我们展示了在清醒大鼠中进行手术植入和记录程序,以测量来自眼睛(视网膜电图)和大脑(视觉诱发电位)的视觉电生理信号,该方法更接近人类情况,因为记录过程无需麻醉,避免了麻醉带来的干扰。
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我们展示了在清醒大鼠中进行手术植入和记录程序,以测量来自眼睛(视网膜电图)和大脑(视觉诱发电位)的视觉电生理信号,该方法更接近人类情况,因为记录过程无需麻醉,避免了麻醉带来的干扰。
全视野视网膜电图(ERG)和视觉诱发电位(VEP)是评估实验室和临床环境中视网膜及视觉通路完整性的有效工具。目前,临床前的ERG和VEP测量通常在麻醉状态下进行,以确保电极位置的稳定。然而,麻醉本身已被证明会干扰正常的生理反应。为克服麻醉带来的混杂因素,我们开发了一种新型平台,用于在清醒大鼠中检测ERG和VEP。电极通过手术植入眼结膜下以记录ERG信号,并在视觉皮层表面硬膜外植入以测量VEP。在光能逐渐增加的条件下,对ERG和VEP的振幅以及敏感性/时间参数进行了多项检测。结果显示,术后至少4周内,ERG和VEP信号均保持稳定且可重复。这种在临床前环境中无需麻醉即可记录ERG和VEP信号的能力,将有助于更准确地向临床数据转化。
视网膜电图(ERG)和视觉诱发电位(VEP)是实验室和临床中用于分别评估视网膜和视觉通路完整性的微创体内检测工具。全视野ERG产生一种特征性波形,可分解为不同组分,每个组分代表视网膜通路中的不同细胞类型1,2。经典的全视野ERG波形包括一个初始的负向波(a波),该波已被证实反映光刺激后光感受器的活动2-4。a波之后是一个显著的正向波形(b波),代表中层视网膜的电活动,主要来源于ON双极细胞5-7。此外,通过调节光刺激强度和刺激间间隔,可分离出视锥细胞和视杆细胞的反应8。
闪光VEP代表视觉皮层和脑干对视网膜光刺激产生的电位反应9,10。该波形可分为早期和晚期成分,其中早期成分反映视网膜-外侧膝状体-视皮层通路神经元的活动11-13,而晚期成分则代表大鼠V1皮层不同层状结构中的皮层信息处理过程11,13。因此,同时测量ERG和VEP可对视觉通路中相关结构进行综合评估。
目前,为了在动物体内记录电生理信号,通常使用麻醉方法以确保电极的稳定放置。尽管已有研究尝试在清醒大鼠中测量视网膜电图(ERG)和视觉诱发电位(VEP)14-16,但这些研究采用的是有线装置,可能操作繁琐,并因限制动物活动和自然行为而引发动物应激反应17。随着无线技术的最新进展,包括设备进一步微型化和电池寿命的提升,现已可采用遥测技术进行ERG和VEP记录,从而减少有线记录带来的应激,并提高长期记录的可行性。全植入式遥测探针的稳定植入已被证实可用于体温、血压18、活动度19以及脑电图20的长期监测。此类技术进步也将有助于提高清醒状态下记录的可重复性和稳定性,增强该平台在慢性研究中的应用价值。
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伦理声明:动物实验严格遵循《澳大利亚科学研究用动物护理与使用指南》(2013年版)的规定进行。本研究已获得墨尔本大学动物伦理委员会的动物伦理审批。 本文所述材料仅限用于实验室实验,不得用于医疗或兽医用途。
1. 准备电极
注意:手术植入时使用三通道发射器,可同时进行2个ERG和1个VEP记录。三个主动电极和三个被动电极在植入前需预先弯成环形,以便附着于眼球。为便于识别,制造商将主动电极封装在半白色、半彩色的塑料套管中,而被动电极则完全包裹在彩色套管中。接地电极(透明塑料套管)保持原样不变。所有主动电极和被动电极均需执行步骤1.1、1.2、1.3和1.7。
2. 发射器植入
3. 在清醒大鼠中进行ERG和VEP记录
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基于 Lamb 和 Pugh22 的模型,并依据 Hood 和 Birch23 的公式化方法,通过将延迟高斯函数拟合到每只动物在最高两种光能(1.20、1.52 log c.s.m-2)下 ERG 反应初始下降支前沿,来分析光感受器反应。该公式可得出振幅和敏感度参数(分别为图 1C 和1D)。对每只动物的视杆双极细胞光能反应拟合双曲线函数,同样获得振幅和敏感度参数(分别为图 1E 和1F)。视锥双极细胞的振幅分析为波形的峰值反应(图 1A 和1B 的上方波形),其潜伏期定义为达到峰值反应所需的时间。更多细节请参见 Charng et al.24。
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由于视觉电生理学具有微创性,对人类患者的ERG和VEP记录通常在清醒状态下进行,仅需使用局部麻醉剂以放置电极。相比之下,动物模型中的视觉电生理学通常在全身麻醉下进行,以通过消除自主的眼球和身体运动来实现稳定的电极放置。然而,常用的全身麻醉剂会改变ERG和VEP反应,这一点已在我们先前的研究24及其他研究者的工作25-27中得到证实。因此,在啮齿类动物模型中建立清醒状态下的ERG和VEP检测平台,能够更准确地反映动物模型中的生理反应,从而可能提高从临床前研究到临床发现的可转化性。使用麻醉的另一个缺点是其限制了实验的持续时间。更具体地说,长时间使用麻醉或反复给予麻醉药物可能增加不良反应的风险,例如药物蓄积及相关呼吸系统问题28。
本研究表明,在清醒大鼠中,遥测系统在术后至少28天内能够稳定地记录到可靠的ERG和VEP信号。我们团队是首个同时开展清醒状态下无线ERG和VEP反应研究的团队24,本文详细描述了相关的手术及记录流程。与其他采用有线方式在清醒动物中进行ERG和VEP记录的手术方法相比,本方法...
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RG 和 RF 是本研究商业资助方(辉瑞Neusentis和辉瑞全球研究)的雇员。MI 在本研究期间是辉瑞全球研究的雇员,目前为Proteostasis Therapeutics(美国马萨诸塞州剑桥)的雇员。
JC 感谢 David Hay 纪念基金和墨尔本大学为撰写本稿件提供的经费支持。本项目获得了澳大利亚研究委员会(ARC)合作项目资助 100200129(BVB、AJV、CTON)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 生物放大器 | ADInstruments | ML 135 | 放大ERG和VEP信号 |
| 1.0%羧甲基纤维素钠 | Allergan | CAS 0009000-11-7 | 手术期间维持角膜水合状态 |
| 卡洛芬 0.5% | Pfizer Animal Health Group | CAS 53716-49-7 | 术后镇痛,与生理盐水注射液联合使用以补充体液 |
| 0.5%氯己定 | Orion Laboratories | 27411, 80085 | 手术器械消毒 |
| 氰基丙烯酸酯凝胶活化剂 | RS components | 473-439 | 快速干燥氰基丙烯酸酯凝胶 |
| 氰基丙烯酸酯凝胶 | RS components | 473-423 | 将不锈钢螺钉固定于颅骨 |
| 牙科钻头 | Storz Instruments, Bausch and Lomb | E0824A | 直径约0.7 mm的微型钻头,用于在每个半球颅骨上钻小孔以植入VEP螺钉 |
| 钻机 | Bosch | Dremel 300系列 | 用于颅骨钻孔的自动钻机 |
| 恩诺沙星 | Troy Laboratories | 术后预防性抗生素 | |
| 全视野积分球 | Photometric Solutions International | 定制设计的光刺激器:直径36 mm,孔径大小13 cm | |
| 纱布拭子 | Multigate Medical Products Pty Ltd | 57-100B | 手术期间干燥手术切口及暴露的颅骨表面 |
| 异氟烷 99.9% | Abbott Australia Pty Ltd | CAS 26675-46-7 | 商品名:Isoflo(TM) 吸入麻醉剂。与氧气混合使用的药用级吸入麻醉剂,用于VEP电极植入手术 |
| Kenacomb软膏 | Aspen Pharma Pty Ltd | 术后减轻皮肤刺激和瘙痒 | |
| Luxeon LED灯 | Phillips Lighting Co. | 用于光刺激,包含二十个5 W和一个1 W LED灯,由Scope软件控制 | |
| 缝合针(大体手术) | World Precision Instruments | 501959 | 用于腹部和头部手术缝合,配合3-0缝线使用,圆针,刃口为5/16圆,尺寸1,长15 mm |
| 持针器(大体手术) | World Precision Instruments | 500224 | 在腹部和头部手术中夹持缝合针 |
| 持针器(显微手术) | World Precision Instruments | 555419NT | 在眼部手术中夹持缝合针 |
| Optiva导管 | Smiths Medical International LTD | 16或21 G | 引导角膜活性电极从颅骨至结膜 |
| 10%聚维酮碘 | Sanofi-Aventis | CAS 25655-41-8 | 商品名:Betadine,用于术前备皮的皮肤消毒剂,浓度10%,500 ml |
| Powerlab数据采集系统 | ADInstruments | ML 785 | 从遥测发射器获取信号,并与遥测数据转换器配对 |
| 丙美卡因 0.5% | Alcon Laboratories | CAS 5875-06-9 | 局部眼部麻醉 |
| 固定装置 | 定制制作 | 固定装置前端呈锥形以减少头部移动,长度可调以适应不同体长的大鼠,整体直径为60 mm。 | |
| 手术刀片 | R.G. Medical Supplies | SNSM0206 | 用于手术切口 |
| 剪刀(大体手术) | World Precision Instruments | 501225 | 用于切割腹部和前额组织 |
| 剪刀(显微手术) | World Precision Instruments | 501232 | 用于分离结膜以便电极附着 |
| Scope软件 | ADInstruments | 版本 3.7.6 | 通过ADI Powerlab系统同步触发刺激并采集数据 |
| 剃毛器 | Oster | Golden A5 | 剃除手术区域的毛发 |
| 不锈钢螺钉 | MicroFasteners | L001.003CS304 | 轴径0.7 mm,长度3 mm |
| 立体定位仪 | David Kopf | Model 900 | 用于在颅骨上定位植入标志点的小动物立体定位仪器 |
| 手术单 | Vital Medical Supplies | GM29-612EE | 确保手术期间的无菌环境 |
| 缝线(大体手术) | Ninbo medical needles | 3-0 | 用于腹部和头部手术缝合,无菌编织丝线,长60 cm |
| 缝合针(显微手术) | Ninbo medical needles | 8-0或9-0 | 用于眼部手术,包括将电极缝合至巩膜及闭合结膜伤口,尼龙缝线,3/8圆,1 × 5,长30 cm |
| 遥测数据转换器 | DataSciences International | R08 | 使遥测信号能够与数据采集软件连接 |
| 遥测数据交换矩阵 | DataSciences International | 从发射器收集数据,并与接收器配对 | |
| 遥测数据接收器 | DataSciences International | RPC-1 | 接收来自发射器的遥测数据 |
| 遥测发射器 | DataSciences International | F50-EEE | 三通道遥测发射器 |
| 托吡卡胺 0.5% | Alcon Laboratories | 散瞳 | |
| 镊子(大体手术) | World Precision Instruments | 500092 | 在腹部和头部手术中操作组织 |
| 镊子(显微手术) | World Precision Instruments | 500342 | 在眼部手术中操作组织 |
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