Aufzeichnung der Muskelaktivität der Vordergliedmaßen bei Mäusen mit fixiertem Kopf mit chronisch implantierten EMG-Elektroden
29. März 2024
Dieses Protokoll beschreibt die manuelle Herstellung und chirurgische Implantation von elektromyographischen (EMG) Elektroden in die Vordergliedmaßenmuskulatur von Mäusen, um die Muskelaktivität während kopffixierter Verhaltensexperimente aufzuzeichnen.
Ich interessiere mich dafür, wie Teile des motorischen Kortex der Maus, der als primärer und sekundärer motorischer Kortex bezeichnet wird, miteinander interagieren, um die Muskelaktivität bei verschiedenen Arten von Bewegungen zu beeinflussen. Wir wissen also, dass sowohl der primäre als auch der sekundäre motorische Kortex zum Rückenmark projizieren, aber es ist unklar, wie sie die Bewegung unterschiedlich beeinflussen. Also verwende ich dieses Protokoll, um die Auswirkungen der Inaktivierung des primären und sekundären motorischen Kortex auf die Muskelaktivität der Vordergliedmaßen während der Bewegung zu vergleichen und zu verstehen, wie sie die Bewegung unterschiedlich steuern.
Die Verwendung des EMG der Vordergliedmaßenmuskulatur hat es uns ermöglicht, den Einfluss der optogenetischen Inaktivierung verschiedener Regionen des motorischen Systems auf die motorische Leistung zu messen. Zum Beispiel konnten wir zeigen, dass der direkte motorische kortikale Einfluss auf die Muskeln spezifisch für bestimmte motorische Verhaltensweisen und bestimmte Muskelaktivitätszustände während dieser Verhaltensweisen ist. Neue großflächige Multi-Elektroden-Arrays wie Neuropixels ermöglichen es uns nun, von großen neuronalen Populationen über mehrere Regionen des motorischen Systems hinweg gleichzeitig aufzuzeichnen.
Die Durchführung von EMG-Aufzeichnungen während dieser neuronalen Aufzeichnungen wird es uns ermöglichen zu charakterisieren, wie die Wechselwirkungen zwischen diesen Regionen des motorischen Systems vom Muskelaktivitätszustand abhängen.
Übersicht
Diese Studie beschreibt ein Protokoll zur manuellen Herstellung und chirurgischen Implantation elektromyographischer (EMG) Elektroden in den Vordergliedmuskeln von Mäusen. Ziel ist es, die Muskelaktivität während Verhaltensversuchen mit fixiertem Kopf zu erfassen, um die unterschiedliche Steuerung der Bewegung durch den primären und sekundären motorischen Kortex zu verstehen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Elektrophysiologie
- Verhaltensanalyse
Hintergrund
- Die Wechselwirkungen zwischen primärer und sekundärer motorischer Rinde beeinflussen die Muskelaktivität.
- Beide motorischen Areale projizieren auf das Rückenmark, doch ihr unterschiedlicher Einfluss auf die Bewegung ist unklar.
- Die Verwendung von EMG der Vordergliedmaßenmuskulatur ermöglicht Einblicke in die Muskelaktivität während verschiedener Bewegungen.
- Mehrelektroden-Arrays im großflächigen Maßstab erlauben die gleichzeitige Ableitung vieler Neuronen.
Zweck der Studie
- Untersuchung der Auswirkungen der Inaktivierung des primären und sekundären motorischen Kortex auf die Muskelaktivität der Vordergliedmaße.
- Bestimmung, wie diese Regionen die Bewegung in verschiedenen Zuständen der Muskelaktivität unterschiedlich steuern.
- Nutzung von EMG-Messungen in Kombination mit neuronalen Ableitungen, um die motorische Kontrolle besser zu verstehen.
Verwendete Methoden
- Das Protokoll umfasst sowohl die Herstellung von EMG-Elektroden als auch deren chirurgische Implantation bei Mäusen.
- Mäuse dienen als biologisches Modell zur Untersuchung der Muskelaktivität und der Wechselwirkungen des motorischen Kortex.
- Zu den Details gehören präzise chirurgische Techniken und Knotenbindemethoden für eine sichere Platzierung der Elektroden.
- Der Zeitplan enthält sorgfältige, schrittweise Anweisungen zur Vorbereitung und Implantation der Elektroden.
- Alle implantierten Elektroden waren funktionsfähig und erzeugten kurz nach der Implantation saubere EMG-Signale.
Hauptergebnisse
- Die Studie demonstriert erfolgreich die Funktionalität implantierten Elektroden bei der Aufzeichnung muskulärer Aktivität.
- Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der direkte Einfluss des motorischen Kortex auf die Muskulatur je nach motorischem Verhalten und muskulärem Zustand variiert.
- Die Leistungsfähigkeit der Elektroden wurde über die Zeit validiert, wobei einige Elektroden nach längerer Dauer ausfielen.
- Der Ansatz ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen motorischen kortikalen Arealen und muskulären Reaktionen.
Schlussfolgerungen
- Dieses Protokoll bietet eine zuverlässige Methode zur Aufzeichnung der Muskelaktivität, die für die Untersuchung der Mechanismen der motorischen Kontrolle unerlässlich ist.
- Obwohl die Multiomik-Analyse hier nicht anwendbar war, trägt die Arbeit zum Verständnis neuronaler Wechselwirkungen in der motorischen Kontrolle bei.
- Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf zukünftige Studien zur Plastizität motorischer Systeme und deren Rolle bei Bewegungsstörungen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die chronische Implantation von EMG-Elektroden bei fixierten Mäusen ermöglicht hochauflösende, longitudinale Messungen der Muskelaktivität während definierter Verhaltens- und neuronaler Eingriffe. Diese Fähigkeit unterstützt die mechanistische Entwicklungsrisikominderung und Zielstrukturvalidierung in der motorischen Systemforschung, indem sie die Untersuchung neuronaler Schaltkreise mit quantitativen motorischen Ausgabedaten verbindet. Die Methode erhöht die Vorhersagesicherheit für translative Neurowissenschaften und neuromuskuläre Zielstrukturen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die direkte Untersuchung der Funktion motorischer Schaltkreise und der beitragsbezogenen Aktivität einzelner Bahnen zur Muskelaktivität.
- Unterstützt die funktionelle Zielstrukturvalidierung, indem neuronale Störungen mit quantifizierbaren motorischen Ausgabewerten verknüpft werden.
- Erleichtert die mechanistische Risikominimierung, indem die Rollen des primären und sekundären motorischen Kortex bei der Bewegungssteuerung geklärt werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet ein validiertes System für reproduzierbare, quantitative EMG-Messungen in kleinen Tiermodellen.
- Ermöglicht die Standardisierung von Assays zur Bewertung neuraler Manipulationen und pharmakologischer Interventionen am motorischen Output.
- Unterstützt die Bewertung der Eignung von Wirkstoffen oder genetischen Werkzeugen, die auf neuromuskuläre Signalwege abzielen.
Translationale und präklinische Forschung
- Bringt präklinische Modelle mit krankheitsrelevanten motorischen Phänotypen und funktionellen Biomarkern in Übereinstimmung.
- Ermöglicht einen nahtlosen Übergang von der Entdeckung neuronaler Schaltkreise zu präklinischen Wirksamkeitsstudien bei Bewegungsstörungen.
- Unterstützt die risikoadjustierte Weiterentwicklung, indem robuste, quantitative Endpunkte für die motorische Funktion bereitgestellt werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese Methode integriert sich in den Übergang von der Entdeckung zur präklinischen Phase, indem sie eine hypothesengeleitete Untersuchung der Funktion neuronaler Schaltkreise und deren Einfluss auf die Muskelaktivität in vivo ermöglicht.
- Entdeckungsbiologie: Ermöglicht die Aufklärung von Signalwegen und die Überprüfung von Hypothesen durch neuronale Inaktivierung und EMG-Messung.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative Daten zur Muskelaktivität für den Vergleich zwischen verschiedenen Bedingungen.
- Analytik: Bietet EMG-Daten mit Millisekunden-Auflösung zur statistischen Analyse von Manipulationen des motorischen Systems.
- Translationale Forschung: Verbindet Erkenntnisse zu neuronalen Schaltkreisen mit funktionellen motorischen Endpunkten, die für präklinische Modelle relevant sind.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Plattform für vielfältige neuromuskuläre und neuropharmakologische Studien.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten in der Forschung zum motorischen System.
- Operativer Wert: Standardisiert die EMG-Aufzeichnung an kleinen Tiermodellen, um Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit zu gewährleisten.
- Strategischer Wert: Unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen, indem neuronale Interventionen mit funktionellen Ergebnissen verknüpft werden.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung neuromuskulärer Zielstrukturen und Interventionen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Chirurgie an Kleintieren und der Herstellung chronischer Elektroden.
- Benötigt Zugang zu elektrophysiologischer Messtechnik und Infrastruktur zur Datenanalyse.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Arbeitsgruppen hinweg für die Elektrodenplatzierung und die Kontrolle der Signalqualität voraus.
- Möglicherweise ist eine Anpassung für verschiedene Muskelgruppen oder Verhaltensparadigmen erforderlich.
- Langfristige Signalstabilität und Haltbarkeit der Elektroden stellen praktische Grenzen dar, die überwacht werden müssen.
