Name: 低成本脑电图记录系统结合毫米级线圈，在体内经颅刺激小鼠大脑 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-05-26T12:05:00.000+00:00
Duration: 5 min 26 s
Description: 了解低成本脑电图记录系统结合毫米级线圈在小鼠体内进行经颅磁刺激的方法。该技术可同步记录多部位脑电活动，帮助研究人员探索大脑兴奋性与神经连接机制。

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本工作由村田科学振兴财团、Suzuken纪念财团以及生物医学工程测量技术进步中谷财团资助，&#160;日本探索性研究资助（资助编号 21K19755）和科学研究资助（B）（资助编号 23H03416）授予 T.T.

Stimulating Mouse Brain with a Low-Cost EEG and Millimeter-Sized Coil

<ol><li>Ilmoniemi, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+responses+to+magnetic+stimulation+reveal+cortical+reactivity+and+connectivity%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroreport%22%5BJournal%5D)">Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity.</a> Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).</li>
<li>Hallett, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transcranial+magnetic+stimulation%3A+a+primer%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Transcranial magnetic stimulation: a primer.</a> Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).</li>
<li>Thut, G., Pascual-Leone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrating+TMS+with+EEG%3A+How+and+what+for%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Topography%22%5BJournal%5D)">Integrating TMS with EEG: How and what for.</a> Brain Topography. 22 (4), 215-218 (2010).</li>
<li>Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methodology+for+combined+TMS+and+EEG%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Topograpy%22%5BJournal%5D)">Methodology for combined TMS and EEG.</a> Brain Topograpy. 22 (4), 233-248 (2010).</li>
<li>Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Radhu, N., Fitzgerald, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+transcranial+magnetic+stimulation+and+electroencephalography%3A+its+past%2C+present+and+future%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Combined transcranial magnetic stimulation and electroencephalography: its past, present and future.</a> Brain Research. 1463, 93-107 (2012).</li>
<li>Tremblay, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Clinical+utility+and+prospective+of+TMS-EEG%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Clinical utility and prospective of TMS-EEG.</a> Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).</li>
<li>Pellicciari, M. C., Veniero, D., Miniussi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterizing+the+cortical+oscillatory+response+to+TMS+pulse%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Cellular+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Characterizing the cortical oscillatory response to TMS pulse.</a> Frontiers in Cellular Neuroscience. 11, 38(2017).</li>
<li>Lin, Y. J., Shukla, L., Dugue, L., Valero-Cabre, A., Carrasco, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transcranial+magnetic+stimulation+entrains+alpha+oscillatory+activity+in+occipital+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Transcranial magnetic stimulation entrains alpha oscillatory activity in occipital cortex.</a> Scientific Reports. 11 (1), 18562(2021).</li>
<li>Takahashi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laminar+responses+in+the+auditory+cortex+using+a+multielectrode+array+substrate+for+simultaneous+stimulation+and+recording%5BTitle%5D)+AND+%22IEEJ+Transactions+Electrical+and+Electronic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Laminar responses in the auditory cortex using a multielectrode array substrate for simultaneous stimulation and recording.</a> IEEJ Transactions Electrical and Electronic Engineering. 14 (2), 303-311 (2019).</li>
<li>Yoshikawa, T., Higuchi, H., Furukawa, R., Tateno, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temporal+and+spatial+profiles+of+evoked+activity+induced+by+magnetic+stimulation+using+millimeter-sized+coils+in+the+mouse+auditory+cortex+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Temporal and spatial profiles of evoked activity induced by magnetic stimulation using millimeter-sized coils in the mouse auditory cortex in vivo.</a> Brain Research. 1796, 148092(2022).</li>
<li>Tang, A. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Construction+and+evaluation+of+rodent-specific+rTMS+coils%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neural+Circuits%22%5BJournal%5D)">Construction and evaluation of rodent-specific rTMS coils.</a> Frontiers in Neural Circuits. 10, 47(2016).</li>
<li>Li, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+annealing+and+magnetic+treatment+parameters+to+achieve+high+permeabilities+in+55+Ni-Fe+toroid+cores%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Magnetics%22%5BJournal%5D)">Controlling annealing and magnetic treatment parameters to achieve high permeabilities in 55 Ni-Fe toroid cores.</a> IEEE Transactions on Magnetics. 37 (4), 2315-2317 (2001).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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制仍处于推测阶段。因此，从啮齿类动物到人类的侵入性转化研究对于阐明TMS对神经环路及其活动影响的机制至关重要。特别是对于动物中的TMS-EEG联合实验，目前尚未针对小型动物开发出成熟的同步刺激与测量系统，研究人员往往需要根据特定的实验需求通过反复试验自行构建此类系统。此外，小鼠模型在其他模型中具有重要优势 体内 动物物种模型，因为已有大量转基因和品系分离的小鼠品系作为生物资源可供使用。因此，建立一种适用于小鼠的经颅磁刺激-脑电图联合检测系统的方法，将为众多神经科学研究人员所期待。
本研究提出了一种可应用于小鼠脑部同步刺激与记录的经颅磁刺激-脑电图联合方法。小鼠是神经科学研究中最主要的转基因动物模型，该方法可在典型的神经科学实验室中便捷地构建。首先，介绍了一种低成本的脑电图记录系统，该系统采用常规螺钉电极和柔性基底，可在每次实验中可重复地固定电极阵列的位置。其次，利用毫米尺寸的线圈构建了磁刺激系统，该线圈可在普通实验室中方便地自行定制。第三，该经颅磁刺激-脑电图联合系统可记录大脑对声音和磁刺激所诱发的神经活动。本研究所述方法有助于揭示特定神经功能障碍在小型动物中的发生机制，并可将动物模型中的研究结果转化为对相应人类疾病的深入理解。

<table><tbody><tr><td>3D 打印机</td><td>Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd</td><td>FFD-101</td><td>用于 3D 打印环形圆盘的打印机</td></tr><tr><td>硫酸阿托品&amp;nbsp; 0.5 mg</td><td>NIPRO ES PHARMA CO., LTD.</td><td>-</td><td>硫酸阿托品</td></tr><tr><td>双极放大器</td><td>NF Corp.</td><td>KIT61380</td><td>用于放大线圈输入波形</td></tr><tr><td>布托啡诺</td><td>Meiji Seika Pharma&lt;br/&gt; Co., Ltd., Tokyo, Japan</td><td>-</td><td>用于动物麻醉</td></tr><tr><td>柔性二维阵列的商用制造商</td><td>p-ban.com Corp.</td><td>-</td><td>网址：https://www.p-ban.com/</td></tr><tr><td>用于分析输出信号的计算机程序</td><td>National Instruments</td><td>NI-DAQ 和&amp;nbsp; NI-DAQmx Python</td><td>用于分析霍尔效应传感器的输出信号</td></tr><tr><td>连接器</td><td>Harwin Inc.</td><td>G125-FV12005L0P</td><td>用于连接测量系统</td></tr><tr><td>铜垫</td><td>p-ban.com Corp.</td><td>copper</td><td>每个基板上的铜垫</td></tr><tr><td>铜线</td><td>Kyowa Harmonet Ltd.</td><td>P644432</td><td>线圈的绕组</td></tr><tr><td>DAQ 板</td><td>National Instruments Corp.</td><td>USB-6343</td><td>用于测量线圈的磁通密度</td></tr><tr><td>牙科水泥</td><td>SHOFU INC.</td><td>Quick Resin</td><td>自固化正畸树脂</td></tr><tr><td>皮层脑电图电极（ECoG 电极）</td><td>NeuroNexus Inc.</td><td>HC32</td><td>用于柔性二维阵列设计的参考</td></tr><tr><td>环氧树脂</td><td>Konishi Co. Ltd.</td><td>#16123</td><td>用于线圈构建</td></tr><tr><td>氨基甲酸乙酯</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp.</td><td>050-05821</td><td>用于乌拉坦麻醉</td></tr><tr><td>扁平带状电缆</td><td>Oki Electric Cable Co., Ltd.</td><td>FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m</td><td>用于连接表面贴装连接器与测量系统</td></tr><tr><td>柔性基底</td><td>p-ban.com Corp.</td><td>聚酰亚胺</td><td>柔性基底的基板</td></tr><tr><td>函数发生器</td><td>NF Corp.</td><td>WF1947</td><td>用于生成线圈输入波形</td></tr><tr><td>霍尔效应传感器</td><td>Honeywell International Inc.</td><td>SS94A2D</td><td>用于测量线圈的磁通密度</td></tr><tr><td>IDC 压接工具</td><td>Pro'sKit Industries Co.</td><td>6PK-214</td><td>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</td></tr><tr><td>瞬干胶</td><td>Konishi Co. Ltd.</td><td>#04612</td><td>用于线圈构建</td></tr><tr><td>绝缘位移连接器（IDC&amp;nbsp;）</td><td>Uxcell Japan</td><td>B07GDDG3XG</td><td>2 &amp;times; 10 针，1.27 mm 间距&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>LCR 测量仪</td><td>NF Corp.</td><td>ZM2376</td><td>用于测量线圈的交流特性</td></tr><tr><td>操纵器</td><td>NARISHIGE Group.</td><td>SM-15L</td><td>用于操控线圈</td></tr><tr><td>美托咪啶</td><td>Kobayashi Kako, Fukui, Japan</td><td>-</td><td>用于动物麻醉</td></tr><tr><td>咪达唑仑</td><td>Astellas Pharma, Tokyo, Japan</td><td>-</td><td>用于动物麻醉</td></tr><tr><td>微型螺钉</td><td>KOFUSEIBYO Co., Ltd.</td><td>S0.6*1.5</td><td>用于脑电图感知和参考电极</td></tr><tr><td>小鼠</td><td>Japan SLC, Inc.</td><td>C57BL/6J&amp;nbsp;(C57BL/6JJmsSlc)</td><td>实验动物</td></tr><tr><td>坡莫合金-45 棒</td><td>The Nilaco Corp.</td><td>780544</td><td>线圈的磁芯</td></tr><tr><td>记录系统</td><td>Plexon Inc.</td><td>OmniPlex</td><td>用于脑电数据采集</td></tr><tr><td>不锈钢丝</td><td>Wakisangyo Co., Ltd.</td><td>HW-136</td><td>用于被操纵器夹持</td></tr><tr><td>立体定位仪</td><td>NARISHIGE Group.</td><td>SR-5M-HT</td><td>用于固定小鼠头部</td></tr><tr><td>表面贴装连接器</td><td>Useconn Electronics Ltd.</td><td>PH127-2x10MG</td><td>用于安装在柔性二维阵列上的连接器</td></tr><tr><td>测试设备（LCR 测量仪）</td><td>NF Corp.</td><td>ZM2372</td><td>接触检查和阻抗测量</td></tr><tr><td>白色 PLA 丝材</td><td>Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd</td><td>PLA-F13</td><td>用于 3D 打印环形圆盘的材料</td></tr><tr><td>2% 利多卡因凝胶</td><td>Sandoz Pharma Co., Ltd.</td><td>-</td><td>盐酸利多卡因</td></tr></tbody></table>

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

Low-Cost Electroencephalographic Recording System Combined with a Millimeter-Sized Coil to Transcranially Stimulate the Mouse Brain In Vivo

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。

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。
<p ...

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。

一种低成本脑电图（EEG）记录系统被提出，用于驱动小鼠活体脑部经颅磁刺激（TMS），……

在神经科学领域，经颅磁刺激（TMS）和脑电图（EEG）记录常被用于增进我们对大脑功能的理解。由于TMS具有非侵入性特点，因而前景尤为广阔。将TMS与EEG记录相结合，可使研究人员探索不同脑区之间的兴奋性、连接性以及时空动态特性。本方案旨在为小型动物的经颅磁刺激-脑电图（TMS-EEG）实验建立一种同步刺激与测量系统。目前此类系统尚未得到充分开发，导致研究人员不得不根据各自独特的实验需求通过反复试验自行构建系统。这一易于调整的方法可在标准神经科学研究实验室中搭建，使研究人员更容易获取并具备更高的实用性。本研究的结果将推动对小型动物特定疾病机制的探索，这些动物是人类疾病研究的重要模型。此外，这些模型将增进对人类疾病状态的理解，并有助于指导开发更有效的治疗方法和干预措施。首先，使用腹腔麻醉的小鼠，并通过标准外科手术暴露颅骨。将固定在柔性基底背面二维电极阵列上的不锈钢杆连接至显微操作器。然后将柔性基底放置在暴露的颅骨上。调节阵列上的3号和14号通道位置，使其位于下丘范围内。用记号笔在颅骨上标记出第3、8、9和14通道位置的小圆圈，作为定位标志。接着，将颅骨表面干燥，以增强牙科水泥的附着性，并使柔性基底上的二维电极阵列与小鼠颅骨实现电学隔离。在颅骨表面涂抹约一毫米厚的牙科水泥，并静置约30分钟使其固化。将柔性基底与颅骨表面的小圆形标记对齐。然后将牙科钻头的尖端置于柔性基底的每个电极垫孔位置，小心地在颅骨上钻孔。使用螺丝刀将微型螺钉电极固定于颅骨的钻孔中。压接螺钉电极头部与电极垫，确保连接牢固。最后，使用LCR电桥等测试设备测量每个螺钉电极与连接器之间的电导率，以确认其电导性能。通过扁平带状电缆将柔性二维阵列连接至记录系统。然后将安装在线圈上的不锈钢杆连接至显微操作器。对于已麻醉并植入脑电图电极的小鼠，将线圈置于前囟上方，并调节线圈在头-尾方向上的位置，以确定位于下丘上方的焦点位置。接下来，通过连接双极电源和函数发生器，构建刺激系统。然后将线圈连接到系统。将电缆连接在函数发生器的输入端与数据采集系统的输出端之间，以便从数据采集系统向函数发生器施加触发信号。接下来，将数据采集系统连接到记录系统。准备一个合适的计算机程序，以通过触发信号启动刺激。确保需要记录刺激的时间戳。启动记录系统的采集过程，然后记录响应数据并开始刺激实验。每次刺激结束后，停止记录，所有记录的数据将自动保存。脑电图（EEG）波形是在8 kHz石声爆发和80分贝声压的声音刺激下记录的。记录来自靠近听觉皮层的通道的反应。观察到的波形在声音刺激后立即出现负向反应，随后在一定程度上呈现正向偏离基线的变化。同时记录了对右侧下丘附近区域进行磁刺激时产生的脑电图（EEG）波形。靠近听觉皮层的通道显示出随磁刺激强度增加而变化的反应，表现为诱发电位峰值幅度增大。

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