高密度的脑电图采集在啮齿动物模型使用低成本的开源资源
November 26th, 2016
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。
该方法的总体目标是展示一种低成本的替代协议，用于从慢性高密度经颅电极阵列构建和记录。这种方法可以帮助回答神经科学中的关键问题，例如神经元网络的大规模组织，以及感觉诱发电调反应的空间和时间特征。该技术的主要优点是成本低、可重复性高，并且易于进行实验特定定制。
虽然这种方法可以深入了解脑电图数据的复杂分析，但其应用非常适合麻醉学、癫痫和睡眠神经生物学的研究。要制作头饰，首先要用一层非常薄的指甲油将 2 x 50 针砖的销钉绝缘。然后，用一把镊子将插座端推入砖块，取下每八排引脚。
抛光剂完全干燥后，用小布和丙酮去除针尖上的涂层。然后，使用剃须刀片或剪线钳，修剪积木以制作 2 x 7 的针砖。其中两块砖将用作经颅脑电图电极。
接下来，从 2 x 50 块砖的每一端准备两个 1 x 2 针砖，以使用相同的过程记录 EMG 信号。每块 1 x 2 的砖应保留 2 x 50 砖的外部光滑面之一。要完成完整阵列的两半，请将一个 brick 的 1×2 引脚孔和引脚与 2 x 7 brick 的最后排引脚对齐。
然后，使用两组分环氧树脂连接它们的光滑表面，并在必要时用更多的环氧树脂加强连接。让两半固化一夜。要制作两根胸椎肌电图线，请从一根 3 厘米的绝缘银线开始。
从一端去除 1 厘米的绝缘层，然后用镊子缠绕在裸线上，在裸线上添加两个环。然后从另一端移除 25 毫米的绝缘层。现在，制作两根类似的颈椎肌电图线，从 1.5 厘米的线开始。
从每个头件的一半中，取下最前排的侧销，因为该销不会接触相关组织。要连接电线，请将 1 x 2 砖块的引脚从其尖端剪下 3 毫米。然后将颈椎 EMG 线焊接到前针，将胸椎 EMG 线焊接到后针。
在继续之前，请在连续模式下使用万用表，以确保每个引脚都电气隔离。将引线连接到不同的引脚组合，如果一对引脚是电耦合的，仪表将发出哔哔声。干燥后，弯曲 EMG 线，直到它们与 AP 轴平行，横向位移最小。
然后用指甲油覆盖焊接接头。现在，使用剪线钳和脑图谱调整销钉长度。找到腹侧距前囟最大 pin 的销钉。
不要修剪此引脚，而是相对于此引脚修剪所有其他引脚。要完成头饰，请使用涂抹笔用银色溶液覆盖所有针尖。要准备适配器，请从 36 位双排公 nano 连接器开始。
首先，将连接器线剃成 2 厘米的均匀长度。然后从每根电线的末端剥去 2.5 毫米的电线。最后，将细线束镀锡在一起，并从镀锡线上修剪掉剥落的绝缘层。
接下来，从 con-strip 接头 2 x 50 引脚块创建到头件的匹配公-公连接器。和以前一样，准备两个 2 x 7 和两个 2 x 1。现在，将一根地线从纳米连接器焊接到前囟前 0.6 毫米和外侧 1 毫米的引脚上。
该引脚用作参考，并在使用 RHD 2132 放大器芯片时用作地。接下来，将镀锡纳米连接器线焊接到与接地引脚连接相同的一侧。由于每条线都映射到特定通道，因此请查阅放大器头级的通道映射图并映射通道。
将所有电线焊接到各自的引脚后，剪掉所有未使用的电线。然后，使用电压表确保每个引脚与其他引脚电气隔离。确认电气隔离后，在每个焊点周围涂上一层薄薄的指甲油，以进一步绝缘每个引脚。
然后，使用两部分环氧树脂，将匹配的纳米适配器加固到公-公积木上的双侧引脚阵列。适配器的内侧部分不能有任何多余的环氧树脂，因为这会阻止头件同时插入。为了提高耐用性，请在 nano 连接器的底座上涂上环氧树脂。
确保用环氧树脂覆盖所有焊接点。环氧树脂干燥后，使用阻抗测量确认通道映射。在牢固设置鼠标并将前囟定义为立体定位坐标系的原点后，在内侧轴和前后轴上调平头骨。
然后，使用直径为 0.5 毫米的微型钻头，在距中线 1 毫米处钻出相距 1.3 毫米的毛刺孔，从前囟前 3.3 毫米开始，到前囟后 4.5 毫米结束。在双侧做两行。接下来，在中线两侧钻出相距 1.3 毫米的毛刺孔，从前囟前 2 毫米开始，到前囟后 4.5 毫米结束。
现在，植入头饰。用直镊子，为胸椎肌电图线准备肌电图线隧道。从鼠标背面，在皮肤下方 2.5 厘米处挖隧道，然后将 EMG 线放入空腔中。
接下来，用弯曲的镊子纵脑电图砖，使销钉与毛刺孔对齐。轻轻按压并将针子扭动到颅骨中。正确插入后，脑电图将保持稳定。
接下来，将 EMG 线调整到最终位置。放置到位后，制备甲基丙烯酸甲酯与其交联化合物的一对一混合物。然后，用水泥覆盖裸露的颅骨、针电极的指甲抛光部分和 EMG 线的近端部分。
不要盖住头饰的女性容器或将任何水泥沾入动物的皮毛。水泥干燥后，安装过程完成。从立体定位框架上取下鼠标，让它恢复，同时监测生命体征。
手术后两周，可以通过适配器将完全康复的小鼠拴在记录电缆上以进行习惯化。小鼠习惯后，可以用于实验。通过适配器、放大器和标准接口电缆将鼠标连接到采集板后，打开 Open E-Fizz 录制软件。
其中，通过将 modules 拖到 signal chain中，创建一个 rhythm FPGA 和 LFP viewer 的 signal chain。接下来，获得每秒 30.0 KB 样本的电极阻抗值。然后选择所需的采样率进行录制。
如果需要，也可以将 Filters 拖到 signal chain 中。继续选择数据的保存路径和所需的采样率。然后单击 LFP 查看器窗口并按下播放按钮。
现在，使用 draw 方法可视化 EEG，通过更改信号幅度、扫描速度和正在使用的任何滤波器的设置来调整视图。调整完所有设置后，开始录制。数据是从植入了高密度 EEG 头件的自由移动的小鼠中收集的。
胸部肌电图记录包含源自心脏的嵌入式电活动。颈椎肌电图包含有关肌张力的信息。各个 EEG 波形对应于通道映射方案。
通过此记录，可以通过测量心电图 QRS 尖峰之间的时间来计算鼠标的心率。同样，可以通过计算 QRS 尖峰在每次呼吸时胸腔扩张和收缩时的相位变异性来测量小鼠的呼吸频率。因此，这种设置允许获取小鼠多导睡眠图。
这种设置实现了视觉诱发电位的皮层映射。当 10 毫秒的光脉冲仅传递到左眼时，经典反应记录在对侧初级视觉皮层中，然后是对侧次级视觉皮层的延迟反应。这在对侧 V1 和 V2 的整个皮质表面的时变电势中很容易看出。看完这个视频，你应该对如何为啮齿动物模型构建高密度微电极阵列，并从植入的阵列中进行记录有了很好的了解。
一旦掌握，如果作得当，该技术的构建和植入部分可以在两个小时内完成。在尝试此程序时，重要的是要记住在不穿透硬脑膜的情况下建立适当的硬膜外电极接触。针脚修剪和植入头件时的注意力，将为合适的电极接触创造最佳机会。
祝你好运！
概述
本文介绍了一种低成本的方法，用于构建和手术植入小鼠的慢性经颅高密度脑电图装置。它详细说明了信号记录、提取和处理的技术。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 神经生物学
背景
- 了解神经元网络的大规模组织。
- 研究感官诱发反应的空间和时间特征。
- 在麻醉学、癫痫和睡眠神经生物学中的应用。
- 低成本和可重复方法在研究中的重要性。
研究目的
- 为小鼠脑电图研究提供一种经济有效的协议。
- 便于根据具体实验需求进行定制。
- 增强对复杂脑电图数据的理解。
使用的方法
- 使用绝缘针构建高密度电极阵列。
- 在小鼠中植入电极阵列的手术技术。
- 脑电图和肌电图信号的记录和处理方法。
- 电气隔离和阻抗测量的验证。
主要结果
- 成功在小鼠中植入电极阵列。
- 证明了该方法的可重复性和易用性。
- 获得了神经元网络组织的见解。
- 在各个神经科学领域的潜在应用。
结论
- 所描述的方法为慢性脑电图研究提供了一种可行的替代方案。
- 它支持神经科学中关键问题的研究。
- 未来的研究可以利用这种低成本的方法进行多样化的应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
High-density electroencephalographic (EEG) acquisition in rodent models enables advanced interrogation of neuronal network organization and sensory processing, supporting early-stage target validation and mechanistic de-risking in CNS drug discovery. The described low-cost, open-source methodology increases accessibility and reproducibility for preclinical teams, facilitating robust quantitative data collection in freely moving animals. This capability strengthens predictive confidence at key inflection points in neuroscience-focused R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables high-resolution mapping of neuronal activity for functional target validation.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying spatial and temporal features of network responses.
- Facilitates hypothesis-driven interrogation of CNS pathways relevant to disease models.
Screening & Assay Development
- Provides validated, reproducible EEG and EMG signals for downstream assay development.
- Standardizes electrode placement and signal acquisition for cross-study comparability.
- Delivers quantitative outputs suitable for compound screening in neuroactive pipelines.
Translational & Preclinical Research
- Enables polysomnography and cortical mapping in freely moving rodents for translational biomarker alignment.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation in CNS and sleep disorder models.
- Reduces biological risk by providing robust, longitudinal neural data in small animal systems.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum, supporting early mechanistic studies, lead identification, and translational research in neuroscience portfolios.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification via high-density neural recordings.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative EEG/EMG data for assay readiness and compound evaluation.
- Analytics: Enables measurement of heart rate, respiratory rate, and cortical responses for comparative analysis.
- Translational Research: Aligns rodent neural readouts with human-relevant biomarkers in sleep and epilepsy research.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, customizable platform for repeated studies across CNS research programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in CNS target validation.
- Operational Value: Promotes standardization, reproducibility, and cost efficiency in neural data acquisition.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital allocation in neuroscience portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of CNS and sleep disorder assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rodent surgery and stereotaxic implantation techniques.
- Needs access to electrophysiology instrumentation and open-source acquisition software.
- Demands rigorous cross-team standardization of electrode mapping and signal processing.
- Adaptable to both mice and rats, with protocol modifications for skull size and electrode density.
- Practical limitations include the need for careful electrode placement to avoid tissue damage and ensure signal quality.
