Summary

Одновременная видео ЭЭГ-мониторинг ЭКГ для выявления Neurocardiac дисфункции в моделях мыши эпилепсии

Published: January 29, 2018
doi:

Summary

Здесь мы представляем протокол для записи мозга и сердца био сигналов в мышей, используя одновременно видео, электроэнцефалография (ЭЭГ) и электрокардиография (ЭКГ). Мы также описывают методы для анализа результате записи ЭЭГ-ЭКГ для изъятий, спектральной мощности ЭЭГ, функции сердца и вариабельности сердечного ритма.

Abstract

В эпилепсия судороги может вызвать сердечного ритма такие изменения частоты сердечных сокращений, теплопроводности блоки, asystoles и ритма, которые потенциально могут увеличить риск внезапной неожиданной смерти в эпилепсии (SUDEP). Электроэнцефалография (ЭЭГ) и электрокардиография (ЭКГ) являются широко используется клинических диагностических инструментов для мониторинга ненормальное мозга и сердечных ритмов в больных. Здесь описан способ одновременной записи видео, ЭЭГ, ЭКГ в мышей, чтобы мера поведение, мозга и сердечной деятельности, соответственно. Метод, описанный здесь использует привязанный (т.е., проводные) запись конфигурации, в котором имплантированных электродов на голову мыши проводные для записывающего прибора. По сравнению с беспроводной телеметрии, системы записи, привязанный композиция обладает несколько технических преимуществ, таких как можно большее количество каналов для записи ЭЭГ или других биопотенциалов; затраты на электрод; и больше частот (т.е., частота дискретизации) записей. Основы этой техники также могут быть легко изменены для размещения записи других биосигналов, например электромиографии (ЭМГ) или плетизмографии для оценки мышц и дыхательной деятельности, соответственно. Помимо описания как для выполнения записи ЭЭГ-ЭКГ, мы также подробно методы количественной оценки полученные данные для изъятий, спектральной мощности ЭЭГ, функции сердца и вариабельность сердечного ритма, который мы демонстрируем пример эксперимента с помощью мыши с в эпилепсия, из-за удаления гена Kcna1 . Мониторинг в моделях мыши эпилепсия или другие неврологические заболевания видео-ЭЭГ-ЭКГ предоставляет мощный инструмент для выявления дисфункции на уровне головного мозга, сердца или мозг сердце взаимодействия.

Introduction

Электроэнцефалография (ЭЭГ), электрокардиография (ЭКГ), мощный и широко используемых методов для оценки в vivo мозга и сердечной функции, соответственно. ЭЭГ — запись электрической мозговой активности, прикрепляя электроды к волосистой части головы1. Сигнал, записанный с неинвазивные ЭЭГ представляет колебания напряжения, обусловленные выбытие тормозящее и возбуждающих постсинаптических потенциалов главным образом генерируемые корковых нейронов пирамидальный1,2. ЭЭГ является наиболее распространенным нейродиагностического тест для оценки и ведения пациентов с эпилепсией3,4. Это особенно полезно, когда эпилептические припадки возникают без очевидных судорожными поведенческих проявлениях, таких, как отсутствие судорог или не судорожные состояния эпилептический5,6. И наоборот не эпилепсия соответствующие условия, которые приводят к судорожными эпизоды или потеря сознания может быть неправильно диагностируются как эпилептические припадки без видео ЭЭГ мониторинга7. В дополнение к ее полезности в области эпилепсии ЭЭГ также широко используется для обнаружения аномальных мозговой активности, связанные с расстройства сна, энцефалопатий и расстройства памяти, а также в дополнение к общей анестезии во время операции2 , 8 , 9.

В отличие от ЭЭГ, ЭКГ (или ЭКГ, иногда сокращенно) — запись электрической активности сердца10. ЭКГ обычно выполняются прикрепляя электроды к конечности конечностей и грудной стенки, который позволяет обнаруживать изменения напряжения, порожденных миокард во время каждого сердечного цикла сокращение и расслабление10,11. Основные компоненты сигнала ЭКГ нормального сердечного цикла включают P волна, комплекс QRS и T волн, которые соответствуют деполяризации предсердий, желудочков деполяризации и реполяризации желудочков, соответственно10, 11. мониторинг ЭКГ обычно используется для выявления сердечных аритмий и дефекты сердечной проводимости системы12. Среди больных эпилепсией важность использования ЭКГ для выявления потенциально угрожающих жизни аритмий усиливается, так как они являются значительно более высокому риску внезапной остановки сердца, а также неожиданные внезапной эпилепсии13, 14,15.

В дополнение к их клинического применения записи ЭКГ и ЭЭГ стали незаменимым инструментом для выявления дисфункции головного мозга и сердца в моделях мыши заболеваний. Хотя традиционно эти записи были выполнены отдельно, здесь мы опишем способ записывать видео и ЭЭГ, ЭКГ одновременно в мышах. Синхронный метод видео ЭЭГ-ЭКГ, подробно здесь использует привязанный запись конфигурации, в котором имплантированных электродов на голову мыши проводные для записывающего прибора. Исторически это привязанный, или проводной, конфигурации был стандарт и наиболее широко используется метод для записи ЭЭГ у мышей; Однако беспроводных систем телеметрии ЭЭГ также были недавно разработаны и набирают популярность16.

По сравнению с беспроводных систем ЭЭГ, привязанный композиция имеет ряд технических преимуществ, которые могут сделать его более предпочтительным в зависимости от требуемого приложения. Эти преимущества включают большее количество каналов для записи ЭЭГ или других биопотенциалов; затраты на электрод; электрод одноразовости; менее восприимчивость к сигнал потери; и больше частот (т.е., частота дискретизации) записи17. Сделано правильно, привязанный записи метод, описанный здесь способен обеспечить высокое качество, бездефектной ЭЭГ и ЭКГ данных одновременно, наряду с соответствующим видео для поведенческого контроля. ЭКГ и ЭЭГ данные затем могут быть заминированы определить нейронных, сердечная, или neurocardiac аномалии, такие как судороги, изменения в ЭЭГ мощность спектра, сердечной проводимости блоков (т.е., пропущенных ударов сердца) и изменения в вариабельности сердечного ритма. Чтобы продемонстрировать применение этих методов количественного ЭЭГ-ЭКГ, мы представляем пример эксперимент с использованием Kcna1 нокаут (- / -) мыши. Kcna1 – / – мышей не хватает напряжения закрытый Kv1.1 α-субъединиц и как следствие проявлять спонтанные судороги, сердечной дисфункции и преждевременной смерти, что делает их идеальной моделью для одновременного ЭЭГ-ЭКГ оценки вредного эпилепсией связанным neurocardiac дисфункции.

Protocol

Все экспериментальные процедуры должны осуществляться в соответствии с руководящими принципами национальных институтов здравоохранения (НИЗ), одобренные вашего учреждения институционального ухода животных и использование Комитет (IACUC). На рисунке 1показаны основные …

Representative Results

Чтобы продемонстрировать, как анализировать данные из записи ЭЭГ-ЭКГ для выявления аномалий neurocardiac, отображаются результаты для записи ЭЭГ-ЭКГ 24-h Kcna1–/– мышь (2 месяца). Эти мутанта животных, которые разработаны для отсутствия напряжения закрыты…

Discussion

Для получения записи ЭЭГ-ЭКГ высокого качества, которые свободны от артефактов, следует все меры предосторожности для предотвращения деградации или ослабление имплантированных электродов и проволоки. ЭЭГ головки имплантат становится сыпучих, провода контактов с мозга будет деградир…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана граждане Юнайтед исследований эпилепсии (номер 35489 гранта); Национальные институты здравоохранения (предоставлять номера R01NS100954, R01NS099188); и Луизиана Государственный Университет медицинских наук Центр Малькольм Feist докторантура стипендий.

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

  1. Fisch, B. J. . Fisch and Spehlmann’s EEG Primer. , (1999).
  2. Constant, I., Sabourdin, N. The EEG signal: a window on the cortical brain activity. Paediatr. Anaesth. 22 (6), 539-552 (2012).
  3. Mendez, O. E., Brenner, R. P. Increasing the yield of EEG. J. Clin. Neurophysiol. 23 (4), 282-293 (2006).
  4. Smith, S. J. M. EEG in the diagnosis, classification, and management of patients with epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 76, ii2-ii7 (2005).
  5. Bauer, G., Trinka, E. Nonconvulsive status epilepticus and coma. Epilepsia. 51 (2), 177-190 (2010).
  6. Hughes, J. R. Absence seizures: a review of recent reports with new concepts. Epilepsy Behav. 15 (4), 404-412 (2009).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Kennett, R. Modern electroencephalography. J. Neurol. 259 (4), 783-789 (2012).
  10. Thaler, M. S. . The Only EKG Book You’ll Ever Need. , (2012).
  11. Becker, D. E. Fundamentals of electrocardiography interpretation. Anesth. Prog. 53 (2), 53-63 (2006).
  12. 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).
  13. Bardai, A., et al. Epilepsy is a risk factor for sudden cardiac arrest in the general population. PloS One. 7 (8), e42749 (2012).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Bertram, E. H. Monitoring for Seizures in Rodents. Models of Seizures and Epilepsy. , 97-109 (2017).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Smart, S. L., et al. Deletion of the K(V)1.1 potassium channel causes epilepsy in mice. Neuron. 20 (4), 809-819 (1998).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).

Play Video

Cite This Article
Mishra, V., Gautier, N. M., Glasscock, E. Simultaneous Video-EEG-ECG Monitoring to Identify Neurocardiac Dysfunction in Mouse Models of Epilepsy. J. Vis. Exp. (131), e57300, doi:10.3791/57300 (2018).

View Video