Implantations- und Aufzeichnung von Wireless-Elektroretinogramm und visuell evozierten Potenziale in wachen Ratten
Summary
Wir zeigen eine chirurgische Implantation und Aufnahmeverfahren visuelle elektro Signale aus dem Auge (ERG) und Gehirn (visuell evozierte Potentiale) zu messen in der bewussten Ratten, die mehr analog zum menschlichen Zustand ist, wo Aufnahmen ohne Narkose verwechselt durchgeführt werden.
Abstract
Die Vollfeld-ERG (ERG) und visuell evozierten Potential (VEP) sind nützliche Werkzeuge, Netzhaut- und Sehbahn Integrität sowohl in Labor- und klinischen Umfeld zu bewerten. Derzeit werden präklinische ERG und VEP-Messungen mit Betäubung durchgeführt stabile Elektrodenanordnungen zu gewährleisten. Jedoch hat die Anwesenheit der Anästhesie wurde gezeigt normalen physiologischen Reaktionen zu verunreinigen. Um diese Anästhesie verwechselt zu überwinden, entwickeln wir eine neue Plattform zu testen, ERG und VEP in wachen Ratten. Die Elektroden werden chirurgisch Unter konjunktival auf das Auge implantiert, um die ERG und epidural über dem visuellen Kortex zu untersuchen den VEP zu messen. Eine Reihe von Amplitude und Empfindlichkeit / Timing-Parameter sind sowohl für die ERG und VEP bei steigender Licht Energien untersucht. Die ERG und VEP-Signale werden gezeigt für mindestens 4 Wochen nach der chirurgischen Implantation stabil und wiederholbar sein. Diese Fähigkeit, ERG und VEP-Signale ohne Anästhesie aufnehmen confounds in den vorklinischen setting sollte überlegen Übersetzung klinische Daten zur Verfügung stellen.
Introduction
Die ERG und VEP sind minimal in vivo – Tools invasive sowohl die Integrität der retinalen und der Sehbahn jeweils im Labor und Klinik zu beurteilen. Die Vollfeld ERG ergibt eine charakteristische Wellenform , die in verschiedene Komponenten aufgeteilt werden können, wobei jedes Element die verschiedene Zellklassen des retinalen Stoffwechselweg 1,2. Die klassische Vollfeld – ERG – Wellenform besteht aus einer anfänglichen negativen Steigung (a-Welle) die Photorezeptoraktivität Post Belichtung repräsentieren 2-4 gezeigt wurde , . Die a-Welle wird durch eine wesentliche positive Wellenform (b-Welle) gefolgt , die elektrische Aktivität der mittleren Netzhaut reflektiert überwiegend die ON-bipolaren Zellen 5-7. Darüber hinaus kann eine Lichtenergie variieren und Inter-Stimulus-Intervall Kegel von der Stange Antworten 8 zu isolieren.
Der Flash-VEP stellt elektrische Potentiale des visuellen Kortex und im Hirnstamm in Reaktion auf retinale Lichtstimulation9,10. Diese Wellenform kann in frühen und späten Komponenten zerlegt werden, wobei die frühe Komponente Reflexions Aktivität von Neuronen des retino-geniculo-striate Weg 11-13 und den späten Anteil darstellt kortikale Verarbeitung in verschiedenen Schichten V1 durchgeführt in Ratten 11,13. Daher gleichzeitige Messung der ERG und VEP liefert umfassende Bewertung der in der Sehbahn beteiligten Strukturen.
Derzeit, um die Elektrophysiologie in Tieren aufzunehmen, wird der Anästhesie eingesetzt, um stabile Platzierung der Elektrode zu ermöglichen. Es gab Versuche, 14-16 in wachen Ratten ERG und VEP zu messen , aber diese Studien eine verdrahtete Einrichtung eingesetzt, die mühsam sein kann und 17 durch die Beschränkung Tier Bewegung und natürliches Verhalten zu Tier Stress führen kann. Mit den jüngsten Fortschritten in der drahtlosen Technologie einschließlich der Verbesserung der Miniaturisierung und Lebensdauer der Batterie ist es nun möglich, eine Telemetrie Ansatz für ERG eine umzusetzend VEP-Aufnahme, die mit verdrahteten Aufnahmen verbunden sind Stress zu verringern und langfristige Rentabilität zu verbessern. Vollständig internalisiert stabile Implantationen von Telemetrie – Sonden haben sich für chronische Überwachung der Temperatur um erfolgreich zu sein, den Blutdruck 18, Aktivität 19 sowie Elektroenzephalographie 20. Solche Fortschritte in der Technologie wird auch mit Wiederholbarkeit und Stabilität der bewussten Aufnahmen helfen, die Plattform der Nutzen für chronische Studien zu erhöhen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aufgrund der minimal-invasive Art visueller Elektrophysiologie, ERG und VEP-Aufnahmen bei menschlichen Patienten werden unter Bedingungen durchgeführt bewußten und erfordern nur die Verwendung von topischen Anästhetika zur Elektrodenplatzierung. Im Gegensatz dazu wird visuelle Elektro in Tiermodellen üblicherweise unter Vollnarkose durchgeführt, durch die Beseitigung freiwilligen Auge und Körperbewegungen stabile Platzierung der Elektroden zu ermöglichen. Jedoch häufig verwendete allgemeine Anästhetika verände…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
JC would like to acknowledge the David Hay Memorial Fund, The University of Melbourne for financial support in writing this manuscript. Funding for this project was provided by an ARC Linkage grant 100200129 (BVB, AJV, CTON).
Materials
| Bioamplifier | ADInstruments | ML 135 | Amplifies ERG and VEP signals |
| Carboxymethylcellulose sodium 1.0% | Allergan | CAS 0009000-11-7 | Maintain corneal hydration during surgery |
| Carprofen 0.5% | Pfizer Animal Health Group | CAS 53716-49-7 | Post-surgery analgesia, given with injectable saline for fluid replenishment |
| Chlorhexadine 0.5% | Orion Laboratories | 27411, 80085 | Disinfection of surgical instrument |
| Cyanoacrylate gel activator | RS components | 473-439 | Quickly dries cyanoacrylate gel |
| Cyanocrylate gel | RS components | 473-423 | Fix stainless screws to skull |
| Dental burr | Storz Instruments, Bausch and Lomb | E0824A | Miniature drill head of ~0.7mm diameter for making a small hole in the skull over each hemisphere to implant VEP screws |
| Drill | Bosch | Dremel 300 series | Automatic drill for trepanning |
| Enrofloxin | Troy Laboratories | Prophylactic antibiotic post surgey | |
| Ganzfeld integrating sphere | Photometric Solutions International | Custom designed light stimulator: 36 mm diameter, 13 cm aperture size | |
| Gauze swabs | Multigate Medical Products Pty Ltd | 57-100B | Dries surgical incision and exposed skull surface during surgery |
| Isoflurane 99.9% | Abbott Australasia Pty Ltd | CAS 26675-46-7 | Proprietory Name: Isoflo(TM) Inhalation anaaesthetic. Pharmaceutical-grade inhalation anesthetic mixed with oxygen gas for VEP electrode implant surgery |
| Kenacomb ointment | Aspen Pharma Pty Ltd | To reduce skin irritation and itching after surgery | |
| Luxeon LEDs | Phillips Lighting Co. | For light stimulation, twenty 5 watt and one 1 watt LEDs, controlled by Scope software | |
| Needle (macrosurgery) | World Precision Instruments | 501959 | for suturing abdominal and head surgery, used with 3-0 suture, eye needle, cutting edge 5/16 circle Size 1, 15mm |
| Needle holder (macrosurgery) | World Precision Instruments | 500224 | To hold needle during abdominal and head surgery |
| Needle holder (microsurgery) | World Precision Instruments | 555419NT | To hold needle during ocular surgery |
| Optiva catheter | Smiths Medical International LTD | 16 or 21 G | Guide corneal active electrodes from skull to conjunctiva |
| Povidone iodine 10% | Sanofi-Aventis | CAS 25655-41-8 | Proprietory name: Betadine, Antiseptic to prepare the shaved skin for surgery 10%, 500 mL |
| Powerlab data acquisition system | ADInstruments | ML 785 | Acquire signal from telemetry transmitter, paired to telemetry data converter |
| Proxymetacaine 0.5% | Alcon Laboratories | CAS 5875-06-9 | Topical ocular analgesia |
| Restrainer | cutom made | Front of the restrainer is tapered to minimize head movement, length can be adjusted to accommodate different rat length, overall diameter is 60 mm. | |
| Scapel blade | R.G. Medical Supplies | SNSM0206 | For surgical incision |
| Scissors (macrosurgery) | World Precision Instruments | 501225 | for cutting tissue on the abodmen and forhead |
| Scissors (microsurgery) | World Precision Instruments | 501232 | To dissect the conjunctiva for electrode attachment |
| Scope Software | ADInstruments | version 3.7.6 | Simultaneously triggers the stimulus via the ADI Powerlab system and collects data |
| Shaver | Oster | Golden A5 | Shave fur from surgical areas |
| Stainless streel screws | MicroFasteners | L001.003CS304 | 0.7 mm shaft diameter, 3 mm in length |
| Stereotaxic frame | David Kopf | Model 900 | A small animal stereotaxic instrument for locating the implantation landmarks on the skull |
| Surgical drape | Vital Medical Supplies | GM29-612EE | Ensure sterile enviornment during surgery |
| Suture (macrosurgery) | Ninbo medical needles | 3-0 | for suturing abdominal and head surgery, sterile silk braided, 60cm |
| Suture needle (microsurgery) | Ninbo medical needles | 8-0 or 9-0 | for ocular surgery including, suturing electrode to sclera and closing conjunctival wound, nylon suture, 3/8 circle 1×5, 30cm |
| Telemetry data converter | DataSciences International | R08 | allows telemetry signal to interface with data collection software |
| Telemetry Data Exchange Matrix | DataSciences International | Gathers data from transmitters, pair with receiver | |
| Telemetry data receiver | DataSciences International | RPC-1 | Receives telemetry data from transmitter |
| Telemetry transmitter | DataSciences International | F50-EEE | 3 channel telemetry transmitter |
| Tropicamide 0.5% | Alcon Laboratories | Iris dilation | |
| Tweezers (macrosurgery) | World Precision Instruments | 500092 | Manipulate tissues during abdominal and head surgery |
| Tweezers (microsurgery) | World Precision Instruments | 500342 | Manipulate tissues during ocular surgery |
References
- Frishman, L. J. . Origins of the Electroretinogram. , (2006).
- Granit, R. The components of the retinal action potential in mammals and their relation to the discharge in the optic nerve. J Physiol. 77, 207-239 (1933).
- Brown, K. T. The eclectroretinogram: its components and their origins. Vision Res. 8, 633-677 (1968).
- Brown, K. T., Murakami, M. Biphasic Form of the Early Receptor Potential of the Monkey Retina. Nature. 204, 739-740 (1964).
- Kline, R. P., Ripps, H., Dowling, J. E. Generation of b-wave currents in the skate retina. Proc Natl Acad Sci U S A. 75, 5727-5731 (1978).
- Krasowski, M. D., et al. Propofol and other intravenous anesthetics have sites of action on the gamma-aminobutyric acid type A receptor distinct from that for isoflurane. Mol Pharmacol. 53, 530-538 (1998).
- Stockton, R. A., Slaughter, M. M. B-wave of the electroretinogram. A reflection of ON bipolar cell activity. J Gen Physiol. 93, 101-122 (1989).
- Nixon, P. J., Bui, B. V., Armitage, J. A., Vingrys, A. J. The contribution of cone responses to rat electroretinograms. Clin Experiment Ophthalmol. 29, 193-196 (2001).
- Weinstein, G. W., Odom, J. V., Cavender, S. Visually evoked potentials and electroretinography in neurologic evaluation. Neurol Clin. 9, 225-242 (1991).
- Sand, T., Kvaloy, M. B., Wader, T., Hovdal, H. Evoked potential tests in clinical diagnosis. Tidsskr Nor Laegeforen. 133, 960-965 (2013).
- Brankack, J., Schober, W., Klingberg, F. Different laminar distribution of flash evoked potentials in cortical areas 17 and 18 b of freely moving rats. J Hirnforsch. 31, 525-533 (1990).
- Creel, D., Dustman, R. E., Beck, E. C. Intensity of flash illumination and the visually evoked potential of rats, guinea pigs and cats. Vision Res. 14, 725-729 (1974).
- Herr, D. W., Boyes, W. K., Dyer, R. S. Rat flash-evoked potential peak N160 amplitude: modulation by relative flash intensity. Physiol Behav. 49, 355-365 (1991).
- Guarino, I., Loizzo, S., Lopez, L., Fadda, A., Loizzo, A. A chronic implant to record electroretinogram, visual evoked potentials and oscillatory potentials in awake, freely moving rats for pharmacological studies. Neural Plast. 11, 241-250 (2004).
- Szabo-Salfay, O., et al. The electroretinogram and visual evoked potential of freely moving rats. Brain Res Bull. 56, 7-14 (2001).
- Valjakka, A. The reflection of retinal light response information onto the superior colliculus in the rat. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 245, 1199-1210 (2007).
- Lapray, D., Bergeler, J., Dupont, E., Thews, O., Luhmann, H. J. A novel miniature telemetric system for recording EEG activity in freely moving rats. J Neurosci Methods. 168, 119-126 (2008).
- Lim, K., Burke, S. L., Armitage, J. A., Head, G. A. Comparison of blood pressure and sympathetic activity of rabbits in their home cage and the laboratory environment. Exp Physiol. 97, 1263-1271 (2012).
- Nguyen, C. T., Brain, P., Ivarsson, M. Comparing activity analyses for improved accuracy and sensitivity of drug detection. J Neurosci Methods. 204, 374-378 (2012).
- Ivarsson, M., Paterson, L. M., Hutson, P. H. Antidepressants and REM sleep in Wistar-Kyoto and Sprague-Dawley rats. Eur J Pharmacol. 522, 63-71 (2005).
- He, Z., Bui, B. V., Vingrys, A. J. The rate of functional recovery from acute IOP elevation. Invest Ophthalmol Vis Sci. 47, 4872-4880 (2006).
- Lamb, T. D., Pugh, E. N. A quantitative account of the activation steps involved in phototransduction in amphibian photoreceptors. J Physiol. 449, 719-758 (1992).
- Hood, D. C., Birch, D. G. Rod phototransduction in retinitis pigmentosa: estimation and interpretation of parameters derived from the rod a-wave. Invest Ophthalmol Vis Sci. 35, 2948-2961 (1994).
- Charng, J., et al. Conscious wireless electroretinogram and visual evoked potentials in rats. PLoS Onez. 8, e74172 (2013).
- Galambos, R., Szabo-Salfay, O., Szatmari, E., Szilagyi, N., Juhasz, G. Sleep modifies retinal ganglion cell responses in the normal rat. Proc Natl Acad Sci U S A. 98, 2083-2088 (2001).
- Meeren, H. K., Van Luijtelaar, E. L., Coenen, A. M. Cortical and thalamic visual evoked potentials during sleep-wake states and spike-wave discharges in the rat. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 108, 306-319 (1998).
- Nair, G., et al. Effects of common anesthetics on eye movement and electroretinogram. Doc Ophthalmol. 122, 163-176 (2011).
- Amouzadeh, H. R., Sangiah, S., Qualls, C. W., Cowell, R. L., Mauromoustakos, A. Xylazine-induced pulmonary edema in rats. Toxicol Appl Pharmacol. 108, 417-427 (1991).
- Charng, J., et al. Retinal electrophysiology is a viable preclinical biomarker for drug penetrance into the central nervous system. J Ophthalmol. , (2016).
