Visual Evoked potentiella inspelningar i möss med en icke-invasiv Multi-Channel torr hårbotten EEG Sensor
Summary
Vi har utformat en torr-typ 16 kanal EEG-sensor som är icke-invasiv, deformerbar och återanvändas. Detta dokument beskriver hela processen från tillverkning föreslagna EEG elektroden till signalbehandling av visual evoked potential (VEP) signaler mätt på en mus hårbotten med en torr noninvasiv flerkanaligt EEG sensor.
Abstract
För hårbotten EEG forskningsmiljöer med laboratoriemöss utformade vi en torr-typ 16 kanal EEG sensor som är icke-invasiv, deformerbar och återanvändas på grund av kolven-våren-fat strukturell aspekt och mekaniska styrka följd av metall material. Hela processen för att förvärva den VEP Svaren i vivo från en mus består av fyra steg: (1) sensor församlingen, (2) djur förberedelse, (3) VEP mätning och (4) signalbehandling. Detta dokument presenterar representativa mätningar av VEP svaren från flera möss med en submicro-spänningssignal upplösning och sub hundra millisekund temporal upplösning. Även om den föreslagna metoden är säkrare och bekvämare jämfört med andra tidigare rapporterade djur EEG inlösande metoder, det resterande frågor inklusive hur man kan förbättra det signal-brus-förhållandet och hur man tillämpar denna teknik med fritt rörliga djur. Den föreslagna metoden använder lätt tillgängliga resurser och visar ett repetitivt VEP svar med en tillfredsställande signalkvalitet. Därför, denna metod skulle kunna utnyttjas för längsgående experimentella studier och tillförlitlig translationell forskning utnyttjar icke-invasiv paradigm.
Introduction
Eftersom antalet patienter med senil degenerativa hjärnsjukdomar som demens, Alzheimers, Parkinsons syndrom och stroke har ökat med en åldrande befolkning och en ökande medellivslängd, har långsiktiga samhälleliga bördan av dessa sjukdomar också ökat1,2,3. Dessutom åtföljs de flesta neurologiska sjukdomar, såsom schizofreni och autism, av kognitiva och beteendemässiga störningar som påverkar patientens hela livet2,3,4. Därför har forskare kämpar att förbättra diagnos, förebyggande, patologiska förståelse, långsiktig observation och behandling av sjukdomar i hjärnan. Dock kvarstår problem härrör från hjärnans komplexitet och unrevealed sjukdom patologier. Translationell forskning kan vara ett lovande verktyg för att identifiera lösningar eftersom det möjliggör överföring av grundläggande forskning till kliniska tillämpningar inom en kortare tidsram, till lägre kostnad och med större framgång i neurovetenskap fält5 ,6,7. Ett annat mål för translationell forskning är att undersöka tillämpligheten hos försökspersoner, som kräver icke-invasiv experimentella metoder i djur som gör jämförelser till samma metod för människor. Dessa förhållanden har lett till flera betydande behov för att utveckla icke-invasiv djur beredningsmetoder. En metod är elektroencefalografi (EEG), som avslöjar kortikala hjärnan connectivity och aktivitet two-dimensionally med hög temporal upplösning, och som gagnar från ett icke-invasiv protokoll. Evenemangsrelaterade potentiella inspelningen (ERP) är en av de typiska experimentella paradigm som använder EEG.
Många tidigare studier sysselsatta noninvasiv EEG-metoder för inriktning människor ämnen, medan invasiva metoder, såsom implantat skruvar och pole typ elektroder, har använts i djurstudier8,9,10 , 11 , 12. signalkvaliteten och egenskaperna av dessa metoder är väsentligt beroende av invasivitet av sensorplacering. För framgångsrik translationell forskning, Garner betonade med samma villkor för djur studie som de som används för mänsklig forskning13. För grundläggande forskning med försöksdjur, är icke-invasiv EEG metoder dock inte utbredd. En ny metod som använder en icke-invasiv hårbotten EEG sensorsystem med fokus på laboratoriemöss vore ett pålitligt och effektivt verktyg för translationell forskning som kan tillämpas på icke-invasiv paradigm för mänskliga varelser, liksom.
Ett flertal mus EEG studier ledde vägen genom att kommersialisera PCB (tryck Kretsloppet bräde) baserat Multi-Channel elektroder14,15,16. Även om de antagit en invasiv metod, hade de ett begränsat antal kanaler (3-8), vilket gjorde det svårare att observera storskaliga hjärnan dynamics. Dessutom kan program begränsas av deras invasivt och höga kostnader. I en annan forskningsstudie, KIST (Korea Institute of Science and Technology) utvecklat en 40-kanal polyimid-baserade tunnfilms-elektrod och fäst den till en Muss skalle17,18,19,20 . Detta arbete förvärvat det högsta antalet mus EEG kanaler. Det var dock mekaniskt svaga och inte lätt att återanvända; Det var därför olämplig för långsiktiga observationer, vilket leder till en försvagad signal, möjligen orsakade av en immunreaktion. Under tiden förvärvat Troncoso och Mégevand en sensorisk evoked potential (SEP) på gnagare skallar med trettiotvå rostfria elektroder säkras genom en perforerad Poly(methyl methacrylate) (PMMA, akrylglas) rutnät21,22 , 23. Trots sin höga signalkvalitet, elektroderna var mekaniskt flexibla och anbud; Därför hade de svårigheter som tillämpas på flera experiment. Denna metod var dessutom fortfarande minimalt invasiva. Även om dessa metoder ger bra signalkvalitet, ytan av en Muss skalle är begränsad, därför antalet elektroder är begränsad använder en rostfri stolpe-typ elektrod. Ett antal tidigare EEG studier för möss visade flera begränsningar. I denna studie visar vi en ny metod för att mäta EEG tillämplig i pre-klinisk translationell forskning med en icke-invasiv torr-typ flerkanaligt sensor.
För att övervinna begränsningarna av tidigare djur EEG metoder, som omfattade den inneboende komplexiteten i djurens förberedelse, invasivt, hög kostnad, slöseri och svag mekanisk styrka, försökte vi utveckla en ny elektrod som uppvisar flexibilitet, torr typ status, Multi-Channel-funktioner, icke-invasivt och återanvändbarhet. I följande protokoll, kommer vi att beskriva processen med att mäta visual evoked potential (VEP) inspelningar på en mus hårbotten med en torr, icke-invasiv, flerkanaligt EEG-sensor. Denna metod använder tredjeparts lätt tillgängliga resurser, därför sänker barriären för inträde till djurförsök inom medicinsk teknik.
Protocol
Representative Results
Discussion
För det första fokuserade vi på utformningen av sensorn, prioritera funktionalitet genom att minimera komplexa kirurgiska ingrepp. Deformerbara EEG sensorn består av sexton pins: fjorton för inspelning, en för marken, och den sista för referera elektroder. Varje elektrod har kolven-våren-fat struktur, som gäller deformability på elektrodens kontakt yta, så de underlätta enhetlig och stabil signal förvärv från böjda och anbud musens hårbotten. Med tanke på välfärd för djuren, vi försökte att minimer…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds delvis av GIST Research Institute (GRI), GIST-Caltech forskningsprojektet samarbete genom ett bidrag som tillhandahålls av GIST 2017. Också stöds av forskningsbidrag (NRF-2016R1A2B4015381) av den nationella Research Foundation (NRF) finansieras av den koreanska regeringen (MEST), och KBRI grundforskning program via Korea Brain Research Institute finansieras av ministeriet för vetenskap, IKT och framtiden Planering (17-BR-04).
Materials
| Ketamine 50 Inj. (Vial) | Yuhan | – | Ketamine HCl 57.68 mg |
| Zoletil 50 Inj. | Virbac | – | Tiletamina 125 mg/ Zolazepam 125 mg |
| Rompun 2% Inj. | BAYER | – | Xylazine hydrochloride 23.32mg/mL |
| Hycell solution 2% | Samil | – | Hydroxypropylmethylcellulose 20 mg |
| Puralube Vet Ointment 3.5 mg | Pharmaderm | – | |
| Saline solution Inj. | JW Pharmaceutical | – | NaCl 9 g/1000 mL |
| Veet Hair Removal Cream – Legs & Body – Sensitive Skin | Reckitt Benckiser | – | depilatory |
| Skins – Surgical Skin Marker | Surgmed | S-3000 | STERILE – Multi-Tip Fine Marker with ruler and label set |
| Stainless Steel Micro Spatulas | HEATHROW SCIENTIFIC | HS15907 | One Round Flat End, 2L x 5/16W" |
| cotton swap | |||
| Stereotaxic, Desktop Digi Single | RWD Life Science | 68025 | |
| Mouse Adapter | RWD Life Science | 68010 | |
| Ear Bar for Mouse Non-Rupture | RWD Life Science | 68306 | |
| Mitsar-EEG 202-24 | MITSAR | amplifier | |
| EEGStudio EEG acquisition software | MITSAR | ||
| White flash stimulator | MITSAR | MITSAR Flash stimulator | |
| BCI2000 software | Schalk lab | ||
| g.USBamp | g.tec | 0216 | |
| g.Power-g.USBamp | g.tec | 0247 | |
| 441 style straight body Touch Proof connector | PlasticsOne | 441000PSW080001 | 441 – 000 PSW 80" (BLACK) |
| Standard probe | LEENO | SK100CSW | http://www.globalinterpark.com/detail/detail?prdNo=2114277241&dispNo=001851006012 |
| Precision engraving machine tools | TINYROBO | TinyCNC-6060C | |
| Heat shirink | 3M | FP301 |
Riferimenti
- Alzheimer’s Association. Alzheimer’s disease facts and figures. Alzheimers Dement. 12 (4), 459-509 (2016).
- Birbeck, G. L., Meyer, A. C., Ogunniyi, A. Nervous system disorders across the life course in resource-limited settings. Nature. 527 (7578), S167-S171 (2015).
- World Health Organization. . Neurological disorders: public health challenges. , (2006).
- Meyer, U., Feldon, J., Dammann, O. Schizophrenia and Autism: Both Shared and Disorder-Specific Pathogenesis Via Perinatal Inflammation?. Pediatr Res. 69 (5), 26r-33r (2011).
- Freedman, L. P., Cockburn, I. M., Simcoe, T. S. The Economics of Reproducibility in Preclinical Research. PLoS Biol. 13 (6), e1002165 (2015).
- Cummings, J. L., et al. Alzheimer’s disease drug development: translational neuroscience strategies. CNS Spectr. 18 (3), 128-138 (2013).
- Roelfsema, P. R., Treue, S. Basic neuroscience research with nonhuman primates: a small but indispensable component of biomedical research. Neuron. 82 (6), 1200-1204 (2014).
- Wu, C., Wais, M., Sheppy, E., del Campo, M., Zhang, L. A glue-based, screw-free method for implantation of intra-cranial electrodes in young mice. J Neurosci Methods. 171 (1), 126-131 (2008).
- Yu, F. H., et al. Reduced sodium current in GABAergic interneurons in a mouse model of severe myoclonic epilepsy in infancy. Nat Neurosci. 9 (9), 1142-1149 (2006).
- Parmentier, R., et al. Anatomical, physiological, and pharmacological characteristics of histidine decarboxylase knock-out mice: evidence for the role of brain histamine in behavioral and sleep-wake control. J Neurosci. 22 (17), 7695-7711 (2002).
- Handforth, A., Delorey, T. M., Homanics, G. E., Olsen, R. W. Pharmacologic evidence for abnormal thalamocortical functioning in GABA receptor beta3 subunit-deficient mice, a model of Angelman syndrome. Epilepsia. 46 (12), 1860-1870 (2005).
- Wu, C., Wais, M., Zahid, T., Wan, Q., Zhang, L. An improved screw-free method for electrode implantation and intracranial electroencephalographic recordings in mice. Behav Res Methods. 41 (3), 736-741 (2009).
- Garner, J. P. The Significance of Meaning: Why Do Over 90% of Behavioral Neuroscience Results Fail to Translate to Humans, and What Can We Do to Fix It?. Ilar Journal. 55 (3), 438-456 (2014).
- Naylor, E., Harmon, H., Gabbert, S., Johnson, D. Automated sleep deprivation: simulated gentle handling using a yoked control. Sleep. 12 (1), 5-12 (2010).
- Naylor, E., et al. Simultaneous real-time measurement of EEG/EMG and L-glutamate in mice: A biosensor study of neuronal activity during sleep. J Electroanal Chem (Lausanne). 656 (1-2), 106-113 (2011).
- Naylor, E., et al. Molecules in Neuroscience. , 12-16 (2010).
- Choi, J. H., et al. A flexible microelectrode for mouse EEG. , 1600-1603 (2009).
- Choi, J. H., Koch, K. P., Poppendieck, W., Lee, M., Shin, H. S. High resolution electroencephalography in freely moving mice. J Neurophysiol. 104 (3), 1825-1834 (2010).
- Lee, M., Shin, H. S., Choi, J. H. Simultaneous recording of brain activity and functional connectivity in the mouse brain. , 2934-2936 (2009).
- Lee, M., Kim, D., Shin, H. S., Sung, H. G., Choi, J. H. High-density EEG recordings of the freely moving mice using polyimide-based microelectrode. JoVE-J Vis Exp. (47), e2562 (2011).
- Mégevand, P., Quairiaux, C., Lascano, A. M., Kiss, J. Z., Michel, C. M. A mouse model for studying large-scale neuronal networks using EEG mapping techniques. Neuroimage. 42 (2), 591-602 (2008).
- Megevand, P., et al. Long-term plasticity in mouse sensorimotor circuits after rhythmic whisker stimulation. J Neurosci. 29 (16), 5326-5335 (2009).
- Troncoso, E., Muller, D., Czellar, S., Zoltan Kiss, J. Epicranial sensory evoked potential recordings for repeated assessment of cortical functions in mice. J Neurosci Methods. 97 (1), 51-58 (2000).
- Keith, B., Franklin, G. P., Paxinos, G. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2008).
- Kawakami, M., Yamamura, K. I. Cranial bone morphometric study among mouse strains. Bmc Evol Biol. 8, (2008).
- Strain, G. M., Tedford, B. L. Flash and pattern reversal visual evoked potentials in C57BL/6J and B6CBAF1/J mice. Brain Res Bull. 32 (1), 57-63 (1993).
- Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. BCI2000: A general-purpose, brain-computer interface (BCI) system. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).
- Kim, D., Yeon, C., Kim, K. Development and Experimental Validation of a Dry Non-Invasive Multi-Channel Mouse Scalp EEG Sensor through Visual Evoked Potential Recordings. Sensors. 17 (2), 326 (2017).
- Yeon, C., Kim, D., Kim, K., Chung, E. . SENSORS, 2014 IEEE. , 519-522 (2014).
- Kim, D., Yeon, C., Chung, E., Kim, K. . SENSORS, 2015 IEEE. , 1-4 (2015).
- Lin, C. T., et al. Novel dry polymer foam electrodes for long-term EEG measurement. IEEE Trans Biomed Eng. 58 (5), 1200-1207 (2011).
- Lopez-Gordo, M. A., Sanchez-Morillo, D., Pelayo Valle, F. Dry EEG electrodes. Sensors (Basel). 14 (7), 12847-12870 (2014).
- Fang, Q., Bedi, R., Ahmed, B., Cosic, I. Engineering in Medicine and Biology Society, 2004. IEMBS’04. , 2995-2998 (2004).
- Maffei, L., Fiorentini, A., Bisti, S. Neural correlate of perceptual adaptation to gratings. Science. 182 (4116), 1036-1038 (1973).
- Ernst, M., Lee, M. H., Dworkin, B., Zaretsky, H. H. Pain perception decrement produced through repeated stimulation. Pain. 26 (2), 221-231 (1986).
