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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
提出了一种低成本的脑电图记录系统,结合毫米尺寸的线圈来驱动体内 小鼠大脑的经颅磁刺激。使用具有定制、柔性、多电极阵列基板的传统螺旋电极,可以从小鼠大脑响应经颅磁刺激进行多位点记录。
这里提出了一种低成本的脑电图(EEG)记录系统,利用毫米大小的线圈 驱动 体内小鼠大脑的经颅磁刺激(TMS)。使用传统的螺旋电极与定制的、灵活的多电极阵列基板相结合,可以从小鼠大脑进行多位点记录。此外,我们还解释了如何使用实验室中常见的低成本设备生产毫米尺寸的线圈。还介绍了制造柔性多电极阵列基板的实用程序和螺杆电极的手术植入技术,这是产生低噪声脑电信号所必需的。尽管该方法对于从任何小动物的大脑中记录是有用的,但本报告侧重于麻醉小鼠头骨中的电极实施。此外,这种方法可以很容易地扩展到清醒的小动物,它通过公共适配器 与 系留电缆连接,并在录制过程中用TMS设备固定在头部。描述了当前版本的EEG-TMS系统,其最多可以包括32个EEG通道(具有16个通道的设备作为具有较少通道的示例)和一个TMS通道设备。此外,简要报告了通过将EEG-TMS系统应用于麻醉小鼠获得的典型结果。
经颅磁刺激(TMS)因其非/低侵入性而成为人脑科学,临床应用和动物模型研究的有前途的工具。在TMS应用的早期阶段,人类和动物对单脉冲和配对脉冲TMS的皮质效应的测量仅限于运动皮层;易于测量的输出仅限于涉及运动皮层的运动诱发电位和感应肌电位1,2。为了扩展可以通过TMS调制测量的大脑区域,将脑电图(EEG)记录与单脉冲和配对脉冲TMS集成在一起,作为直接检查整个大脑区域的兴奋性,连通性和时空动力学的有用方法3,4,5。因此,同时将TMS和脑电图记录(TMS-EEG)应用于大脑已被用于探测人类和动物的各种浅表皮质大脑区域,以研究皮层内神经回路(见Tremblay等人6)。此外,TMS-EEG系统可用于检查其他皮质时空特征,包括信号传播到其他皮质区域和振荡活动的产生7,8。
然而,由于TMS的非侵入性,TMS在大脑中的作用机制仍然是推测性的,这限制了我们对TMS应用期间大脑功能的知识。因此,从啮齿动物到人类的动物的侵入性转化研究对于了解TMS对神经回路及其活性的影响机制至关重要。特别是,对于动物的TMS-EEG组合实验,尚未为小动物密集开发同步刺激和测量系统。因此,实验者需要根据其特定的实验要求,通过试错来构建这样的系统。此外,小鼠模型在其他 体内 动物物种模型中是有用的,因为许多转基因和品系分离的小鼠品系可作为生物资源使用。因此,对于许多神经科学研究人员来说,为小鼠构建TMS-EEG组合测量系统的便捷方法是可取的。
本研究提出了一种TMS-EEG组合方法,可用于同时刺激和记录小鼠大脑,小鼠大脑是研究中使用的主要转基因动物类型,可以在典型的神经科学实验室中轻松构建。首先,描述了使用常规螺旋电极和柔性基板的低成本脑电图记录系统,以在每个实验中可重复地分配电极阵列位置。其次,磁刺激系统是使用毫米尺寸的线圈构建的,可以在典型的实验室中轻松定制。第三,TMS-EEG组合系统记录对声音和磁刺激的神经活动。本研究中提出的方法可以揭示在小动物中产生特定疾病的机制,并且可以翻译在动物模型中获得的结果以了解相应的人类疾病。
在本研究中,所有动物实验均按照美国国立卫生研究院实验动物护理和使用指南进行,并得到北海道大学机构动物护理和使用委员会的批准。C57BL / 6J小鼠,两只雄性和三只雌性,8至10周龄,用于本研究。这是一个终端过程。这些动物是从商业来源获得的(见 材料表)。
1. 灵活的二维阵列设计和构造

图 1:用于脑电图 (EEG) 记录的柔性二维 (2D) 阵列的组成部分和包括阵列在内的制造设备。 (A)嵌入小鼠头骨中的微型螺旋电极。(B)设计的用于测量大脑活动的电极垫(绿色圆圈)和参考通道(右下角的正方形)。显示了电极焊盘从原点(0, 0)处的参考点(十字标记)的相对坐标;括号中以毫米为单位的大小。电极焊盘的中心坐标相对于通过十字标记的垂直轴是对称的。(C) 图示了记录电极(左)和参比电极(右)的电极垫和钻孔。(D) 用于柔性 2D 阵列的表面贴装连接器(2 × 10 引脚)(左)以及基板上设计焊盘的图案和尺寸(右)。(E) 设计蓝图,每个零件的尺寸以毫米为单位。(F) E中蓝图所示的人造基板的图像。(G)柔性二维阵列的层结构(头部和连接器部分)。图示了螺旋电极垫(顶部)和读出垫(底部)的顶部和侧面视图。头部和连接器部分分别由三层结构(顶部)和六层结构(底部)组成。此外,颈部部分由五层结构组成;在顶部和背面表面安装保护性聚酰亚胺层,而加强聚酰亚胺板不安装在颈部部分。 请点击此处查看此图的大图。
2. 适配器构造和通道映射

图 2:在柔性基板上构建二维 (2D) 电极阵列的适配器并记录通道映射。 (A) 在连接器部分,参考和接地通道通过引线连接到底部电极焊盘。如果事先确定了参考通道和接地通道,则应在设计阶段将通道连接到相应的底部电极焊盘。在这种情况下,无需将引线焊接到通道和电极焊盘上。(B) 绝缘位移连接器(左上)压接到扁平电缆的一端(左下),以连接测量放大器连接器(右上)。与要使用的通道相对应的所有线路都焊接到绿色连接器(右下角)。在这种情况下,由于连接到头部放大器的每个绿色连接器都被分配用于八通道测量,因此至少需要两个连接器来记录 16 通道的大脑活动信号。焊接点覆盖有环氧树脂和屏蔽胶带,以防止与其他信号线接触。(C)连接器和制造的电缆放置在柔性2D阵列基板的表面上。细不锈钢棒连接到柔性基板的背面。(D)显示小鼠大脑表面记录通道的空间位置以及测量系统每个点的通道图。在这种情况下,有 16 个带有螺旋电极(红色圆圈)的记录通道,尽管可能的记录站点总数为 32。其他16个非记录通道在大脑表面也显示为绿色圆圈。在映射图中,"G"和"R"分别表示为接地电极和参比电极设计的通道。 请点击此处查看此图的大图。
3. 动物手术
4. 电极植入
5.小线圈设计与施工

图 3:用于磁刺激的小线圈。 (A) 三维 (3D) 打印圆盘(左)。两个相同的圆盘粘附在坡摩合金-45轴上;一个在轴的末端,另一个在 10 毫米外(右)。(B) 线圈绕组的设置。带有两个圆盘的 60 mm 轴连接到冲击起子上。霍尔效应传感器放置在连接到轴上的小磁铁附近。铜线缠绕在两个圆盘之间。(c) 构造线圈。线圈高10毫米,直径6毫米,铜线1000圈。图的右侧显示了由3D打印线圈支架操纵的线圈。(D) LCR 仪表记录的线圈的交流特性:(顶部)电阻与正弦输入频率的关系;(下图)电感与输入频率的关系。典型线圈在 1 kHz 交流输入时的电阻和电感分别为 21.6 和 7.9 mH。(E) 双相矩形波形,用作示波器记录的线圈输入。(F) 磁通密度与构造线圈与霍尔效应传感器之间的距离之间的关系。磁通密度由五个不同的霍尔效应传感器记录,每个传感器一次。绘制了五个测量值的平均值,误差线表示平均值的标准误差。 请点击此处查看此图的大图。
6. 信号记录系统及程序
7. 数据分析
在麻醉的C57BL / 6J小鼠中记录的样品脑电图数据,柔性基质与螺旋电极相结合,如下所示。
作为一个典型的例子,在具有相同刺激的60项试验中,显示了响应声音刺激(8 kHz音爆,80 dB声压级[SPL])而产生的平均EEG波形(图4A)。记录通道映射的原理图也显示在图4A的中间。来自CHS 5,7,10和12的反应是从两个颞叶的听觉皮层附近区域记录的。在位于听觉区域(下丘和听觉皮层)周围的通道的单个脑电图波形中,不包括刺激伪影的反应在声音刺激开始后立即呈负向(例如,Chs 3和10);峰值幅度分别为45.6 ± 4.0 μV和25.6 ± 1.5 μV。随后,响应在基线(图4B,C)上在某种程度上呈正趋势,并在阻尼时振荡。相比之下,来自其他通道的响应几乎与刺激开始无关,尽管一些通道波形显示出类似的响应。

图 4:小鼠大脑中 16 个位点的声音事件相关电位 (ERP) 波形。 (A)响应应用于麻醉小鼠的声音(8 kHz音突发,80 dB SPL)刺激,说明了16通道ERP波形。中间显示了小鼠大脑的示意图,小鼠大脑表面上的16个记录位点(红色圆圈)用通道号表示。在这种情况下,使用16个录音通道;其他 16 个非录制通道显示为绿色圆圈。(B) 第 3 通道 ERP 波形的扩展视图。(C) 第 10 章 ERP 波形的扩展视图。 请点击此处查看此图的大图。
同样,在图5A中显示了60项具有相同刺激的试验中,响应右下丘附近区域的短磁刺激(Vin = 60V pp)的EEG记录的平均波形。记录通道映射的原理图也显示在图5A的中间。由于刺激线圈位于Ch 14区域附近,因此该通道处的刺激伪影最大。然而,在刺激开始后立即观察到大多数通道的相对较大的刺激伪影,表明磁刺激影响了所有记录位点。由于来自CHS 5、7、10和12的响应是从两个颞叶的听觉皮层附近区域记录的,因此不包括刺激伪影的单个EEG波形首先是负向,然后在某种程度上是正向的,具体取决于通道位置(图5A-C)。在听觉区域附近,磁刺激引起的响应时间过程与声音刺激引起的响应时间过程不同。例如,对于Chs 3和10,尽管峰值幅度分别为58.8 ±4.0 μV和28.2 ± 2.0 μV,但响应在声刺激开始后立即为负向。此外,随着磁刺激强度的增加,Ch 10的驱动反应的峰值振幅增加(图5D),表明磁刺激影响诱发神经反应。

图 5:小鼠大脑中 16 个位点的经颅磁刺激 (TMS) 驱动的事件相关电位 (ERP) 波形。 (A)说明了响应应用于麻醉小鼠的TMS(V in = 60 Vpp)的16通道ERP波形。中间显示了小鼠大脑的示意图,小鼠大脑表面上的16个记录位点(红色圆圈)由通道号表示。(B) 第 3 通道 ERP 波形的扩展视图。(C) 第 10 章 ERP 波形的扩展视图。(D) 由不同磁强度(输入电压)引起的第10章ERP振幅摘要。对于统计分析,使用方差分析进行多重比较,然后进行事后Tukey-Kramer检验。* 和 *** 分别表示 p < 0.05 和 p < 0.001。对于个体动物的每个条件,一次会话的试验次数为60次。统计数据是根据从两只动物获得的样本计算的。请点击此处查看此图的大图。
这种方法也可以很容易地扩展到清醒的小动物,它通过一个普通适配器用系留电缆连接,并在记录过程中用TMS设备固定在头部(补充图1和补充图2)。
补充图1:连接到小鼠头骨的刺激线圈的夹具。 (A)对于清醒的小鼠,显示了固定在小鼠头骨上的夹具的刺激线圈。(B)清醒小鼠的事件相关电位(ERP)记录在亚克力盒子中,鼠标可以在盒子内移动。 请点击此处下载此文件。
补充图2:来自清醒小鼠大脑的16个位点的声音驱动和经颅磁刺激(TMS)驱动的ERP的波形。 (A)为了响应在亚克力外壳中对清醒鼠标施加的声音刺激(8 kHz音爆,80 dB SPL)(补充图1B),说明了16通道ERP波形。中间显示了小鼠大脑的示意图,小鼠大脑表面上的16个记录位点(红色圆圈)用通道号表示。在这种情况下,使用16个录音通道;其他 16 个非录制频道显示为绿色圆圈。(B)同样,说明了响应应用于同一清醒鼠标的TMS(Vin = 60 Vpp)的16通道ERP波形。中间显示了小鼠大脑的示意图,小鼠大脑表面上的16个记录位点(红色圆圈)由通道号表示。刺激线圈位于通道14区域附近。 请点击此处下载此文件。
补充编码文件1:线圈结构所需的甜甜圈形圆盘的CAD数据文件。请点击此处下载此文件。
作者没有什么可透露的。
提出了一种低成本的脑电图记录系统,结合毫米尺寸的线圈来驱动体内 小鼠大脑的经颅磁刺激。使用具有定制、柔性、多电极阵列基板的传统螺旋电极,可以从小鼠大脑响应经颅磁刺激进行多位点记录。
这项工作得到了村田科学基金会、铃轩纪念基金会、中谷生物医学工程测量技术促进基金会以及探索性研究(批准号21K19755,日本)和科学研究(B)(批准号23H03416,日本)的资助。
| 3D打印机 | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | FFD-101 | 用于3D打印甜甜圈形圆盘的打印机 |
| 硫酸阿托品 0.5 mg | NIPRO ES PHARMA CO., LTD. | - | 硫酸阿托品 |
| 双极放大器 | NF Corp. | KIT61380 | 用于放大线圈输入 |
| 的波形 Butorphanol | 明治精花制药 Co., Ltd., Tokyo, Japan | - | 用于动物的解剖 |
| 柔性 2D 阵列的商业制造商 | p-ban.com Corp. | - | URL: https://www.p-ban.com/ |
| 用于分析输出信号的计算机程序 | Natinal Instruments | NI-DAQ 和 NI- DAQmx Python | 用于分析霍尔效应传感器 |
| Connector | Harwin Inc. | 的输出信号G125-FV12005L0P | 用于连接测量系统的连接器 |
| 铜垫 | p-ban.com Corp. | copper | 每个基板上的铜焊盘 |
| 铜线 | Kyowa Harmonet Ltd. | P644432 | 线圈的绕组 |
| DAQ 板 | National Instruments Corp. | USB-6343 | 用于测量线圈的磁通量密度 |
| 牙科水泥 | SHOFU INC. | Quick Resin | 自固化正畸树脂 |
| ECoG 电极 | NeuroNexus Inc. | HC32 | 参考柔性 2D 阵列 |
| 环氧树脂 | Konishi Co., Ltd. | 的设计#16123 | 用于线圈结构 |
| 氨基甲酸乙酯 | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 050-05821 | 用于氨基甲酸乙酯麻醉 |
| 扁平带状电缆 | Oki Electric Cable Co., Ltd. | FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m | 用于表面贴装连接器和测量系统 |
| 柔性基板 | 之间的电缆连接p-ban.com Corp. | 聚酰亚胺 | 柔性基板 |
| 函数发生器 | NF Corp. | WF1947 | 用于生成线圈输入 |
| 霍尔效应传感器 | 的波形Honeywell International Inc. | SS94A2D | 用于测量线圈的磁通量密度 |
| IDC 压接工具 | Pro'sKit Industries Co. | 6PK-214 | 压接 IDC 和扁平带状电缆的一端;扁平电缆连接器压接工具 |
| Instant Glue | Konishi Co. Ltd. | #04612 | 用于线圈结构 |
| 绝缘位移连接器 (IDC ) | Uxcell Japan | B07GDDG3XG | 2 &次; 10 引脚和 1.27 mm 间距 |
| LCR 仪表 | NF Corp. | ZM2376 | 用于测量线圈 |
| 机械手 | NARISHIGE Group | 的交流特性。SM-15L | 用于作线圈 |
| 美托咪定 | Kobayashi Kako, Fukui, Japan | - | 用于动物的解剖 |
| 咪达唑仑 | Astellas Pharma,日本东京- | 用于动物的解剖 | |
| 微型螺钉 | KOFUSEIBYO Co., Ltd. | S0.6*1.5 | 用于脑电感应和参考电极 |
| 小鼠 | 日本 SLC, Inc. | C57BL/6J (C57BL/6JJmsSlc) | 实验动物 |
| Permalloy-45 棒 | The Nilaco Corp. | 780544 | 线圈的核心 |
| 记录系统 | Plexon Inc. | OmniPlex | 用于脑电图数据采集 |
| 不锈钢丝 | Wakisangyo Co., Ltd. | HW-136 | 用于机械手的抓取 |
| 立体定位装置 | NARISHIGE Group。 | SR-5M-HT | 固定鼠标头 |
| 表面贴装连接器 | Useconn Electronics Ltd. | PH127-2x10MG | 用于安装在柔性 2D 阵列上的连接器 |
| 测试设备(LCR 表) | NF Corp. | ZM2372 | 接触检查和阻抗测量 |
| 白色 PLA 耗材 | 浙江 Flashforge 3D Technology Co., Ltd | PLA-F13 | 用于 3D 打印甜甜圈形圆盘的材料 |
| 赛洛卡因果冻 2% | 山德士制药有限公司 | - | 盐酸利多卡因 |