提供了将慢性经颅高密度脑电图蒙太奇低成本构建和手术植入小鼠的说明。还描述了信号记录、提取和处理技术。
Method Article
提供了将慢性经颅高密度脑电图蒙太奇低成本构建和手术植入小鼠的说明。还描述了信号记录、提取和处理技术。
需要高空间分辨率,包括电气源成像和网络连通性的措施,先进的脑电图分析技术,适用于不断扩大的各种神经科学的问题。在啮齿动物模型执行这些类型的分析需要更高的电极密度比传统的螺旋电极可以完成。而存在啮齿类更高密度脑电图蒙太奇,它们的有限可用性大多数研究人员,不适合反复实验足够健壮在延长的时间周期,或者被限制在麻醉的啮齿动物使用1-3拟议的低成本为构建一个持久的,高支,经颅电极阵列,包括双边植入头饰的方法进行了研究作为一种手段来执行在小鼠或大鼠先进的脑电图分析。
程序头盔制造和手术植入ñ以具完整产生高的信噪比,低阻抗脑电图和肌电图的信号出现。虽然该方法在大鼠和小鼠有用,这份手稿的重点是更具挑战性实施小老鼠头骨。自由移动小鼠经由公共适配器记录期间仅拴电缆。该电极系统,该系统包括26个脑电图频道和4肌电通道之一的版本进行说明。
神经元的活动可以与细胞外各种级别从微观(单个动作电位)粒度介观(局部场电位)的宏观(脑电图)进行记录。这些脑电波痕迹分析经典在频域表征行为,神经生理学,或电生理状态。这可以用一个单一的生物电势,4-但疏密度脑电图记录做不能解决神经元活动的空间分量。现代脑电图分析依赖于多个电极,以产生皮层活动的时空分布的详细地图,以便与具体的心理状况和生理过程该活动相关联。分析的需要高密度脑电图蒙太奇是更常用的类别的5-7两源电器成像和神经网络的连通性的措施。8-11
电气源成像涉及功能活跃的大脑区域的本地化。电极阵列的地形绘制可以在事件相关电位(ERPs)和诱发电位(EPS)可视化的大脑内的电活动的电流源密度。电气源定位在两个扣押研究以及配电常用的分析12-15由于脑电图具有很高的时间分辨率,脑电图研究允许的ERP和EP唱片的实时评估,以及精确的时间事后分析。3,11 ,12
关联认知状态和功能与上看到的脑电图振荡的相互作用是神经网络连通性的各项措施的最终目标。大量研究显示,同步和与觉醒,注意力和行动的具体状态相关的不同脑区之间振荡的锁相。6,13,14,16-19 脑区之间的示范这种信号协会要求的高密度阵列,允许网络连接的评估。
EEG信号的源定位和网络分析源自于人类的研究,但调查这些信号的神经元基础必然涉及动物模型,因为它们需要是在人类中,否则不可能侵入技术。为了复制在啮齿动物模型中这些分析,需要用于在啮齿动物的脑中捕获高密度的EEG信号的方法。而其它基团已经构建高密度微阵列用于在小鼠中使用,这样的方法是有限的研究人员无法获得纳米加工设施,不适合反复实验足够健壮在延长的时间周期,或者被限制在麻醉使用小鼠1-3,7构建慢性高密度的低成本替代方案,经颅电极ARRAy为这里演示。
这里描述的信号采集的方法并不限定于脑电图,但包括肌电图(EMG)信号。肌电信号采集可以定义的行为状态的补充办法,是睡眠研究特别有用。这种方法提供了昂贵,超高密度颅内网格之间的中间,并且可能与传统的螺旋电极是不够的高级分析办法的有限导数。该头盔的设计是很容易构造和负担得起的高通量的研究。在啮齿动物模型中各类遗传或药理操纵技术可以帮助发现皮质振荡代,从真基因型差异的行为的分歧,事件相关电位和EP唱片的源定位,以及大规模网络通信机制结合使用该采集系统。
整个调查进行的研究均符合健康指南全国学院协议,实验动物的护理和使用,并在宾夕法尼亚大学的机构动物护理和使用委员会批准。
1.头饰设计与施工
2.适配器建设通道映射
3.手术
4. Habituate动物圈养
5.信号提取系统设置/信号记录
记录在具有高密度的脑电图头盔植入自由移动小鼠样本数据示于图3。个别脑电图波形对应于图2所示的信道映射方法。颈椎和胸椎肌电图的实例也显示在图3中。需要注意的是胸EMG记录还包含嵌入式电活动起源于老鼠的心脏时,两个计算胸EMG线之间(T)的差分信号变得显而易见。与此记录,也可以通过测量心电图的QRS峰值之间的时间来计算小鼠的心脏速率23-24同样,有可能通过计算QRS峰值的相位变化的胸腔扩展来测量小鼠的呼吸频率和每次呼吸的合同。25因此,这种设置允许收购Ø˚F鼠多导睡眠监测。此外,设置使视觉诱发电位( 图4)的皮质映射。当光的10毫秒脉冲只传递到鼠标的左眼,经典的反应被记录在对侧(但不同侧)初级视觉皮层被随后在对侧次级视觉皮层一个延迟的响应。嵌入图4中的动画显示的时间与在对侧V1和V2的活性的曲线图沿整个皮质表面不同的电位。
| 美联社 | ||||||
| 3.3 | 0 | 0 | ||||
| 2 | 0.4 | 0.6 | 0.6 | 0.4 | ||
| 0.7 | 0.6 | 0.9 | 0.9 | 0.6 | ||
| -0.6 | 0.9 | 1 | 1 | 0.9 | ||
| -1.9 | 1 | 1.1 | 1.1 | 1 | ||
| -3.2 | 3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 3 |
| -4.5 | 3 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 3 |
| ML | -2.3 | -1 | 1 | 2.3 |
表1:引脚长度修剪此图显示了需要微调的长度,单位为毫米,每针的头饰。引脚长度修剪从老鼠大脑图谱收购。房颤之三修整引脚,头盔大脑的表面轮廓相匹配。如用于记录EMG信号的导线被焊接在销存根20肌电销被完全切断。

图 1: 头饰组件,中级建设步骤,以及用于记录正常连接此图显示了用于创建头饰的原料。用100针插座连接器开始,创建更小的2×7和2×1分量。另外,在2×1分量,的2×50原边是完整的,其允许一致头盔结构,并允许一个适配器连接到许多植入小鼠中。 图1B和1C介绍必要创建适配器原材料从头盔到放大器。1B呈现的头盔结束相似地被砍倒的适配器连接到头盔。需要注意的是2×1再次有从原始成分的原边,从而确保在适配器和头盔之间的正确连接。 图1C示出了一个连接到放大器的适配器的端部。 图1D示出了用环氧树脂2×7和2与制备的肌电电线为信号记录沿着×1的部件。 图1E说明了一个完整的头盔。 图1F显示完成适配器。 图1G示出了耳机和适配器之间的正确连接。最后, 图1H显示了植入式鼠标的连接适配器和放大器。该放大器芯片连接到运行到采集板(未显示)的接口电缆。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3: 示例EEG和EMG从电极蒙太奇跟踪电极的波形对应于图1A中所示的频道映射。颈椎肌电图(C)提供了确定颈部肌张力(+)的能力。 EMG信号也含有心脏QRS电脉冲(*)。 200μV微量幅度和1秒,持续跟踪比例尺显示, 请点击这里查看该图的放大版本。

图4:视觉诱发电位的空间分布只给予左眼单方面光芒一闪的诱发电位以下应用的空间分布。上图描述了高密度的脑电图蒙太奇与代表电极每一个圆圈。在颜色随时间的变化对应于电压随时间的每个相应电极的变化。在时间= 0毫秒,10毫秒光脉冲被输送,并在中间图表示。下图说明意味着对侧V1和V2脑电图电极(N = 108 EP试验)诱发电位痕迹。光普勒在本身0毫秒出现。需要注意的是相应的诱发电位反应对侧V1(黑色线)观察,其次是潜伏期较长诱发对侧V2(红色曲线)的潜在反应。 (右键点击下载)。
低成本结构和必要的,以便正确地实现在小鼠26信道,高密度脑电图蒙太奇外科步骤进行说明。正确的硬膜外电极接触是在该系统中获取优质脑电信号的关键。协议地址中的两个步骤此问题:脚微调,以配合大脑的轮廓,以及头盔植入前亚克力加固。不要切针,在施工阶段太短,这一点很重要。当植入头饰,当务之急是最终的丙烯酸加固前检查管脚布局。以确认适当的电极接触的一个方法是通过阻抗测试。从表面上看,5-10千欧的阻抗,建议适当硬膜外安置。26 阻抗测量证明头饰'的耐用性,如电极的阻抗值是这个5-10千欧范围为植入后至少4个月内保持稳定。另一个关键步骤涉及对准EMG引脚与2×7脑电图砖的两个最靠后的行。这是为适配器连接关键,因为未对准肌电图和脑电图销将导致无法连接适配器或弯曲适配器销。
本获取系统的主要优点是易于修改电极阵列的形状,以优化不同的实验需要的。被最佳地适合于特定的实验定制电极的安排可以容易地创建。定制为特定的实验可能与插管用于定向药物递送用于组合的药理学,脑电图,和行为研究结合脑电图27头饰,适配器和外科手术容易针对以下在协议上述方法时宽一些研究。本次收购系统的第二大优势是其成本低。目前,本次收购系统能多达4个单独的电缆记录128个输入通道,从4只小鼠或者如果需要的话,只用更高密度的网格,允许同时进行的录像。这种扩大将只需要额外的电缆和适配器。
这种方法的高密度脑电图采集地址的小鼠其它高密度脑电图采集方法的缺点。在这项工作中所描述的系统被轻易地用简单的材料构造并使用开放源码的硬件和软件,廉价且稳定,允许在相同的动物重复测量在数月,在实验期间允许自由运动,并且不需要小鼠是麻醉记录。本系统的限制是,它仅被验证迄今为止在该称量20g以上,并且是老年人超过12周的小鼠。更小或更年轻的小鼠可能与头盔植入困难。这种方法的第二个局限性是不能精确控制耳机套装后,电极深度IECE制造。然而,这种相同的限制适用于传统的螺钉EEG电极,因为没有办法精确地知道验预螺纹深度相对于该皮层的表面上。故障排除这种方法通常为了得到无噪声信号栓时涉及正确地从小鼠屏蔽干扰信号。
高密度脑电图阵列是对于那些在现代脑电图解读新脑电图正常复杂的数据分析时空必不可少。同时示出一个视觉诱发电位的空间分布,使用该系统获得的数据可利用电源的成像技术和神经元的连接的措施来进行分析。在接触区域A的60%到70%的减少,这些电极销之间相对于传统的螺钉接触允许更精确的信号定位, 如图4。用人转基因小鼠中的高密度的分析技术,以下药理学ogical干预,或与内在的病理动物,如癫痫病可以帮助辨别生成特定的皮质振荡的机制,本地化的ERP和EP唱片的来源,揭示大型网络性能。通过更好地并联人类系统,这种方法将提高人类神经生理学和神经病理学的小动物模型,提供更容易在啮齿动物模型中人类作出科学和临床相关性的发现翻译。
作者没有什么可透露的。
这项工作得到了麻醉教育和研究基金会指导研究培训补助金 (ARM)、美国国立卫生研究院GM107117 (MBK) 和GM088156 (MBK) 以及宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院麻醉学和重症监护系的支持。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 32通道RHD2132放大器头级 | Intan Technologies | C3314 | |
| 采集板 | Open Ephys | v2.2 | |
| 100位置插座连接器 | Digi-Key | ED85100-ND | 头件 |
| 丙酮(1升) | Sigma Aldrich | 179973-1L | |
| 剃须刀片(100包) | McMaster Carr | 3962A4 | |
| 线切割钳 | MSC 工业 | 321786 | |
| 2 部分环氧树脂 | McMaster Carr | 7605A18 | |
| PFA 涂层银线(25 英尺) | A-M Systems | 787000 | EMG 线 |
| CircuitWriter 笔 | MCM 电子 | 200-175 | 银涂抹器,用于电极尖端 |
| 36 位双排公头纳米微型连接器 | Omnetics 连接器Corporation | A79028-001 | 头件至放大器适配器 |
| 连接器条接头 2 x 50 | Digi-Key | ED83100-ND | 头件至放大器适配器 |
| clidox 底座和附件 | Pharmacal | 95120F & 96120F | 灭菌剂 |
| 异氟醚 | Priamal Enterprises Ltd | 66794-019-10 | |
| 氧气 | Airgas | OX USP300 | |
| 闭环温度控制器 | CWE Inc. | 08-130000 | |
| 弯剪刀 | FST | 14085-09 | |
| 0.25% 盐酸布比卡因 | Hospira | 0409-1159-02 | 局部麻醉剂 |
| 美洛昔康 5mg/ml | Henry Schein | 6451602845 | 疼痛/炎症缓解 |
| 0.9% 氯化钠 | Hospira | 0409-4888-20 | 液体 |
| 头孢唑啉 | Hospira | 0409-0806-01 | 抗菌 |
| No.11 一次性 Scapel (20 pk) | 羽毛 | 2975#11 | |
| Micro Serrefines | FST | 18052-3 | |
| 棉签 (1,000 pk) | MSC 工业 | 8749574 | |
| 0.5 mm 微型钻头 | FST | 19007-05 | |
| 立体定位钻 | Kopf | 型 1471 | |
| 曲面镊子 | Roboz | RS-5136 | |
| 甲基丙烯酸甲 | AM 系统 | 525000 | 头件水泥 |
| 甲基丙烯酸甲酯交联化合物 | AM 系统 | 526000 | |
| 弯曲止血钳 | FST | 13003-10 | 适配器连接 |
| 助手 RHD2000标准 SPI 接口电缆(3 英尺) | Intan Technologies | C3203 | |
| 悬臂 | Instech | MCLA | |
| 微刮刀(12包) | Fischer Scientific | S50822 | |
| 数字焊接站 | MCM电子 | 21-10115 | |
| 香芯焊料60/40锡/铅 | MCM电子 | 21-1045 | |
| 颜色裂纹指甲油含硬化剂(硝化纤维基) | L.A. 颜色 | CNP508 | |
| 带数字显示控制台的小动物立体定位仪 | Kopf | Model 940 |
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