Instructions for the low-cost construction and surgical implantation of a chronic transcranial high-density electroencephalographic montage into mice are provided. Signal recording, extraction, and processing techniques are also described.
Advanced электроэнцефалографические методы анализа, требующих высокого пространственного разрешения, в том числе электрического источника изображения и меры подключения к сети, применимы к расширяющейся различных вопросов в нейробиологии. Выполнение этих видов анализа в модели грызуна требует более высокую плотность электрода, чем традиционные винтовые электроды могут выполнить. В то время как с более высокой плотностью электроэнцефалографические монтажи для грызунов существуют, то они имеют ограниченную доступность для большинства исследователей, не являются достаточно надежными для повторных экспериментов в течение длительного периода времени, или ограничены использованием в наркотизированных грызунов. 1-3 Предлагаемый недорогой метод построения прочного, высокого счета, транскраниальной массив электродов, состоящий из имплантируемых на двусторонней основе заставок исследуется как средство для выполнения расширенных электроэнцефалограмма анализов на мышах или крысах.
Порядок изготовления и головной убор хирургической имплантации пecessary для получения высокого сигнала к шуму, электроэнцефалографические с низким сопротивлением и электромиографические сигналы представлены. В то время как методика полезна в крыс и мышей, эта рукопись сосредотачивается на более сложной реализации для меньшего черепа мыши. Свободно перемещаясь мышей только привязанным к кабелям через общий адаптер во время записи. Один из вариантов этой системы электродов, которая включает в себя 26 электроэнцефалографические каналов и 4 электромиографические каналов описаны ниже.
Активность нейронов могут быть записаны экстрацеллюлярно с различными уровнями детализации от микроскопических (индивидуальных потенциалов действия) для мезоскопические (локальные потенциалы поля) до макроскопического (электроэнцефалограммы). Эти следы мозговых волн классически проанализированы в частотной области для характеристики поведения, нейрофизиологические, или электрофизиологические состояния. Это может быть сделано с помощью одного биотоков, 4 , но редкие записи плотности ЭЭГ не может разрешить пространственную составляющую нейронной активности. Современный анализ электроэнцефалограммы опирается на несколько электродов для получения подробных карт пространственно – временного распределения корковой активности для того , чтобы соотнести эту деятельность с конкретными психологическими условиями и физиологическими процессами. 5-7 Два из наиболее часто используемых категорий анализа , требующих высокой плотности ЭЭГ монтажи являются электрический источник изображения и нейронные меры подключения к сети. 8-11
<p class="jove_content"> Формирования изображения источник электрического напряжения включает в себя локализацию функционально активных областей мозга. Топографическая отображение матрицы электродов может визуализировать плотность тока источника электрической активности в головном мозге во время потенциалов, связанных событий (ФКЗ) и вызванных потенциалов (EPS). Локализация источник электрического напряжения обычно используется в обоих припадков исследованиях, а также в распределении мощности анализа. 12-15 Поскольку ЭЭГ имеет высокое временное разрешение, ЭЭГ исследования позволяют оценить реальную временную ФКЗ и САП, а также во времени точного постфактум анализа. 3,11 , 12Общаясь когнитивные состояния и функции с взаимодействием колебаний видны на электроэнцефалограмме является конечной целью различных мер нейронной подключения к сети. Многочисленные исследования показали , синхронизации и фазовой синхронизации колебаний между различными областями мозга связаны с определенными состояниями возбуждения, внимания и действий. 6,13,14,16-19 </sup> Демонстрация таких сигналов ассоциации между областями мозга требует массивы высокой плотности, которые позволяют оценки сетевого подключения.
локализация источника и сетевой анализ сигналов ЭЭГ возникла с исследований на людях, но исследования в нейронную основу этих сигналов обязательно включать модели на животных, так как они требуют инвазивных методов, которые в противном случае невозможно в организме человека. Для того, чтобы повторить эти анализы в моделях грызунов, метод для захвата сигналов ЭЭГ высокой плотности в мозгу грызуна требуется. В то время как другие группы построили микроэлектродный массивы с высокой плотностью для использования у мышей, такие подходы имеют ограниченную доступность для исследователей, не имеющих доступа к нанофабрикации объектов, не являются достаточно надежными для повторных экспериментов в течение длительного периода времени, или ограничены использованием в наркозом мышей. 1-3,7 недорогой альтернативный протокол для построения хронической высокой плотности, транскраниальная электрод ARRAу здесь продемонстрировано.
Подход сбора сигналов, описанный здесь, не ограничивается EEG, но включает в себя электромиографические сигналы (ЭМГ). Приобретение сигналов ЭМГ может быть дополнительным подходом для определения состояния поведения и особенно полезен для изучения сна. Такой подход обеспечивает промежуточный между дорогой, ультра-высокой плотности внутричерепных сеток, а ограниченное количество свинца с использованием традиционных шнековых электродов, которые являются недостаточными для продвинутых подходов к анализу. Конструкция головной убор легко построить и доступным для исследований с высокой пропускной способностью. Использование этой системы сбора данных в сочетании с разнообразными генетическими или фармакологического манипулятивных методов в моделях на грызунах могут помочь раскрыть механизмы корковой генерации колебаний, поведенческих отклонениях от истинных генотипических различий, локализации источника из ФКЗ и ОзВ, и широкомасштабной сети связи.
Конструкция недорогой и хирургические шаги, необходимые для того, чтобы должным образом достигнуть 26 канала высокой плотности монтажа EEG у мыши описана. Правильный эпидуральной контакт электродов имеет решающее значение в получении качества EEG сигналов в этой системе. Два шага в пределах адресу протокола этот вопрос: пин обрезки, чтобы соответствовать контуру мозга, а также головной убор имплантации перед акриловым арматуры. Важно, чтобы не порезать штифт слишком короткий на этапе строительства. При имплантации заставках, крайне важно, чтобы проверить размещение штифта до окончательного акриловой арматуры. Один из способов, чтобы подтвердить правильность контакт электрода через тестирования импеданса. Якобы, полное сопротивление 5-10 кОм предложить правильное размещение эпидуральной. 26 измерения импеданса демонстрируют прочность заставках ", так как значения полного сопротивления электрода стабильны в пределах этого диапазона 5-10 кОм в течение не менее 4-х месяцев после имплантации. Другойсущественный шаг включает в себя совместив штифты ЭМГ с двумя задними-большинство строк EEG кирпича 2 х 7. Это очень важно для подключения адаптера, так как перекос ЭМГ и ЭЭГ штырьки приведет к невозможности подключения адаптера или согнутые адаптера булавки.
Главным преимуществом этой системы сбора данных является легкость изменения формы матрицы электродов с целью оптимизации разнообразных экспериментальных потребностей. Настроенные механизмы электродов, которые оптимально подходят для конкретных экспериментов могут быть легко созданы. Настройка для конкретных экспериментов потенциально могут объединить электроэнцефалограмму с канюлей для направленной доставки лекарственных средств для комбинированного фармакологического, Электроэнцефалографические и поведенческих исследований. 27 заставок, адаптеры, и хирургические процедуры легко приспособлены к широкому ряду исследований при следующих способов , описанных в протоколе выше , Вторым важным преимуществом этой системы сбора является его низкая стоимость. В настоящее время эта система сбора данных можетзапись 128 входных каналов на до 4-х отдельных кабелей, допускающие одновременную запись с 4-х мышей или при желании, у крыс с более высокой плотностью сетки. Такое расширение будет только требует дополнительных кабелей и адаптеров.
Такой подход к высокой плотности приобретения EEG рассматриваются недостатки других методов сбора данных ЭЭГ высокой плотности у мышей. Система, описанная в данной работе сподручно построен с помощью простых материалов и использует открытые аппаратные источника и программное обеспечение, которое является недорогим и стабильным, позволяет для повторных измерений в том же животном в течение нескольких месяцев, разрешает свободное движение во время эксперимента, и не требует мышей быть наркоз для записи. Ограничения этой системы является то, что она только была подтверждена на сегодняшний день у мышей, которые весят 20 г или более, и старше 12 недель. Более мелкие или молодые мыши могут возникнуть трудности с имплантацией головной убор. Вторичное ограничение этой методики является невозможность точно контролировать глубину электрода после headpIECE изготовление. Тем не менее, это же ограничение относится и к традиционным винтового EEG электродов, так как нет никакого способа, чтобы точно знать глубину винта предсмертного относительно поверхности коры. Устранение этого метода, как правило, включает в себя должным образом экранирование сигнала помехи от мыши, когда привязных для получения сигнала без шумов.
Высокая плотность EEG массивы имеют важное значение для сложных пространственно-временных анализа данных ЭЭГ, которые являются новой нормой в современной интерпретации ЭЭГ. В то время как пространственное распределение визуального вызванного потенциала проиллюстрирована, данные, полученные с помощью этой системы можно анализировать с использованием методов визуализации электрического источника и нейронные мер по обеспечению связности. Снижение 60% до 70% в зоне контакта между этими электродными штифтов по сравнению с традиционными винтовыми контактами позволяет локализовать более точный сигнал, как показано на рисунке 4. Использование высокой плотности аналитические методы в генетически модифицированных мышей, после Pharmacological вмешательство, или у животных с внутренней патологии, таких как эпилепсией могут помочь выявить механизмы, порождающие специфические кортикальные колебания, локализовать источники ФКЗ и ОзВ, и выявить крупномасштабные свойства сети. В лучших человеческих систем параллельной работы, этот подход позволит улучшить небольшие животные модели человеческого нейрофизиологии и невропатологии, обеспечивая более легкий перевод открытий, сделанных в моделях грызуна к научной и клинической значимости в организме человека.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the Foundation for Anesthesia Education and Research Mentored Research Training Grant (ARM), by the National Institutes of Health grants GM107117 (MBK) and GM088156 (MBK), and by the Department of Anesthesiology and Critical Care at the University of Pennsylvania, Perelman School of Medicine.
32 Channel RHD2132 amplifier headstage | Intan Technologies | C3314 | |
Aquistion Board | Open Ephys | v2.2 | |
100 Position Receptable Connector | Digi-Key | ED85100-ND | Headpiece |
Acetone (1L) | Sigma Aldrich | 179973-1L | |
Razor Blade (100pack) | McMaster Carr | 3962A4 | |
Wire-Cutting Pliers | MSC Industrial | 321786 | |
2-Part Epoxy | McMaster Carr | 7605A18 | |
PFA Coated Silver Wire (25ft) | A-M Systems | 787000 | EMG Wire |
CircuitWriter Pen | MCM Electronics | 200-175 | Silver Applicator for Electrode Tips |
36 Position Dual Row Male Nano-Miniature Connector | Omnetics Connector Corporation | A79028-001 | Headpiece to Amplifier Adapter |
Conn Strip Header 2 x 50 | Digi-Key | ED83100-ND | Headpiece to Amplifier Adapter |
Clidox Base and Acitvator | Pharmacal | 95120F & 96120F | Sterilant |
Isoflurane | Priamal Enterprises Ltd | 66794-019-10 | |
Oxygen | Airgas | OX USP300 | |
Closed Loop Temperature Controller | CWE Inc. | 08-130000 | |
Curved Scissors | FST | 14085-09 | |
0.25% Bupivicaine Hydrochloride | Hospira | 0409-1159-02 | Local Anesthetic |
Meloxicam 5mg/mL | Henry Schein | 6451602845 | Pain/Inflammation Relief |
0.9% Sodium Chloride | Hospira | 0409-4888-20 | Fluids |
Cefazolin | Hospira | 0409-0806-01 | Antibacterial |
No.11 Disposable Scapel (20 pk) | Feather | 2975#11 | |
Micro Serrefines | FST | 18052-3 | |
Cotton Swabs (1000 pk) | MSC Industrial | 8749574 | |
0.5mm Micro Drill Bit | FST | 19007-05 | |
Stereotaxic Drill | Kopf | Model 1471 | |
Curved Forceps | Roboz | RS-5136 | |
Methyl Methacrylate | A-M Systems | 525000 | Cement for headpiece |
Methyl Methacrylate Crosslinking Compound | A-M Systems | 526000 | |
Curved Hemostats | FST | 13003-10 | Aide in Adapter Connection |
RHD2000 standard SPI interface cable (3ft) | Intan Technologies | C3203 | |
Cantilever Arm | Instech | MCLA | |
Micro Spatula (12 pk) | Fischer Scientific | S50822 | |
Digital Soldering Station | MCM Electronics | 21-10115 | |
Rosin Core Solder 60/40 Tin/Lead | MCM Electronics | 21-1045 | |
Color Craze Nail Polish with Hardeners (Nitrocellulose based) | L.A. Colors | CNP508 | |
Small Animal Stereotaxic Instrument with Digital Display Console | Kopf | Model 940 |