Одновременная видео ЭЭГ-мониторинг ЭКГ для выявления Neurocardiac дисфункции в моделях мыши эпилепсии
Summary
Здесь мы представляем протокол для записи мозга и сердца био сигналов в мышей, используя одновременно видео, электроэнцефалография (ЭЭГ) и электрокардиография (ЭКГ). Мы также описывают методы для анализа результате записи ЭЭГ-ЭКГ для изъятий, спектральной мощности ЭЭГ, функции сердца и вариабельности сердечного ритма.
Abstract
В эпилепсия судороги может вызвать сердечного ритма такие изменения частоты сердечных сокращений, теплопроводности блоки, asystoles и ритма, которые потенциально могут увеличить риск внезапной неожиданной смерти в эпилепсии (SUDEP). Электроэнцефалография (ЭЭГ) и электрокардиография (ЭКГ) являются широко используется клинических диагностических инструментов для мониторинга ненормальное мозга и сердечных ритмов в больных. Здесь описан способ одновременной записи видео, ЭЭГ, ЭКГ в мышей, чтобы мера поведение, мозга и сердечной деятельности, соответственно. Метод, описанный здесь использует привязанный (т.е., проводные) запись конфигурации, в котором имплантированных электродов на голову мыши проводные для записывающего прибора. По сравнению с беспроводной телеметрии, системы записи, привязанный композиция обладает несколько технических преимуществ, таких как можно большее количество каналов для записи ЭЭГ или других биопотенциалов; затраты на электрод; и больше частот (т.е., частота дискретизации) записей. Основы этой техники также могут быть легко изменены для размещения записи других биосигналов, например электромиографии (ЭМГ) или плетизмографии для оценки мышц и дыхательной деятельности, соответственно. Помимо описания как для выполнения записи ЭЭГ-ЭКГ, мы также подробно методы количественной оценки полученные данные для изъятий, спектральной мощности ЭЭГ, функции сердца и вариабельность сердечного ритма, который мы демонстрируем пример эксперимента с помощью мыши с в эпилепсия, из-за удаления гена Kcna1 . Мониторинг в моделях мыши эпилепсия или другие неврологические заболевания видео-ЭЭГ-ЭКГ предоставляет мощный инструмент для выявления дисфункции на уровне головного мозга, сердца или мозг сердце взаимодействия.
Introduction
Электроэнцефалография (ЭЭГ), электрокардиография (ЭКГ), мощный и широко используемых методов для оценки в vivo мозга и сердечной функции, соответственно. ЭЭГ — запись электрической мозговой активности, прикрепляя электроды к волосистой части головы1. Сигнал, записанный с неинвазивные ЭЭГ представляет колебания напряжения, обусловленные выбытие тормозящее и возбуждающих постсинаптических потенциалов главным образом генерируемые корковых нейронов пирамидальный1,2. ЭЭГ является наиболее распространенным нейродиагностического тест для оценки и ведения пациентов с эпилепсией3,4. Это особенно полезно, когда эпилептические припадки возникают без очевидных судорожными поведенческих проявлениях, таких, как отсутствие судорог или не судорожные состояния эпилептический5,6. И наоборот не эпилепсия соответствующие условия, которые приводят к судорожными эпизоды или потеря сознания может быть неправильно диагностируются как эпилептические припадки без видео ЭЭГ мониторинга7. В дополнение к ее полезности в области эпилепсии ЭЭГ также широко используется для обнаружения аномальных мозговой активности, связанные с расстройства сна, энцефалопатий и расстройства памяти, а также в дополнение к общей анестезии во время операции2 , 8 , 9.
В отличие от ЭЭГ, ЭКГ (или ЭКГ, иногда сокращенно) — запись электрической активности сердца10. ЭКГ обычно выполняются прикрепляя электроды к конечности конечностей и грудной стенки, который позволяет обнаруживать изменения напряжения, порожденных миокард во время каждого сердечного цикла сокращение и расслабление10,11. Основные компоненты сигнала ЭКГ нормального сердечного цикла включают P волна, комплекс QRS и T волн, которые соответствуют деполяризации предсердий, желудочков деполяризации и реполяризации желудочков, соответственно10, 11. мониторинг ЭКГ обычно используется для выявления сердечных аритмий и дефекты сердечной проводимости системы12. Среди больных эпилепсией важность использования ЭКГ для выявления потенциально угрожающих жизни аритмий усиливается, так как они являются значительно более высокому риску внезапной остановки сердца, а также неожиданные внезапной эпилепсии13, 14,15.
В дополнение к их клинического применения записи ЭКГ и ЭЭГ стали незаменимым инструментом для выявления дисфункции головного мозга и сердца в моделях мыши заболеваний. Хотя традиционно эти записи были выполнены отдельно, здесь мы опишем способ записывать видео и ЭЭГ, ЭКГ одновременно в мышах. Синхронный метод видео ЭЭГ-ЭКГ, подробно здесь использует привязанный запись конфигурации, в котором имплантированных электродов на голову мыши проводные для записывающего прибора. Исторически это привязанный, или проводной, конфигурации был стандарт и наиболее широко используется метод для записи ЭЭГ у мышей; Однако беспроводных систем телеметрии ЭЭГ также были недавно разработаны и набирают популярность16.
По сравнению с беспроводных систем ЭЭГ, привязанный композиция имеет ряд технических преимуществ, которые могут сделать его более предпочтительным в зависимости от требуемого приложения. Эти преимущества включают большее количество каналов для записи ЭЭГ или других биопотенциалов; затраты на электрод; электрод одноразовости; менее восприимчивость к сигнал потери; и больше частот (т.е., частота дискретизации) записи17. Сделано правильно, привязанный записи метод, описанный здесь способен обеспечить высокое качество, бездефектной ЭЭГ и ЭКГ данных одновременно, наряду с соответствующим видео для поведенческого контроля. ЭКГ и ЭЭГ данные затем могут быть заминированы определить нейронных, сердечная, или neurocardiac аномалии, такие как судороги, изменения в ЭЭГ мощность спектра, сердечной проводимости блоков (т.е., пропущенных ударов сердца) и изменения в вариабельности сердечного ритма. Чтобы продемонстрировать применение этих методов количественного ЭЭГ-ЭКГ, мы представляем пример эксперимент с использованием Kcna1 нокаут (- / -) мыши. Kcna1 – / – мышей не хватает напряжения закрытый Kv1.1 α-субъединиц и как следствие проявлять спонтанные судороги, сердечной дисфункции и преждевременной смерти, что делает их идеальной моделью для одновременного ЭЭГ-ЭКГ оценки вредного эпилепсией связанным neurocardiac дисфункции.
Protocol
Representative Results
Discussion
Для получения записи ЭЭГ-ЭКГ высокого качества, которые свободны от артефактов, следует все меры предосторожности для предотвращения деградации или ослабление имплантированных электродов и проволоки. ЭЭГ головки имплантат становится сыпучих, провода контактов с мозга будет деградир…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана граждане Юнайтед исследований эпилепсии (номер 35489 гранта); Национальные институты здравоохранения (предоставлять номера R01NS100954, R01NS099188); и Луизиана Государственный Университет медицинских наук Центр Малькольм Feist докторантура стипендий.
Materials
| VistaVision stereozoom dissecting microscope | VWR | ||
| Dolan-Jenner MI-150 microscopy illuminator, with ring light | VWR | MI-150RL | |
| CS Series scale | Ohaus | CS200 | for weighing animal |
| T/Pump professional | Stryker | recirculating water heat pad system | |
| Ideal Micro Drill | Roboz Surgical Instruments | RS-6300 | |
| Ideal Micro Drill Burr Set | Cell Point Scientific | 60-1000 | only need the 0.8-mm size |
| electric trimmer | Wahl | 9962 | mini clipper |
| tabletop vise | Eclipse Tools | PD-372 | PD-372 Mini-tabletop suction vise |
| fine scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | ToughCut, Straight, Sharp/Sharp, 11.5 cm |
| Crile-Wood needle holder | Fine Science Tools | 12003-15 | Straight, Serrated, 15 cm, with lock – For applying wound clips |
| Dumont #7 forceps | Fine Science Tools | 11297-00 | Standard Tips, Curved, Dumostar, 11.5 cm |
| Adson forceps | Fine Science Tools | 11006-12 | Serrated, Straight, 12 cm |
| Olsen-Hegar needle holder with suture cutter | Fine Science Tools | 12002-12 | Straight, Serrated, 12 cm, with lock |
| scalpel handle #3 | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| surgical blades #15 | Havel's | FHS15 | |
| 6-0 surgical suture | Unify | S-N618R13 | non-absorbable, monofilament, black |
| gauze sponges | Coviden | 2346 | 12 ply, 7.6 cm x 7.6 cm |
| cotton-tipped swabs | Constix | SC-9 | 15.2-cm total length |
| super glue | Loctite | LOC1364076 | gel control |
| Michel wound clips, 7.5mm | Kent Scientific | INS700750 | |
| polycarboxylate dental cement kit | Prime-dent | 010-036 | Type 1 fine grain |
| tuberculin syringe | BD | 309623 | |
| polyethylene tubing | Intramedic | 427431 | PE160, 1.143 mm (ID) x 1.575 mm (OD) |
| chlorhexidine | Sigma-Aldrich | C9394 | |
| ethanol | Sigma-Aldrich | E7023-500ML | |
| Puralube vet ointment | Dechra Veterinary Products | opthalamic eye ointment | |
| mouse anesthetic cocktail | Ketamine (80 mg/kg), Xylazine (10 mg/kg), and Acepromazine (1 mg/kg) | ||
| carprofen | Rimadyl (trade name) | ||
| HydroGel | ClearH20 | 70-01-5022 | hydrating gel; 56-g cups |
| Ponemah software | Data Sciences International | data acquisition and analysis software; version 5.2 or greater with Electrocardiogram Module | |
| 7700 Digital Signal conditioner | Data Sciences International | ||
| 12 Channel Isolated Bio-potential Pod | Data Sciences International | ||
| fish tank | Topfin | for use as recording chamber; 20.8 gallon aquarium; 40.8 cm (L) X 21.3 cm (W) X 25.5 cm (H) | |
| Digital Communication Module (DCOM) | Data Sciences International | 13-7715-70 | |
| 12 Channel Isolated Bio-potential Pod | Data Sciences International | 12-7770-BIO12 | |
| serial link cable | Data Sciences International | J03557-20 | connects DCOM to bio-potential pod |
| Acquisition Interface (ACQ-7700USB) | Data Sciences International | PNM-P3P-7002 | |
| network video camera | Axis Communications | P1343, day/night capability | |
| 8-Port Gigabit Smart Switch | Cisco | SG200-08 | 8-port gigabit ethernet swith with 4 power over ethernet supported ports (Cisco Small Business 200 Series) |
| 10-pin male nanoconnector with guide post hole | Omnetics | NPS-10-WD-30.0-C-G | electrode for implantation on the mouse head |
| 10-socket female nanoconnector with guide post | Omnetics | NSS-10-WD-2.0-C-G | connector for electrode implant |
| 1.5-mm female touchproof connector cables | PlasticsOne | 441 | 1 signal, gold-plated; for connecting the wiring from the head-mount implant to the bio-potential pod |
| soldering iron | Weller | WESD51 BUNDLE | digital soldering station |
| solder | Bernzomatic | 327797 | lead free, silver bearing, acid flux core solder |
| heat shrink tubing | URBEST | collection of tubing with 1.5- to 10-mm internal diameters | |
| heat gun | Dewalt | D26960 | |
| mounting tape (double-sided) | 3M Scotch | MMM114 | 114/DC Heavy Duty Mounting Tape, 2.54 cm x 1.27 m |
| desktop computer | Dell | recommended minimum requirements: 3rd Gen Intel Core i7-3770 processor with HD4000 graphics; 4 GB RAM, 1 GB AMD Radeon HD 7570 video card; 1 TB hard drive; Windows 7 OS | |
| permanent marker | Sharpie | 37001 | black color, ultra fine point |
| toothpicks | for mixing and applying the polycarboxylate dental cement | ||
| LabChart Pro software | ADInstruments | power spectrum software; version 8.1.3 or greater | |
| Kubios HRV software | Univ. of Eastern Finland | HRV analysis software; version 2.2 | |
| Notepad | Microsoft | simple text editor software |
References
- Fisch, B. J. . Fisch and Spehlmann’s EEG Primer. , (1999).
- Constant, I., Sabourdin, N. The EEG signal: a window on the cortical brain activity. Paediatr. Anaesth. 22 (6), 539-552 (2012).
- Mendez, O. E., Brenner, R. P. Increasing the yield of EEG. J. Clin. Neurophysiol. 23 (4), 282-293 (2006).
- Smith, S. J. M. EEG in the diagnosis, classification, and management of patients with epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 76, ii2-ii7 (2005).
- Bauer, G., Trinka, E. Nonconvulsive status epilepticus and coma. Epilepsia. 51 (2), 177-190 (2010).
- Hughes, J. R. Absence seizures: a review of recent reports with new concepts. Epilepsy Behav. 15 (4), 404-412 (2009).
- Mostacci, B., Bisulli, F., Alvisi, L., Licchetta, L., Baruzzi, A., Tinuper, P. Ictal characteristics of psychogenic nonepileptic seizures: what we have learned from video/EEG recordings–a literature review. Epilepsy Behav. 22 (2), 144-153 (2011).
- Smith, S. J. M. EEG in neurological conditions other than epilepsy: when does it help, what does it add?. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 76, ii8-ii12 (2005).
- Kennett, R. Modern electroencephalography. J. Neurol. 259 (4), 783-789 (2012).
- Thaler, M. S. . The Only EKG Book You’ll Ever Need. , (2012).
- Becker, D. E. Fundamentals of electrocardiography interpretation. Anesth. Prog. 53 (2), 53-63 (2006).
- Luz, E. J. S., Schwartz, W. R., Cámara-Chávez, G., Menotti, D. ECG-based heartbeat classification for arrhythmia detection: A survey. Comput. Methods Programs Biomed. 127, 144-164 (2016).
- Bardai, A., et al. Epilepsy is a risk factor for sudden cardiac arrest in the general population. PloS One. 7 (8), e42749 (2012).
- Lamberts, R. J., et al. Increased prevalence of ECG markers for sudden cardiac arrest in refractory epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 86 (3), 309-313 (2015).
- Thurman, D. J., Hesdorffer, D. C., French, J. A. Sudden unexpected death in epilepsy: assessing the public health burden. Epilepsia. 55 (10), 1479-1485 (2014).
- Zayachkivsky, A., Lehmkuhle, M. J., Dudek, F. E. Long-term Continuous EEG Monitoring in Small Rodent Models of Human Disease Using the Epoch Wireless Transmitter System. J. Vis. Exp. (101), e52554 (2015).
- Bertram, E. H. Monitoring for Seizures in Rodents. Models of Seizures and Epilepsy. , 97-109 (2017).
- Mishra, V., et al. Scn2a deletion improves survival and brain-heart dynamics in the Kcna1-null mouse model of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Hum. Mol. Genet. 26 (11), 2091-2103 (2017).
- Thireau, J., Zhang, B. L., Poisson, D., Babuty, D. Heart rate variability in mice: a theoretical and practical guide. Exp. Physiol. 93 (1), 83-94 (2008).
- Smart, S. L., et al. Deletion of the K(V)1.1 potassium channel causes epilepsy in mice. Neuron. 20 (4), 809-819 (1998).
- Glasscock, E., Yoo, J. W., Chen, T. T., Klassen, T. L., Noebels, J. L. Kv1.1 potassium channel deficiency reveals brain-driven cardiac dysfunction as a candidate mechanism for sudden unexplained death in epilepsy. J. Neurosci. 30 (15), 5167-5175 (2010).
- Moore, B. M., Jerry Jou, ., Tatalovic, C., Kaufman, M., S, E., Kline, D. D., Kunze, D. L. The Kv1.1 null mouse, a model of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Epilepsia. 55 (11), 1808-1816 (2014).
- Ryvlin, P., et al. Incidence and mechanisms of cardiorespiratory arrests in epilepsy monitoring units (MORTEMUS): a retrospective study. Lancet Neurol. 12 (10), 966-977 (2013).
- Stables, C. L., Auerbach, D. S., Whitesall, S. E., D’Alecy, L. G., Feldman, E. L. Differential impact of type-1 and type-2 diabetes on control of heart rate in mice. Auton. Neurosci. 194, 17-25 (2016).
- Gehrmann, J., Hammer, P. E., Maguire, C. T., Wakimoto, H., Triedman, J. K., Berul, C. I. Phenotypic screening for heart rate variability in the mouse. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 279 (2), H733-H740 (2000).
- Goldman, A. M., Glasscock, E., Yoo, J., Chen, T. T., Klassen, T. L., Noebels, J. L. Arrhythmia in heart and brain: KCNQ1 mutations link epilepsy and sudden unexplained death. Sci. Transl. Med. 1 (2), 2ra6 (2009).
