Implantasjon og opptak av Wireless elektroretinogrammet og Visual evoked potensial i bevisste rotter
Summary
Vi viser kirurgiske implantasjon og registrere prosedyrer for å måle visuelle elektrofysiologiske signaler fra øyet (elektroretinogrammet) og hjernen (visuell fremkalt potensial) i bevisste rotter, som er mer analog til den menneskelige tilstand hvor opptakene er utført uten bedøvelse forundrer.
Abstract
The full-feltet elektroretinogrammet (ERG) og visuell fremkalt potensial (VEP) er nyttige verktøy for å vurdere retinal og visuelle veien integritet i både laboratorie- og kliniske innstillinger. Foreløpig er prekliniske ERG og VEP målinger utføres med bedøvelse for å sikre stabile elektrodeplasseringer. Imidlertid har meget nærvær av anestesi er vist å forurense normale fysiologiske responser. For å overvinne disse anestesi forundrer utvikler vi en ny plattform for å analysere ERG og VEP i bevisste rotter. Elektroder er implantert sub-conjunctivally på øyet for å analysere den ERG og epiduralt over visuelle cortex å måle VEP. Et utvalg av amplitude og følsomhet / tidsparametere blir analysert for både ERG og VEP ved økende lysende energier. ERG og VEP signalene vist seg å være stabil og repeterbare i minst 4 uker etter kirurgisk implantasjon. Denne evnen til å ta opp ERG og VEP signaler uten bedøvelse forundrer i prekliniske setting skal gi overlegen oversettelse til kliniske data.
Introduction
ERG og VEP er minimal invasiv in vivo verktøy for å vurdere integriteten av netthinnens og visuelle veier henholdsvis både i laboratoriet og klinikken. Full-felt ERG gir en karakteristisk kurve som kan brytes ned til ulike komponenter, med hvert element representerer forskjellige celle klasser av retinal pathway 1,2. Den klassiske full felt ERG bølgeform består av en første negativ helning (a-bølge), som har vist seg å representere fotoreseptoren aktivitet stolpe lyseksponering 2-4. Den en-bølge blir fulgt av en betydelig positiv bølgeform (b-bølge) som gjenspeiler elektriske aktiviteten i midten netthinnen, hovedsakelig på-bipolare celler 5-7. Videre kan man variere lysenergi og inter-stimulus-intervall for å isolere membranen fra stang responser 8.
Blitsen VEP representerer elektriske potensialer av den visuelle cortex og hjernestammen som svar på retinal lys stimulering9,10. Denne bølgeform kan brytes ned i tidlige og sene komponenter, med tidlig komponent reflekterer aktiviteten av neuroner fra Retino-geniculo-striate vei 11-13, og på slutten av komponenten som representerer kortikal prosessering som utføres i forskjellige V1 lameller hos rotter 11,13. Derfor samtidig måling av ERG og VEP returnerer omfattende vurdering av de som er involvert i den visuelle bane strukturer.
For tiden, for å ta opp elektro i dyr, er anestesi anvendes for å muliggjøre stabil plassering av elektroder. Det har vært forsøk på å måle ERG og VEP i bevisste rotter 14-16, men disse studiene benyttet et oppsett via kabel, som kan være tungvint og kan føre til dyr stress ved å begrense dyr bevegelse og naturlig atferd 17. Med de siste fremskritt innen trådløs teknologi, inkludert forbedret miniatyrisering og batterilevetid, er det nå mulig å gjennomføre en telemetri tilnærming for ERG end VEP opptak, redusere stress forbundet med kablet opptak og forbedre langsiktig levedyktighet. Fullt internalisert stabile implantasjoner av telemetri sonder har vist seg å være vellykket for kronisk overvåking av temperatur, blodtrykk 18, aktivitet 19 så vel som elektroencefalografi 20. Slike fremskritt innen teknologi vil også bistå med repeterbarhet og stabilitet av bevisste opptak, øke plattformens verktøy for kroniske studier.
Protocol
Representative Results
Discussion
På grunn av minimal invasiv art visuell elektrofysiologi, er ERG og VEP opptak i menneskepasienter gjennomført under bevisst forhold og bare krever bruk av aktuell bedøvelse for plassering av elektroder. I kontrast er visuell elektro i dyremodeller konvensjonelt utført under narkose for å muliggjøre stabil elektrodeplassering ved å eliminere frivillige øye og kroppsbevegelser. Men brukte generelle anestetika endre ERG og VEP responser som vist ved vår forrige publisering 24 og andre 25-27.…
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).
