Недорогая электроэнцефалографическая регистрирующая система в сочетании с катушкой миллиметрового размера для транскраниальной стимуляции мозга мыши in vivo
Summary
Предлагается недорогая электроэнцефалографическая регистрирующая система в сочетании с катушкой миллиметрового размера для управления транскраниальной магнитной стимуляцией мозга мыши in vivo. Используя обычные винтовые электроды с изготовленной на заказ гибкой подложкой из многоэлектродной матрицы, можно проводить многосайтовую запись из мозга мыши в ответ на транскраниальную магнитную стимуляцию.
Abstract
Здесь предлагается недорогая электроэнцефалографическая (ЭЭГ) система регистрации для управления транскраниальной магнитной стимуляцией (ТМС) мозга мыши in vivo с использованием катушки миллиметрового размера. Используя обычные винтовые электроды в сочетании с изготовленной на заказ гибкой подложкой из многоэлектродной матрицы, можно выполнять многосайтовую запись из мозга мыши. Кроме того, мы объясняем, как производится катушка миллиметрового размера с использованием недорогого оборудования, обычно встречающегося в лабораториях. Также представлены практические процедуры изготовления гибкой подложки многоэлектродной матрицы и техника хирургической имплантации винтовых электродов, которые необходимы для получения малошумящих сигналов ЭЭГ. Несмотря на то, что эта методология полезна для записи данных из мозга любого мелкого животного, в настоящем докладе основное внимание уделяется внедрению электродов в анестезированный череп мыши. Кроме того, этот метод может быть легко распространен на бодрствующее мелкое животное, которое соединено привязанными кабелями через общий адаптер и закреплено устройством TMS на голове во время записи. Описан настоящий вариант системы ЭЭГ-ТМС, который может включать в себя максимум 32 канала ЭЭГ (в качестве примера представлено устройство с 16 каналами с меньшим количеством каналов) и одно канальное устройство ТМС. Кроме того, кратко сообщается о типичных результатах, полученных при применении системы ЭЭГ-ТМС к анестезированным мышам.
Introduction
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) является многообещающим инструментом для науки о человеческом мозге, клинического применения и исследований на животных моделях из-за ее неинвазивности / низкой инвазивности. На ранней стадии применения ТМС измерение коркового эффекта в ответ на ТМС с одиночными и парными импульсами у людей и животных было ограничено моторной корой; Легко измеримый выход был ограничен моторными вызванными потенциалами и индуцированными миоэлектрическими потенциалами с участием моторной коры 1,2. Чтобы расширить области мозга, которые могут быть измерены с помощью модуляции ТМС, электроэнцефалографическая (ЭЭГ) запись была интегрирована с ТМС с одиночными и парными импульсами в качестве полезного метода для непосредственного изучения возбудимости, связности и пространственно-временной динамики областей по всему мозгу 3,4,5. Таким образом, одновременное применение записи ТМС и ЭЭГ (ТМС-ЭЭГ) к мозгу было использовано для зондирования различных поверхностных областей коры головного мозга людей и животных для исследования внутрикорковых нейронных цепей (см. Tremblay et al.6). Кроме того, системы ТМС-ЭЭГ могут быть использованы для изучения дополнительных корковых пространственно-временных характеристик, включая распространение сигналов в другие области коры и генерацию колебательной активности 7,8.
Тем не менее, механизм действия ТМС в головном мозге остается спекулятивным из-за неинвазивности ТМС, что ограничивает наши знания о том, как мозг функционирует во время применения ТМС. Поэтому инвазивные трансляционные исследования на животных, начиная от грызунов и заканчивая людьми, имеют решающее значение для понимания механизма воздействия ТМС на нейронные цепи и их активность. В частности, для комбинированных экспериментов ТМС-ЭЭГ на животных система одновременной стимуляции и измерения для мелких животных интенсивно не разрабатывалась. Поэтому экспериментаторы должны построить такую систему методом проб и ошибок в соответствии со своими конкретными экспериментальными требованиями. Кроме того, мышиные модели полезны среди других моделей видов животных in vivo, поскольку многие трансгенные и штаммоизолированные штаммы мышей доступны в качестве биологических ресурсов. Таким образом, удобный метод построения комбинированной измерительной системы ТМС-ЭЭГ для мышей был бы желателен для многих исследователей нейробиологии.
В этом исследовании предлагается комбинированный метод ТМС-ЭЭГ, который может быть применен для одновременной стимуляции и записи мозга мыши, который является основным типом трансгенных животных, используемых в исследованиях, и который может быть легко построен в типичных лабораториях нейробиологии. Во-первых, описывается недорогая система регистрации ЭЭГ с использованием обычных винтовых электродов и гибкой подложки для воспроизводимого назначения положения электродной решетки в каждом эксперименте. Во-вторых, система магнитной стимуляции построена с использованием катушки миллиметрового размера, которая может быть легко изготовлена на заказ в типичных лабораториях. В-третьих, комбинированная система ТМС-ЭЭГ регистрирует нейронную активность в ответ на звуковую и магнитную стимуляцию. Метод, представленный в этом исследовании, может выявить механизмы, которые вызывают специфические расстройства у мелких животных, а результаты, полученные на животных моделях, могут быть переведены для понимания соответствующих расстройств человека.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании рассматривается многосайтовая система регистрации ЭЭГ в сочетании с системой магнитной стимуляции, предназначенной для мелких животных, включая мышей. Сконструированная система является недорогой и легко конструируется в физиологических лабораториях и может ра?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Научным фондом Мураты, Мемориальным фондом Судзукена, Фондом Накатани по развитию измерительных технологий в биомедицинской инженерии и грантом на поисковые исследования (грант No 21K19755, Япония) и на научные исследования (B) (грант No 23H03416, Япония) для 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).
