Summary

低成本脑电图记录系统结合毫米级线圈,在体内经颅刺激小鼠大脑

Published: May 26, 2023
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Summary

提出了一种低成本的脑电图记录系统,结合毫米尺寸的线圈来驱动体内 小鼠大脑的经颅磁刺激。使用具有定制、柔性、多电极阵列基板的传统螺旋电极,可以从小鼠大脑响应经颅磁刺激进行多位点记录。

Abstract

这里提出了一种低成本的脑电图(EEG)记录系统,利用毫米大小的线圈 驱动 体内小鼠大脑的经颅磁刺激(TMS)。使用传统的螺旋电极与定制的、灵活的多电极阵列基板相结合,可以从小鼠大脑进行多位点记录。此外,我们还解释了如何使用实验室中常见的低成本设备生产毫米尺寸的线圈。还介绍了制造柔性多电极阵列基板的实用程序和螺杆电极的手术植入技术,这是产生低噪声脑电信号所必需的。尽管该方法对于从任何小动物的大脑中记录是有用的,但本报告侧重于麻醉小鼠头骨中的电极实施。此外,这种方法可以很容易地扩展到清醒的小动物,它通过公共适配器 系留电缆连接,并在录制过程中用TMS设备固定在头部。描述了当前版本的EEG-TMS系统,其最多可以包括32个EEG通道(具有16个通道的设备作为具有较少通道的示例)和一个TMS通道设备。此外,简要报告了通过将EEG-TMS系统应用于麻醉小鼠获得的典型结果。

Introduction

经颅磁刺激(TMS)因其非/低侵入性而成为人脑科学,临床应用和动物模型研究的有前途的工具。在TMS应用的早期阶段,人类和动物对单脉冲和配对脉冲TMS的皮质效应的测量仅限于运动皮层;易于测量的输出仅限于涉及运动皮层的运动诱发电位和感应肌电位1,2。为了扩展可以通过TMS调制测量的大脑区域,将脑电图(EEG)记录与单脉冲和配对脉冲TMS集成在一起,作为直接检查整个大脑区域的兴奋性,连通性和时空动力学的有用方法3,4,5因此,同时将TMS和脑电图记录(TMS-EEG)应用于大脑已被用于探测人类和动物的各种浅表皮质大脑区域,以研究皮层内神经回路(见Tremblay等人6)。此外,TMS-EEG系统可用于检查其他皮质时空特征,包括信号传播到其他皮质区域和振荡活动的产生7,8

然而,由于TMS的非侵入性,TMS在大脑中的作用机制仍然是推测性的,这限制了我们对TMS应用期间大脑功能的知识。因此,从啮齿动物到人类的动物的侵入性转化研究对于了解TMS对神经回路及其活性的影响机制至关重要。特别是,对于动物的TMS-EEG组合实验,尚未为小动物密集开发同步刺激和测量系统。因此,实验者需要根据其特定的实验要求,通过试错来构建这样的系统。此外,小鼠模型在其他 体内 动物物种模型中是有用的,因为许多转基因和品系分离的小鼠品系可作为生物资源使用。因此,对于许多神经科学研究人员来说,为小鼠构建TMS-EEG组合测量系统的便捷方法是可取的。

本研究提出了一种TMS-EEG组合方法,可用于同时刺激和记录小鼠大脑,小鼠大脑是研究中使用的主要转基因动物类型,可以在典型的神经科学实验室中轻松构建。首先,描述了使用常规螺旋电极和柔性基板的低成本脑电图记录系统,以在每个实验中可重复地分配电极阵列位置。其次,磁刺激系统是使用毫米尺寸的线圈构建的,可以在典型的实验室中轻松定制。第三,TMS-EEG组合系统记录对声音和磁刺激的神经活动。本研究中提出的方法可以揭示在小动物中产生特定疾病的机制,并且可以翻译在动物模型中获得的结果以了解相应的人类疾病。

Protocol

在本研究中,所有动物实验均按照美国国立卫生研究院实验动物护理和使用指南进行,并得到北海道大学机构动物护理和使用委员会的批准。C57BL / 6J小鼠,两只雄性和三只雌性,8至10周龄,用于本研究。这是一个终端过程。这些动物是从商业来源获得的(见 材料表)。 1. 灵活的二维阵列设计和构造 准备所需数量的微型螺旋电极(不锈钢,SUS…

Representative Results

在麻醉的C57BL / 6J小鼠中记录的样品脑电图数据,柔性基质与螺旋电极相结合,如下所示。 作为一个典型的例子,在具有相同刺激的60项试验中,显示了响应声音刺激(8 kHz音爆,80 dB声压级[SPL])而产生的平均EEG波形(图4A)。记录通道映射的原理图也显示在图4A的中间。来自CHS 5,7,10和12的反应是从两个颞叶的听觉皮层附近区域记录?…

Discussion

这项研究涉及多点脑电图记录系统与为小动物(包括小鼠)设计的磁刺激系统相结合。构建的系统成本低,易于在生理实验室中构建,并且可以扩展其现有的测量设置。如果这些实验室以前有标准电生理实验的经验,那么从小鼠记录系统获取数据所需的外科手术非常简单。

使用这种方法的一个优点是电极放置在单个动物的头部和头皮上的良好可重复性。用于将螺旋电极分配?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了村田科学基金会、铃轩纪念基金会、中谷生物医学工程测量技术促进基金会以及探索性研究(批准号21K19755,日本)和科学研究(B)(批准号23H03416,日本)的资助。

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

Referenzen

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Diesen Artikel zitieren
Yoshikawa, T., Sato, H., Kawakatsu, K., Tateno, T. Low-Cost Electroencephalographic Recording System Combined with a Millimeter-Sized Coil to Transcranially Stimulate the Mouse Brain In Vivo. J. Vis. Exp. (195), e65302, doi:10.3791/65302 (2023).

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