需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

使用干式无创多通道头皮脑电传感器在小鼠中记录视觉诱发电位

8.8K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/56927

⸱

2018年1月12日

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Science and Engineering (BMSE), Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 2School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 3School of Mechanical Engineering (SME), Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

本文内容

摘要

我们设计了一种非侵入性、可变形且可重复使用的干式16通道脑电图（EEG）传感器。本文详细描述了从制造所提出的干式非侵入性多通道EEG电极，到在小鼠头皮上采集视觉诱发电位（VEP）信号并进行信号处理的完整过程。

摘要

针对实验室小鼠的头皮脑电图（EEG）研究环境，我们设计了一种非侵入性、可变形且可重复使用的干式16通道EEG传感器，其特点在于采用柱塞-弹簧-筒体结构设计，并依托金属材料实现所需的机械强度。完整获取视觉诱发电位（VEP）反应的过程 体内 从小鼠记录视觉诱发电位（VEP）包括四个步骤：（1）传感器组装，（2）动物准备，（3）VEP测量，以及（4）信号处理。本文展示了对多只小鼠进行VEP反应测量的代表性结果，其信号分辨率可达亚微伏级别，时间分辨率优于百毫秒。尽管与此前报道的其他动物脑电图（EEG）采集方法相比，该方法更安全且更便捷，但仍存在一些待解决问题，例如如何进一步提高信噪比，以及如何将其应用于自由活动的小鼠。该方法利用易于获取的资源，可重复地获得质量满意的VEP反应信号。因此，该方法适用于纵向实验研究以及基于非侵入性范式的可靠转化医学研究。

引言

随着人口老龄化和预期寿命的延长，患有老年退行性脑部疾病（如痴呆症、阿尔茨海默病、帕金森综合征和中风）的患者数量不断增加，这些疾病给社会带来的长期负担也随之加重1,2,3。此外，大多数神经发育性疾病，如精神分裂症和自闭症，常伴有认知和行为障碍，影响患者的一生2,3,4。因此，研究人员一直在努力改进脑部疾病的诊断、预防、病理机制理解、长期观察和治疗方法。然而，由于大脑结构的复杂性和尚未明确的疾病病理机制，相关研究仍面临诸多挑战。转化研究可能是发现解决方案的有力工具，因为它能够以更短的时间、更低的成本和更高的成功率，将基础研究成果快速应用于临床实践5,6,7。转化研究的另一个目标是评估其在人体中的适用性，这就要求在动物实验中采用非侵入性方法，以便与人类所用的相同技术进行比较。这些需求促使人们迫切需要开发非侵入性的动物实验准备方法。其中一种方法是脑电图（EEG），该技术具有高时间分辨率，能够以二维方式揭示大脑皮层的连接性和活动状态，且得益于其非侵入性操作流程。事件相关电位记录（ERP）便是利用EEG的典型实验范式之一。

以往许多研究采用非侵入性脑电图（EEG）方法来针对人类受试者，而在动物研究中则使用了诸如植入螺钉和杆状电极等侵入性方法8,9,10,11,12。这些方法的信号质量和特性在很大程度上依赖于传感器放置的侵入程度。Garner 强调，为了实现成功的转化研究，动物实验应采用与人类研究相同的条件13。然而，在使用动物的基础研究中，非侵入性脑电图方法尚未广泛应用。一种针对实验小鼠开发的新型非侵入性头皮脑电图传感器系统，将是一种可靠且高效的工具，不仅可用于动物基础研究，也可应用于人类非侵入性研究范式，推动转化研究的发展。

大量小鼠脑电图（EEG）研究通过商业化基于印刷电路板（PCB）的多通道电极引领了该领域的发展14,15,16。尽管这些方法采用了侵入性技术，但其通道数量有限（3–8个），难以观测大范围的脑部动态活动。此外，其应用还可能受到侵入性和高成本的限制。在另一项研究中，韩国科学技术院（KIST）开发了一种基于聚酰亚胺的40通道薄膜电极，并将其贴附于小鼠颅骨上17,18,19,20。该研究实现了目前最多通道的小鼠脑电图记录。然而，该电极机械强度较弱且难以重复使用，因此不适合长期观测，可能导致信号减弱，可能与免疫反应有关。与此同时，Troncoso和Mégevand使用32个不锈钢电极，并通过带孔的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，有机玻璃）网格固定于啮齿类动物颅骨上，成功获取了感觉诱发电位（SEP）21,22,23。尽管其信号质量较高，但电极机械上较柔软且脆弱，因此在多种实验中的应用存在困难。此外，该方法仍具有轻微的侵入性。尽管这些方法能够提供良好的信号质量，但小鼠颅骨表面积有限，因此使用不锈钢柱状电极时电极数量受到限制。以往多项小鼠脑电图研究均表现出若干局限性。本研究将展示一种适用于临床前转化研究的新型非侵入式干式多通道传感器脑电图测量方法。

为了克服以往动物脑电图（EEG）方法的局限性（包括动物制备的内在复杂性、侵入性、高成本、浪费性以及机械强度弱等问题），我们致力于开发一种新型电极，具备柔性、干电极特性、多通道能力、非侵入性及可重复使用等优点。在以下实验方案中，我们将描述利用一种干式、非侵入性、多通道脑电传感器在小鼠头皮上记录视觉诱发电位（VEP）的过程。该方法采用易于获取的资源，从而降低了生物医学工程领域开展动物实验的技术门槛。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

动物护理和操作遵循光州科学技术院（GIST）的机构指导方针。

注意：从小鼠获取视觉诱发电位（VEP）信号的步骤 体内 包括四个步骤：（1）传感器组装，（2）动物准备，（3）视觉诱发电位（VEP）测量，以及（4）信号处理。

1. 传感器组装

  1. 为一个非侵入性电极准备十六根针。
    注意：每个针型电极由三部分组成：探针头部顶杆、内部弹簧和套管，如图1a所示。每根针的长度为13 mm，可调节的弹簧预压长度为1 mm。
  2. 裁剪两块尺寸为15 mm × 17 mm（宽 × 高）、厚度为1.5 mm的玻璃纤维基板。
    注意：非导电的玻璃纤维基板起到绝缘作用，可分离从小鼠头皮同时采集的多个信号。
  3. 使用精密雕刻机在基板上加工十六个直径为1.2 mm的孔，如图1c所示。
    1. 将探针坐标均匀分布，间隔为2 mm，分布在平坦基板上：+7/0, +2/-2, +2/0, +2/+2, 0/-4, 0/-2, 0/0（前囟点）, 0/+2, 0/+4, -2/-3, -2/-1, -2/+1, -2/+3, -4/-2, -4/0, -4/+2（以前囟点为基准的前后/侧向坐标，单位为mm）24,25,26。
  4. 将两块基板叠放，并在层间滴加一滴快干胶水，形成总厚度为3 mm的双层结构，以在信号采集过程中支撑十六根稳定且平行的电极。
  5. 手动逐个将十六根电极装配到基板上。
    注意：较小的孔径可使每根电极固定在同一长度。每个孔的直径略小于单根针中套管的最大直径（1.3 mm），从而实现电极的牢固固定，避免松动。
  6. 将每个电极末端的焊杯部分焊接到防触电连接器上。
  7. 使用热缩管覆盖并隐藏裸露的连接点，以实现电气绝缘。

2. 动物准备

  1. 通过腹腔（i.p.）注射氯胺酮与赛拉嗪混合液（100:10，100 mg/mL : 10 mg/mL），剂量为每克体重10 µL，对小鼠进行麻醉。
    注意：在开始操作前，通过轻拉一条后肢或轻捏尾巴检查小鼠麻醉是否充分。
  2. 使用棉签将眼膏涂抹于小鼠眼部，以保持角膜湿润。
  3. 使用毛发修剪器去除头部和肩部周围的毛发，随后涂抹市售脱毛膏，并在该区域保留3–4分钟。
  4. 用刮刀去除已涂抹的脱毛膏，再用浸水的湿巾反复擦拭数次，清除残留物。

3. 视觉诱发电位（VEP）测量

注意：整个视觉诱发电位（VEP）测量过程均在暗室中的法拉第笼内进行（宽 × 深 × 高：61 × 61 × 60 cm）。

  1. 将小鼠头部固定在立体定位仪上，把耳杆插入小鼠耳道，并精确地拧紧固定。
  2. 将传感器安装到定制的电极夹持器中（图1b），并将传感器夹持器固定在立体定位仪上，如图1d所示。
  3. 定位柔性脑电传感器，同时考虑参考电极位置和前囟位置27。随后，极其小心地垂直下放传感器，使阵列电极的探针均匀接触小鼠头皮的曲面边缘。
    注意：下放距离小于1 mm，该距离小于探针的可调节长度。
  4. 检查各电极阻抗是否处于100 kΩ至2 MΩ的正常范围内。若任一电极针脚的阻抗超出此范围，则需重新调整电极位置28。
  5. 将光刺激器置于距离小鼠眼睛20 cm处。
  6. 实验开始前，将小鼠置于暗箱中适应10分钟，以完成暗视觉适应。
    1. 设置实验设备参数如下：采样频率：500 Hz；陷波滤波：60 Hz；刺激间间隔：10 s；闪光持续时间：10 ms；闪光刺激次数：100次/受试者。
      注意：闪光光源为白光LED照明，在20 cm距离处照度为550 ± 20 % lx。

4. 视觉诱发电位（VEP）反应信号处理流程

  1. 分段
    1. 对于连续测量的序列数据，根据闪光刺激的起始时间，从刺激前时期（-300 ms）到刺激后时期（600 ms）提取每个片段，以生成单次试验的视觉诱发电位（VEP）段。
      注意：由于我们对每位受试者重复提供100次闪光刺激，因此在此步骤中每只小鼠共提取100个VEP片段。脑电图（EEG）分段是指从连续记录的EEG信号数据中提取特定时间窗口的过程。
  2. 重参考（平均参考）
    1. 计算在每个时间点上所有十四个电极通道的EEG信号的平均值，然后从每个通道中减去该平均值。对所有VEP片段重复此过程。
  3. 使用有限脉冲响应（FIR）滤波器对信号进行约1–100 Hz的带通滤波。
  4. 基线校正
    1. 计算每个通道在刺激前时期（基线期，-300 ~ 0 ms）内EEG信号的平均值，然后从波形中每个时间点（-300 ~ 600 ms）减去该平均值。此操作可调整VEP反应的幅度轴，便于观察刺激后脑电波的变化。对所有VEP片段重复此步骤。
  5. 总体VEP反应
    1. 对单次试验的VEP片段进行平均，为每个通道生成单个受试者的平均VEP波形。然后，针对所有受试者计算每个通道VEP反应的总体平均波形。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

我们计算了来自11只小鼠的视觉诱发电位（VEP）反应的总体平均值，如图2所示。该结果展示了从刺激前时期（-300 ms）到刺激后时期（600 ms）期间通过本实验获得的VEP反应，其中刺激在0秒时施加。可以明显观察到，刺激后信号仅在短时间内（小于300 ms）发生波动，而在刺激后时期信号随时间逐渐趋于稳定。此外，根据VEP反应特征，这14个通道可被划分为若干组，显示出相似的形态和反应模式29。该方法有助于深入理解脑电波在时间和空间特性方面的动态变化规律。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

我们首先关注传感器的设计，通过尽量减少复杂的外科手术操作来优先考虑其实用性。该可变形脑电图（EEG）传感器由十六根针组成：其中十四根用于信号记录，一根作为接地电极，最后一根作为参考电极。每个电极均具有柱塞-弹簧-套筒结构，使电极的接触面具备可变形性，从而能够从弯曲且娇嫩的小鼠头皮稳定、均匀地采集信号。考虑到动物福利，我们通过扩大电极与皮肤接触界面的面积以减轻对皮肤的压力，从而尽量降低弹簧力可能引起的疼痛29。

构成整个多通道电极的各个针脚在厚度、长度、柱塞类型和弹簧强度方面可能具有不同的规格。应仔细考虑这些不同选项，以设计出减轻受试者痛苦的电极。此外，可根据实验目的调整针脚排列阵列和电极数量。电极支架和玻璃纤维基板也可通过其他方法和不同设计制备，例如3D打印方法30,31。

通常情况下，干电极的阻抗高于湿电极，导致信号质量下降3...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作部分得到了韩国科学技术院研究所以及2017年韩国科学技术院资助的韩国科学技术院-加州理工学院研究合作项目的支持。同时获得韩国国家研究基金会（NRF）研究基金（NRF-2016R1A2B4015381）的支持，该基金由韩国政府（MEST）资助，并获得韩国脑科学研究所通过未来规划部、信息通信技术部资助的基础研究计划（17-BR-04）的支持。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
氯胺酮50注射剂（西林瓶）Yuhan-盐酸氯胺酮 57.68 mg
Zoletil 50 注射液Virbac-替来他明 125 mg / 唑拉西泮 125 mg
隆朋 2% 注射液BAYER-盐酸赛拉嗪 23.32mg/mL
Hycell 溶液 2%Samil-羟丙基甲基纤维素 20 mg
Puralube Vet 软膏 3.5 mgPharmaderm-
生理盐水注射液 JW Pharmaceutical -NaCl 9 g/1000 mL
Veet 脱毛膏 – 腿 &和身体 - 敏感肌肤Reckitt Benckiser-脱毛剂
皮肤 - 外科皮肤标记笔SurgmedS-3000无菌 - 多头精细记号笔，带标尺和标签组
不锈钢微型刮勺HEATHROW SCIENTIFICHS15907 一端扁平圆形，2英寸长 × 5/16英寸宽"
棉签
立体定位仪，台式 Digi SingleRWD Life Science68025
小鼠适配器RWD生命科学68010
小鼠非穿孔式耳杆RWD生命科学68306
Mitsar-EEG 202-24 MITSAR放大器
EEGStudio 脑电图采集软件MITSAR
白色闪光刺激器 MITSARMITSAR 闪光刺激器
BCI2000 软件Schalk 实验室
g.USBampg.tec0216
g.Power-g.USBampg.tec0247
 441 型直体触电防护连接器PlasticsOne441000PSW080001441 - 000 PSW 80" （黑色）
标准探针LEENOSK100CSWhttp://www.globalinterpark.com/detail/detail?prdNo=2114277241&dispNo=001851006012
精密雕刻机床TINYROBOTinyCNC-6060C
热缩3MFP301

参考文献

  1. Alzheimer's Association. Alzheimer's disease facts and figures. Alzheimers Dement. 12 (4), 459-509 (2016).
  2. Birbeck, G. L., Meyer, A. C., Ogunniyi, A. Nervous system disorders across the life course in resource-limited settings. Nature. 527 (7578), S167-S171 (2015).
  3. World Health Organization. Neurological disorders: public health challenges. , World Health Organization. (2006).
  4. Meyer, U., Feldon, J., Dammann, O. Schizophrenia and Autism: Both Shared and Disorder-Specific Pathogenesis Via Perinatal Inflammation? Pediatr Res. 69 (5), 26r-33r (2011).
  5. Freedman, L. P., Cockburn, I. M., Simcoe, T. S. The Economics of Reproducibility in Preclinical Research. PLoS Biol. 13 (6), e1002165(2015).
  6. Cummings, J. L., et al. Alzheimer's disease drug development: translational neuroscience strategies. CNS Spectr. 18 (3), 128-138 (2013).
  7. Roelfsema, P. R., Treue, S. Basic neuroscience research with nonhuman primates: a small but indispensable component of biomedical research. Neuron. 82 (6), 1200-1204 (2014).
  8. Wu, C., Wais, M., Sheppy, E., del Campo, M., Zhang, L. A glue-based, screw-free method for implantation of intra-cranial electrodes in young mice. J Neurosci Methods. 171 (1), 126-131 (2008).
  9. Yu, F. H., et al. Reduced sodium current in GABAergic interneurons in a mouse model of severe myoclonic epilepsy in infancy. Nat Neurosci. 9 (9), 1142-1149 (2006).
  10. Parmentier, R., et al. Anatomical, physiological, and pharmacological characteristics of histidine decarboxylase knock-out mice: evidence for the role of brain histamine in behavioral and sleep-wake control. J Neurosci. 22 (17), 7695-7711 (2002).
  11. Handforth, A., Delorey, T. M., Homanics, G. E., Olsen, R. W. Pharmacologic evidence for abnormal thalamocortical functioning in GABA receptor beta3 subunit-deficient mice, a model of Angelman syndrome. Epilepsia. 46 (12), 1860-1870 (2005).
  12. Wu, C., Wais, M., Zahid, T., Wan, Q., Zhang, L. An improved screw-free method for electrode implantation and intracranial electroencephalographic recordings in mice. Behav Res Methods. 41 (3), 736-741 (2009).
  13. Garner, J. P. The Significance of Meaning: Why Do Over 90% of Behavioral Neuroscience Results Fail to Translate to Humans, and What Can We Do to Fix It? Ilar Journal. 55 (3), 438-456 (2014).
  14. Naylor, E., Harmon, H., Gabbert, S., Johnson, D. Automated sleep deprivation: simulated gentle handling using a yoked control. Sleep. 12 (1), 5-12 (2010).
  15. Naylor, E., et al. Simultaneous real-time measurement of EEG/EMG and L-glutamate in mice: A biosensor study of neuronal activity during sleep. J Electroanal Chem (Lausanne). 656 (1-2), 106-113 (2011).
  16. Naylor, E., et al. Molecules in Neuroscience. Proceedings of the 13th International Conference on In Vivo Methods, , 12-16 (2010).
  17. Choi, J. H., et al. A flexible microelectrode for mouse EEG. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, , 1600-1603 (2009).
  18. Choi, J. H., Koch, K. P., Poppendieck, W., Lee, M., Shin, H. S. High resolution electroencephalography in freely moving mice. J Neurophysiol. 104 (3), 1825-1834 (2010).
  19. Lee, M., Shin, H. S., Choi, J. H. Simultaneous recording of brain activity and functional connectivity in the mouse brain. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, , 2934-2936 (2009).
  20. Lee, M., Kim, D., Shin, H. S., Sung, H. G., Choi, J. H. High-density EEG recordings of the freely moving mice using polyimide-based microelectrode. JoVE-J Vis Exp. (47), e2562(2011).
  21. Mégevand, P., Quairiaux, C., Lascano, A. M., Kiss, J. Z., Michel, C. M. A mouse model for studying large-scale neuronal networks using EEG mapping techniques. Neuroimage. 42 (2), 591-602 (2008).
  22. Megevand, P., et al. Long-term plasticity in mouse sensorimotor circuits after rhythmic whisker stimulation. J Neurosci. 29 (16), 5326-5335 (2009).
  23. Troncoso, E., Muller, D., Czellar, S., Zoltan Kiss, J. Epicranial sensory evoked potential recordings for repeated assessment of cortical functions in mice. J Neurosci Methods. 97 (1), 51-58 (2000).
  24. Bauschatz, J. D., Guido, V. E., Marden, C. C., Davisson, M. T., Donahue, L. R. Preliminary skull characterization and comparison of C57BL/6J, C3H/heSnJ, BALB/cByJ and DBA/2J inbred mice. , http://craniofacial.jax.org/characteristics.html (2014).
  25. Keith, B., Franklin, G. P., Paxinos, G. The mouse brain in stereotaxic coordinates. , Academic. California. (2008).
  26. Kawakami, M., Yamamura, K. I. Cranial bone morphometric study among mouse strains. Bmc Evol Biol. 8, (2008).
  27. Strain, G. M., Tedford, B. L. Flash and pattern reversal visual evoked potentials in C57BL/6J and B6CBAF1/J mice. Brain Res Bull. 32 (1), 57-63 (1993).
  28. Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. BCI2000: A general-purpose, brain-computer interface (BCI) system. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).
  29. Kim, D., Yeon, C., Kim, K. Development and Experimental Validation of a Dry Non-Invasive Multi-Channel Mouse Scalp EEG Sensor through Visual Evoked Potential Recordings. Sensors. 17 (2), 326(2017).
  30. Yeon, C., Kim, D., Kim, K., Chung, E. SENSORS, 2014 IEEE. , IEEE. 519-522 (2014).
  31. Kim, D., Yeon, C., Chung, E., Kim, K. SENSORS, 2015 IEEE. , IEEE. 1-4 (2015).
  32. Lin, C. T., et al. Novel dry polymer foam electrodes for long-term EEG measurement. IEEE Trans Biomed Eng. 58 (5), 1200-1207 (2011).
  33. Lopez-Gordo, M. A., Sanchez-Morillo, D., Pelayo Valle, F. Dry EEG electrodes. Sensors (Basel). 14 (7), 12847-12870 (2014).
  34. Fang, Q., Bedi, R., Ahmed, B., Cosic, I. Engineering in Medicine and Biology Society, 2004. IEMBS'04. 26th Annual International Conference of the IEEE. 2995-2998 IEEE, , 2995-2998 (2004).
  35. Maffei, L., Fiorentini, A., Bisti, S. Neural correlate of perceptual adaptation to gratings. Science. 182 (4116), 1036-1038 (1973).
  36. Ernst, M., Lee, M. H., Dworkin, B., Zaretsky, H. H. Pain perception decrement produced through repeated stimulation. Pain. 26 (2), 221-231 (1986).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

标签

小鼠头皮脑电图干电极脑电传感器无创脑电图多通道脑电图视觉诱发电位测量信号处理立体定位仪光刺激装置设置麻醉小鼠准备
使用干式无创多通道头皮脑电传感器在小鼠中记录视觉诱发电位
联系我们
向图书馆推荐

隐私政策

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。