低成本脑电图记录系统结合毫米级线圈用于活体小鼠脑部经颅刺激 体内

摘要

提出一种低成本脑电图记录系统，并结合毫米级线圈，用于在活体小鼠大脑中进行经颅磁刺激。in vivo。通过使用传统螺钉电极和自制的柔性多电极阵列基底，可在小鼠大脑中实现对经颅磁刺激响应的多部位记录。

摘要

一种低成本脑电图（EEG）记录系统用于驱动小鼠脑部经颅磁刺激（TMS） 体内 利用毫米级线圈。结合传统螺钉电极与自制的柔性多电极阵列基底，可实现对小鼠脑部的多点记录。此外，本文还介绍了如何使用实验室常见的低成本设备制备毫米级线圈。同时提供了柔性多电极阵列基底的制备流程以及螺钉电极的外科植入技术，这些步骤对于获取低噪声脑电图信号至关重要。尽管该方法适用于记录任何小型动物的脑部活动，但本报告重点介绍在麻醉小鼠颅骨上的电极实施。此外，该方法也可轻松扩展应用于通过有线连接记录清醒小型动物的实验。 通过 一个通用适配器，并在记录期间通过TMS设备固定于头部。本文描述了当前版本的EEG-TMS系统，该系统最多可包含32个EEG通道（文中以包含16个通道的设备为例，展示通道数较少的情况）和一个TMS通道设备。此外，简要报告了将EEG-TMS系统应用于麻醉小鼠所获得的典型结果。

引言

经颅磁刺激（TMS）因其非侵入性或低侵入性，已成为人类脑科学研究、临床应用以及动物模型研究中一种前景广阔的工具。在TMS应用的早期阶段，对人类和动物单脉冲及成对脉冲TMS的皮层效应测量主要局限于运动皮层；可测量的输出信号也仅限于运动诱发电位以及涉及运动皮层的诱发肌电位^1,2。为了扩展可通过TMS调控进行测量的脑区，脑电图（EEG）记录被整合到单脉冲和成对脉冲TMS中，成为一种直接检测全脑各区域兴奋性、连接性以及时空动态特性的有效方法^3,4,5。因此，TMS与EEG记录的同步应用（TMS-EEG）已被用于探测人类和动物大脑多个表层皮层区域，以研究皮层内神经环路（参见Tremblay等人的研究⁶）。此外，TMS-EEG系统还可用于分析其他皮层时空特征，包括信号向其他皮层区域的传播以及振荡活动的产生^7,8。

然而，由于经颅磁刺激（TMS）具有非侵入性，限制了我们对其在应用过程中脑功能活动机制的理解，因此其在脑内的作用机....

方案

本研究中所有动物实验均遵循美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》进行，并获得北海道大学机构动物护理与使用委员会的批准。本研究使用了5只C57BL/6J小鼠，包括2只雄性和3只雌性，年龄为8至10周。本实验为终点实验。实验动物购自商业来源（见材料表）。

1. 灵活的二维阵列设计与构建

1. 准备所需数量的微型螺钉电极（不锈钢，SUS XM7；参见材料表），其结构参数如下，用作脑电图（EEG）记录电极和参考电极：标称直径、颈部长度和头部直径分别为 0.6 mm、1.5 mm 和 1.1 mm（图 1A）。
   注意：本研究中使用了 16 个微型螺钉电极。
2. 按照以下步骤在柔性基底上制备印刷电路图的蓝图。
   1. 在柔性基底（整体尺寸为 41.2 mm × 19.9 mm；参见材料表）上创建二维（2D）电极焊盘图案，用于读取螺钉电极信号。设计 2D 电极排列方式。图 1B 显示了本研究中使用的具体排列方式以及相对于基准点（原点 [0, 0] 处标记的十字）的相对坐标。
      注意：本研究中，为了记录颞叶内听觉皮层的神经活动，电极在侧向至内侧（水平方向）的排布长度....

结果

以下展示了使用柔性基底结合螺钉电极在麻醉的C57BL/6J小鼠中记录的脑电图（EEG）样本数据。

以典型示例说明，在相同声刺激（8 kHz 短音脉冲，80 dB 声压级 [SPL]）下，经过 60 次试验所生成的平均脑电图（EEG）波形如图 4A所示。图 4A中部还展示了记录通道的映射示意图。通道 5、7、10 和 12 的信号来自双侧颞叶听觉皮层附近的区域。在位于听觉相关区域（下丘和听觉皮层）周围的通道个体 EEG 波形中，排除刺激伪迹后的反应在声刺激开始后立即首先表现为负向偏转（例如通道 3 和 10）；其峰值振幅分别为 45.6 ± 4.0 µV 和 25.6 ± 1.5 µV。随后，这些反应在一定程度上呈现正向偏转并超过基线水平（图 4B、C），同时伴随衰减性振荡。相比之下，其他通道的反应几乎不受刺激起始时间的影响，尽管部分通道波形显示出类似反应。

讨论

本研究介绍了一种针对小动物（包括小鼠）设计的多部位脑电图（EEG）记录系统，并结合了磁刺激系统。该构建系统成本低廉，可在生理学实验室中轻松搭建，并可扩展其现有的测量装置。若实验室具备标准电生理实验的相关经验，则从小鼠记录系统获取数据所需的手术操作极为简便。

使用该方法的一个优势在于，能够在单个动物的头部和头皮上实现电极放置的良好可重复性。用于将螺钉电极定位至脑部目标区域的柔性基底可通过标准微加工技术轻松复制，相同的基底也便于确定每只动物头皮上的记录位点。此外，电极阵列的形状可方便地进行修改，以优化各种实验需求；可根据特定实验目的最优地设计定制化的电极排布。如果遵循本方案中所述的方法，螺钉电极、连接器、电缆及手术操作均可轻松修改并扩展为具有更多记录位点的测量系统。该记录系统的第二个优势在于，当实验室已配备多通道放大器时，其成本较低。当前的记录系统可从32个输入通道以及最多四条独立电缆获取神经信号。因此，扩展后的32通道记录系统仅需增加电缆、螺钉电极和修改后的柔性基底，整个扩展系统的成本将非常低。

然而，该方法的一个缺点是在植入过.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 打印机	Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd	FFD-101	用于 3D 打印环形圆盘的打印机
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	用于放大线圈输入波形
布托啡诺	Meiji Seika Pharma Co., Ltd., Tokyo, Japan	-	用于动物麻醉
柔性二维阵列的商用制造商	p-ban.com Corp.	-	网址：https://www.p-ban.com/
用于分析输出信号的计算机程序	National Instruments	NI-DAQ 和  NI-DAQmx Python	用于分析霍尔效应传感器的输出信号
连接器	Harwin Inc.	G125-FV12005L0P	用于连接测量系统
铜垫	p-ban.com Corp.	copper	每个基板上的铜垫
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密度
牙科水泥	SHOFU INC.	Quick Resin	自固化正畸树脂
皮层脑电图电极（ECoG 电极）	NeuroNexus Inc.	HC32	用于柔性二维阵列设计的参考
环氧树脂	Konishi Co. Ltd.	#16123	用于线圈构建
氨基甲酸乙酯	FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp.	050-05821	用于乌拉坦麻醉
扁平带状电缆	Oki Electric Cable Co., Ltd.	FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m	用于连接表面贴装连接器与测量系统
柔性基底	p-ban.com Corp.	聚酰亚胺	柔性基底的基板
函数发生器	NF Corp.	WF1947	用于生成线圈输入波形
霍尔效应传感器	Honeywell International Inc.	SS94A2D	用于测量线圈的磁通密度
IDC 压接工具	Pro'sKit Industries Co.	6PK-214	用于压接 IDC 与扁平带状电缆的一端；扁平电缆连接器压接工具
瞬干胶	Konishi Co. Ltd.	#04612	用于线圈构建
绝缘位移连接器（IDC ）	Uxcell Japan	B07GDDG3XG	2 × 10 针，1.27 mm 间距
LCR 测量仪	NF Corp.	ZM2376	用于测量线圈的交流特性
操纵器	NARISHIGE Group.	SM-15L	用于操控线圈
美托咪啶	Kobayashi Kako, Fukui, Japan	-	用于动物麻醉
咪达唑仑	Astellas Pharma, Tokyo, Japan	-	用于动物麻醉
微型螺钉	KOFUSEIBYO Co., Ltd.	S0.6*1.5	用于脑电图感知和参考电极
小鼠	Japan SLC, Inc.	C57BL/6J (C57BL/6JJmsSlc)	实验动物
坡莫合金-45 棒	The Nilaco Corp.	780544	线圈的磁芯
记录系统	Plexon Inc.	OmniPlex	用于脑电数据采集
不锈钢丝	Wakisangyo Co., Ltd.	HW-136	用于被操纵器夹持
立体定位仪	NARISHIGE Group.	SR-5M-HT	用于固定小鼠头部
表面贴装连接器	Useconn Electronics Ltd.	PH127-2x10MG	用于安装在柔性二维阵列上的连接器
测试设备（LCR 测量仪）	NF Corp.	ZM2372	接触检查和阻抗测量
白色 PLA 丝材	Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd	PLA-F13	用于 3D 打印环形圆盘的材料
2% 利多卡因凝胶	Sandoz Pharma Co., Ltd.	-	盐酸利多卡因