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。
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本文内容
摘要
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....
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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
- 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。 - 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。 - 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。
- 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）
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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。
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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.......
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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。
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材料
| 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 mg | Pharmaderm | - | |
| 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 | Surgmed | S-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 SCIENTIFIC | HS15907 | 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 Single | RWD Life Science | 68025 | |
| 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 | MITSAR | MITSAR 闪光刺激器 | |
| BCI2000 软件 | Schalk 实验室 | ||
| g.USBamp | g.tec | 0216 | |
| g.Power-g.USBamp | g.tec | 0247 | |
| 441 型直体触电防护连接器 | PlasticsOne | 441000PSW080001 | 441 - 000 PSW 80" （黑色） |
| 标准探针 | LEENO | SK100CSW | http://www.globalinterpark.com/detail/detail?prdNo=2114277241&dispNo=001851006012 |
| 精密雕刻机床 | TINYROBO | TinyCNC-6060C | |
| 热缩 | 3M | FP301 |
参考文献
- Alzheimer's Association. Alzheimer's disease facts and figures. Alzheimers Dement. 12 (4), 459-509 (2016).
- 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).
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