Methodenartikel

Visuelle evozierte möglichen Aufnahmen bei Mäusen mit einer trockenen nichtinvasive Mehrkanal Scalp EEG Sensor

DOI:

10.3791/56927

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12. Januar 2018

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1Department of Biomedical Science and Engineering (BMSE), Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 2School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 3School of Mechanical Engineering (SME), Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Wir entwarfen einen trocken-Typ 16-Kanal EEG Sensor, der nicht-invasiven, verformbar und wiederverwendbar ist. Dieses Whitepaper beschreibt den gesamten Prozess von der Herstellung der geplante EEG-Elektrode zur Signalverarbeitung von visuell evozierten Potentiale (VEP) Signale auf eine Maus Kopfhaut mit einem trockenen nichtinvasive Multi-Kanal EEG Sensor gemessen.

Zusammenfassung

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Wir haben für Kopfhaut EEG Forschungsumgebungen mit Labormäusen entwickelt einen trocken-Typ 16-Kanal EEG Sensor ist nicht-invasiv, verformbar und wiederverwendbar wegen der strukturellen Facette Kolben Federhaus und mechanische Festigkeiten aus Metall Materialien. Der gesamte Prozess für den Erwerb der VEP Antworten in Vivo von einer Maus besteht aus vier Schritten: (1) Sensor-Baugruppe, (2) tierische Vorbereitung und (3) VEP-Messung (4) Signalverarbeitung. Dieser Beitrag stellt repräsentative Messungen der VEP Antworten von mehrere Mäuse mit einer Submicro Spannungssignal Auflösung und Sub-hundert Millisekunden Zeitauflösung. Obwohl die vorgeschlagene Methode sicherer und komfortabler ist im Vergleich zu anderen tierische EEG übernehmende Methoden bereits berichtet, gibt es noch Themen wie wie das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und wie Sie diese Technik mit frei beweglichen Tieren anwenden. Die vorgeschlagene Methode leicht verfügbare Ressourcen nutzt und zeigt eine sich wiederholende VEP-Antwort mit einem zufrieden stellenden Signalqualität. Daher könnte diese Methode für experimentelle Längsschnittstudien und zuverlässige translationale Forschung Nutzung nicht-invasive Paradigmen verwendet werden.

Einleitung

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Als die Zahl der Patienten mit senile degenerativen Hirnerkrankungen wie Schlaganfall, Demenz, Alzheimer und Parkinson-Syndrome mit einer alternden Bevölkerung und eine steigende Lebenserwartung gestiegen hat die langfristige gesellschaftliche Belastung dieser Krankheiten 1,2,3erhöht. Darüber hinaus werden die meisten Entwicklungsstörungen Krankheiten wie Schizophrenie und Autismus, von kognitiven und Verhaltensstörungen begleitet, die ein Patient ganzes Leben2,3,4beeinflussen. Aus diesem Grund kämpfen Forscher, Diagnose, Prävention, pathologische Verständnis, Langzeit-Beobachtung und Behandlung von Erkrankungen des Gehirns zu verbessern. Probleme bleiben jedoch aus Komplexität und unrevealed Krankheit Krankheiten des Gehirns. Translationaler Forschung möglicherweise ein viel versprechendes Instrument zur Identifizierung von Lösungen, da es, die Übertragung der Grundlagenforschung in klinische Anwendungen innerhalb eines kürzeren Zeitraums, zu niedrigeren Kosten und mit einer höheren Erfolgsquote in Neurowissenschaften Felder5 ermöglicht ,6,7. Ein weiteres Ziel der translationalen Forschung soll Anwendbarkeit an Probanden, zu prüfen, die nicht-invasive experimentelle Ansätze bei Tieren erfordert, die Vergleiche mit der gleichen Methode für den Menschen. Diese Bedingungen führten zu mehreren erheblicher Bedarf für die Entwicklung der nicht-invasiven Tier Zubereitungsmethoden. Eine Methode ist die Elektroenzephalographie (EEG), welche zeigt kortikalen Gehirn Konnektivität und Aktivität zweidimensional mit hoher zeitlicher Auflösung, und welche Vorteile aus einer nicht-invasiven Protokoll. Die veranstaltungsbezogenen mögliche Aufnahme (ERP) ist eine der typischen experimentellen Paradigmen, die EEG zu nutzen.

Zahlreiche frühere Studien beschäftigte nichtinvasive EEG Methoden für targeting Menschen Themen, während invasive Methoden, wie z. B. Implantat-Schrauben und Pol Art Elektroden, wurden verwendet in tierexperimentellen Studien8,9,10 , 11 , 12. die Signalqualität und Merkmale dieser Methoden auf die Invasivität der Sensor Platzierung deutlich angewiesen sind. Für die erfolgreiche translationale Forschung, Garner betonte, mit den gleichen Bedingungen für Tier-Studie für Humanforschung13verwendet. Für die Grundlagenforschung, die Verwendung von Tieren sind nicht-invasive EEG Methoden jedoch nicht weit verbreitet. Ein neuer Ansatz mit einem nicht-invasive Scalp EEG Sensorsystem mit Schwerpunkt auf Labormäusen wäre ein zuverlässiges und effizientes Werkzeug für die translationale Forschung, die für den Menschen, als auch auf die nicht-invasive Paradigmen angewendet werden können.

Zahlreiche Studien an Mäusen EEG führte der Weg durch die Kommerzialisierung PCB (Printed Circuit Board) basierte Mehrkanal Elektroden14,15,16. Obwohl sie eine invasive Methode angenommen, hatte sie eine begrenzte Anzahl von Kanälen (3-8), wodurch es schwieriger, große Gehirn Dynamik zu beobachten. Darüber hinaus können Anwendungen durch ihre Invasivität und die hohen Kosten beschränkt werden. In einer anderen Studie die KIST (Korea Institute of Science and Technology) entwickelt eine 40 Kanal Polyimid-basierte Dünnschicht-Elektrode und befestigte es an einer Maus Schädel17,18,19,20 . Diese Arbeit hat die höchste Zahl der Maus EEG-Kanäle erworben. Es war jedoch mechanisch schwach und nicht leicht zu verwenden; Daher war es ungeeignet für Langzeitbeobachtungen, führt zu einem geschwächten Signal, möglicherweise durch eine Immunreaktion verursacht. Unterdessen erworbene Troncoso und Mégevand ein sensorisch evozierten Potentiale (SEP) auf Nagetiere Schädel mit zweiunddreißig Edelstahl-Elektroden gesichert durch eine perforierte Poly(methyl methacrylate) (PMMA, Acrylglas) Raster21,22 , 23. trotz ihrer hohen Signalqualität waren die Elektroden mechanisch flexible und zart; Daher hatten sie Schwierigkeiten, die auf mehrere Experimente angewendet wird. Darüber hinaus wurde diese Methode immer noch minimal-invasive. Obwohl diese Methoden bieten gute Signalqualität, die Fläche von einer Maus Schädel ist begrenzt, daher ist die Anzahl der Elektroden über eine Edelstahl-polig-Elektrode eingeschränkt. Eine Reihe von früheren EEG-Studien für Mäuse zeigten mehrere Einschränkungen. In der vorliegenden Studie zeigen wir eine neue Methode zur Messung von EEG in der präklinischen translationale Forschung mit einem nicht-invasive trocken-Typ Multi-Kanal-Sensor anwendbar.

Um die Grenzen der bisherigen tierischen EEG Methoden, zu überwinden, die die innere Komplexität der tierischen Vorbereitung, Invasivität, hohe Kosten, Verschwendung und schwache mechanische Festigkeit enthalten, haben wir versucht, eine neue Elektrode zu entwickeln, die Exponate Flexibilität, trockene Art Status, Multi-Channel-Funktionen, nicht-Invasivität und Wiederverwendbarkeit. In das folgende Protokoll beschreiben wir den Prozess der visuellen evozierte Potenzial (VEP) Aufnahmen auf eine Maus Kopfhaut mit einem trockenen, nicht-invasive, Multi-Kanal EEG Sensor messen. Diese Methode nutzt leicht verfügbare Ressourcen, daher senkt die Eintrittsbarriere in Tierversuchen im Bereich Biomedical Engineering.

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Protokoll

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Tierbetreuung und Handhabung folgten die institutionellen Richtlinie von Gwangju Institute of Science und Technology (GIST).

Hinweis: Das Verfahren für den Erwerb von den VEP-Signal von einer Maus in Vivo besteht aus vier Schritten: (1) Sensor-Baugruppe, (2) tierische Vorbereitung und (3) VEP-Messung (4) Signalverarbeitung.

1. Sensor-Baugruppe

  1. Eine nicht-invasive Elektrode 16 Pins vorbereiten.
    Hinweis: Jede Pin-Typ-Elektrode besteht aus drei Teilen: einem Sonde Kopf Kolben, eine interne Feder und ein Fass wie in Figur 1adargestellt. Die Länge der einzelnen Pins beträgt 13 mm, und die verstellbare Feder-Vorspannung beträgt 1 mm.
  2. Schneiden Sie zwei Stücke von Glassubstraten Faser (Dicke: 1,5 mm) mit der Größe von 15 mm × 17 mm (Breite × Höhe).
    Hinweis: Die nichtleitenden Fiberglas Substrat dient als Isolator, trennt die mehrere Signale gleichzeitig von der Maus Kopfhaut erworben.
  3. Sechzehn Löcher machen mit 1,2 mm Durchmesser verwenden ein Präzisions-Graviermaschine, wie in Abbildung 1 cgezeigt.
    1. Die Koordination der Sonde gleichmäßig im Abstand von 2 mm auf das flache Substrat verteilt: + 7/0, + 2 + /-2, 2/0, + 2 / + 2, 0 /-4, 0 /-2, 0/0 (Bregma), 0 / + 2, 0 / + 4,-2 /-3,-2 /-1,-2 / + 1,-2 / + 3,-4 /-2,-4/0 ,-4 / + 2 (Anteroposterior/Lateral mit Grundlage der Bregma, in mm)24,25,26.
  4. Stapeln Sie zwei Substrate und Tropfen Sie ein schnell wirkendes Klebstoff Leim zwischen Substrat Schichten, produzieren eine Doppelschicht von 3 mm Dicke unterstützen sechzehn stabilere und parallele Elektroden während der Signalerfassung.
  5. Die sechzehn Elektroden auf das Substrat eins nach dem anderen manuell zusammenzubauen.
    Hinweis: Die kleineren Lochdurchmesser stoppt jede Elektrode auf die gleiche Länge. Jeder Durchmesser ist etwas kleiner als die dicksten Durchmesser eines Fasses innerhalb der einzelnen Pin (1,3 mm) ermöglicht die enge Befestigung der Elektroden ohne jede Lockerung.
  6. Löten und jede Elektrode Endung Lot-Cup Teil mit dem Touch-Beweis-Anschluss zu verbinden.
  7. Bedecken Sie und verstecken Sie die nackte Kreuzungen mit Hitze-Schrumpf-Schläuche zur elektrischen Isolation.

2. tierische Vorbereitung

  1. Die Maus mit einer intraperitonealen (i.p.) Injektion von Ketamine:xylazine 100:10 zu betäuben (100 mg / mL:10 mg/mL) Mischung mit der Menge von 10 µL/g Körpergewicht.
    Hinweis: Überprüfen Sie, dass das Tier Anästhesie ausreicht durch ziehen ein Bein oder Optimierungen der Schweif vor Beginn der Vorbereitung.
  2. Gelten Sie Augensalbe um die Maus Hornhaut mit einem Wattestäbchen feucht zu halten.
  3. Entfernen Sie die Haare um den Kopf und Schultern mit einem Haarschneider verbreiten Sie im Handel erhältlichen Enthaarungscreme zu und bewahren Sie es auf diesem Gebiet für 3-4 min.
  4. Entfernen Sie die angewandte Enthaarungsmittel mit einem Spachtel zu, und wischen Sie dann den Rest mit Feuchttücher Anwendung Wasser mehrmals.

(3) VEP-Messung

Hinweis: Die gesamte VEP Messvorgang fand in einem dunklen Faraday-Käfig (breite × Tiefe × Höhe: 61 × 61 × 60 cm).

  1. Montieren Sie die Maus-Kopf auf der stereotaktischen Rahmen indem Ohr Bars in der Maus Gehörgänge und festziehen genau an der Stelle.
  2. Montieren Sie den Sensor in den maßgeschneiderten Elektrodenhalter (Abbildung 1 b) und fixieren Sie den Sensorhalter auf der stereotaktischen Rahmen, wie in Abbildung 1 dgezeigt.
  3. Suchen Sie den flexiblen EEG Sensor, unter Berücksichtigung der Referenzposition Elektrode und der Bregma Position27. Danach senken Sie sehr sorgfältig den Sensor in vertikaler Richtung, so dass die Elektrode angeordneten Kolben der Maus Kopfhaut gleichmäßig auf den gebogenen Rand kontaktieren.
    Hinweis: Der abgesenkte Abstand ist kleiner als 1 mm, was die einstellbare Länge des Kolbens ist.
  4. Kontrollieren, ob die Impedanzen innerhalb der Reichweite von 100 kΩ, 2 MΩ. Positionieren Sie die Elektrode, wenn Impedanzwert des Stiftes aus der Reihe28.
  5. Positionieren Sie den Foto-Stimulator 20 cm weg von der Maus Augen.
  6. Passen Sie vor Beginn des Experiments die Maus für 10 min in den dunklen Käfig für dunkle optische Anpassung.
    1. Legen Sie die Parameter der experimentelle Geräte wie folgt: Sampling-Frequenz: 500 Hz; Notch Filter: 60 Hz; Inter-Stimulus-Intervall: 10 s; Blitzdauer: 10 ms; Anzahl der Flash-Reize: 100 Studien/Thema.
      Hinweis: Das Blinken der LED ist ein weißes Licht LED-Beleuchtung die 550 ± 20 % lx mit einem Abstand von 20 cm hat.

(4) VEP Antworten Signalverarbeitung Verfahren

  1. Epoching
    1. Für serielle Daten kontinuierlich zu messen, zu extrahieren, jede Epoche um Single-Trial VEP Segmente aus der Zeit vor Stimulus (-300 ms) auf die Zeit nach dem Stimulus (600 ms), basierend auf der Flash-Impuls-Ausbruch zu erstellen.
      Hinweis: Da wir immer wieder Flash-Stimulation bieten mehr als 100 Studien für jedes Fach, insgesamt 100 VEP Epochen für jede Maus werden in diesem Schritt extrahiert. EEG-Epoching ist ein Prozess, in dem bestimmte Zeitfenster aus der kontinuierlich gemessenen EEG-Signal-Daten extrahiert werden.
  2. Neu Referenz (durchschnittliche Referenz)
    1. Berechnen Sie den Durchschnitt der EEG-Signale über alle vierzehn Elektrode Kanäle zu jeder Zeit zeigen und dann subtrahieren den gemittelten Wert von jedem Kanal. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle Epochen der VEP.
  3. Führen Sie Bandpass-Filterung des Signals von ~ 1-100 Hz über eine endliche Impulsantwort (FIR) filtern.
  4. Basislinienkorrektur
    1. Berechnen Sie den Mittelwert der EEG-Signale in der Pre-Reiz-Periode (Basisperiode,-300 ~ 0 ms) für jeden Kanal, dann subtrahieren dieser Durchschnittswert von jedem Punkt in der Wellenform (-300 ~ 600 ms). Dadurch wird die Amplitude Achse des VEP Reaktionen auf die Beobachtung der Gehirnwelle Änderungen nach der Stimulation zu erleichtern. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle von den VEP-Epochen.
  5. Grand VEP Antworten
    1. Durchschnittlich durchschnittlich Single-Trial VEP Epochen erstelle ich ein-Fach VEP Wellenformen für jeden Kanal. Dann berechnen Sie den grand Ensemble Mittelwert der VEP Antworten für jeden Kanal in Bezug auf alle Themen.

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Ergebnisse

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Wir berechnen den Ensemble-Durchschnitt der VEP Antworten von elf Mäuse wie in Abbildung 2dargestellt. Dieses Ergebnis zeigt die VEP-Antworten, die durch dieses Experiment aus der Pre-Stimulationsdauer (-300 ms), die Post-Stimulationsdauer (600 ms), da die Stimulation am Zeitpunkt 0 s gegeben ist. Es fällt auf, dass das Signal nur für eine Weile schwankt (weniger als 300 ms) nach der Stimulation, während das Signal stetig im Laufe der Zeit während der Post-St...

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Diskussion

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Zunächst konzentrieren wir auf die Gestaltung des Sensors, Priorisierung der Zweckmäßigkeit durch komplexe chirurgische Eingriffe zu minimieren. Die verformbare EEG Sensor besteht aus sechzehn Stifte: vierzehn für Aufnahme, für Boden, und die letzte für Elektroden zu verweisen. Jede Elektrode hat der Kolben Federhaus-Struktur, die Verformbarkeit auf der Elektrodenkontaktfläche gilt, so dass sie homogen und beständig Signalerfassung aus gebogenen und zarte Maus Kopfhaut erleichtern. Wenn man bedenkt das Wohlergehen der Ti...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde teilweise von GIST Research Institute (GRI), die GIST-Caltech Zusammenarbeit Forschungsprojekt über ein Stipendium zur Verfügung gestellt von GIST im Jahr 2017 unterstützt. Auch unterstützt durch Forschungsstipendium (NRF-2016R1A2B4015381) der National Research Foundation (NRF) von der koreanischen Regierung (MEST) und von KBRI Grundlagenforschung Programm durch Korea Institut für Hirnforschung gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunft finanziert Planung (17-BR-04).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Ketamin 50 Inj. (Fläschchen)Yuhan-KetaminHCl 57,68 mg
Zoletil 50 Inj.Virbac-Tiletamina 125 mg/ Zolazepam 125 mg
Rompun 2% Inj.BAYER-Xylazinhydrochlorid 23,32 mg/ml
Hycell-Lösung 2%20 mg
Puralube Vet Salbe 3,5 mgPharmaderm-Kochsalzlösung
Inj.  JW Pharmazie -NaCl 9 g/1000 mL
Veet Haarentfernungscreme – Beine & Körper - Empfindliche HautReckitt Benckiser-Enthaarungshäute
- Chirurgischer HautmarkerSurgmedS-3000STERILE - Multi-Tip Feinmarker mit Lineal und Etikettenset
Mikrospatel aus EdelstahlHEATHROW SCIENTIFICHS15907  Ein rundes flaches Ende, 2L x 5/16W"
Cotton Swap
Stereotaktisch, Desktop Digi SingleRWD Life Science68025
MausadapterRWD Life Science68010
Ohrbügel für Maus Non-RuptureRWD Life Science68306
Mitsar-EEG 202-24 MITSAR-Verstärker
EEGStudio EEG-ErfassungssoftwareMITSAR
Weißer Blitzstimulator MITSARMITSAR Flash-Stimulator
BCI2000 SoftwareSchalk lab
g.USBampg.tec0216
g.Power-g.USBampg.tec0247
  441 Stil gerader Körper Berührungsfester SteckverbinderKunststoffOne441000PSW080001441 - 000 PSW 80" (SCHWARZ)
StandardsondeLEENOSK100CSWhttp://www.globalinterpark.com/detail/detail?prdNo=2114277241&dispNo=001851006012
Präzisionsgravur WerkzeugmaschinenTINYROBOTinyCNC-6060C
Hitze Schirink3MFP301
Samil-Hydroxypropylmethylcellulose

Referenzen

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