair bilgimizi sınırlamaktadır. Bu nedenle, kemirgenlerden insanlara kadar değişen hayvanlarda yapılan invaziv translasyonel çalışmalar, TMS’nin nöral devreler üzerindeki etkilerinin mekanizmasını ve aktivitelerini anlamak için çok önemlidir. Özellikle, hayvanlarda kombine TMS-EEG deneyleri için, küçük hayvanlar için eşzamanlı bir stimülasyon ve ölçüm sistemi yoğun bir şekilde geliştirilmemiştir. Bu nedenle, deneycilerin böyle bir sistemi kendi özel deneysel gereksinimlerine göre deneme yanılma yoluyla inşa etmeleri gerekmektedir. Ek olarak, fare modelleri diğer in vivo hayvan türü modelleri arasında yararlıdır, çünkü birçok transgenik ve suş yalıtımlı fare suşu biyolojik kaynaklar olarak mevcuttur. Bu nedenle, fareler için TMS-EEG kombine ölçüm sistemi oluşturmak için uygun bir yöntem, birçok sinirbilim araştırmacısı için arzu edilir.
Bu çalışma, araştırmalarda kullanılan ana transgenik hayvan türü olan fare beyninin eş zamanlı uyarılması ve kaydedilmesi için uygulanabilecek ve tipik sinirbilim laboratuvarlarında kolaylıkla oluşturulabilen TMS-EEG kombine bir yöntem önermektedir. İlk olarak, düşük maliyetli bir EEG kayıt sistemi, geleneksel vidalı elektrotlar ve her deneyde bir elektrot dizisi pozisyonunu tekrar tekrar atamak için esnek bir substrat kullanılarak tanımlanmıştır. İkincisi, tipik laboratuvarlarda kolayca ısmarlanabilen milimetre büyüklüğünde bir bobin kullanılarak manyetik bir stimülasyon sistemi inşa edilir. Üçüncüsü, TMS-EEG kombine sistemi, ses ve manyetik stimülasyona yanıt olarak nöral aktiviteyi kaydeder. Bu çalışmada sunulan yöntem, küçük hayvanlarda spesifik bozukluklar oluşturan mekanizmaları ortaya çıkarabilir ve hayvan modellerinde elde edilen sonuçlar, karşılık gelen insan bozukluklarını anlamak için çevrilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, fareler de dahil olmak üzere küçük hayvanlar için tasarlanmış manyetik bir stimülasyon sistemi ile birleştirilmiş çok bölgeli bir EEG kayıt sistemini ele almaktadır. İnşa edilen sistem düşük maliyetlidir ve fizyolojik laboratuvarlarda kolayca inşa edilir ve mevcut ölçüm kurulumlarını genişletebilir. Fare kayıt sisteminden veri elde etmek için gerekli cerrahi prosedür, bu tür laboratuvarların standart elektrofizyolojik deneylerle daha önce deneyime sahip olmaları durumunda s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Murata Bilim Vakfı, Suzuken Memorial Vakfı, Nakatani Biyomedikal Mühendisliğinde Ölçüm Teknolojilerinin Geliştirilmesi Vakfı ve T.T.’ye Keşif Araştırmaları için Hibe (hibe numarası 21K19755, Japonya) ve Bilimsel Araştırma (B) (hibe numarası 23H03416, Japonya) tarafından desteklenmiştir.
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).
