Name: Un sistema de medición de electromiografía portátil en tiempo real para animales pequeños (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-11-15T14:20:00.000+00:00
Duration: 5 min
Description: Aprende a medir EMG en animales pequeños mediante un sistema portátil inalámbrico con retroalimentación en tiempo real. Este método permite estudiar la recuperación locomotora en ratas modelo de ictus sin restricciones de movimiento.

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Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF-2020M3A9E4104385) y el Proyecto de Desarrollo de Dispositivos Nanomédicos del National Nano Fab Center (número de subvención: 1711160154).

La aprobación de todos los procedimientos y protocolos éticos y experimentales fue otorgada por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales bajo la Solicitud No. CGU1-2021-IA0041. En este estudio se utilizó una rata Sprague-Dawley macho de 7 semanas de edad. Los detalles de los reactivos y el equipo se enumeran en la Tabla de Materiales.
1. Preparación animal
<ol>
	<li>Prepare las ratas a la edad de 7 semanas. Por seguridad, aloje ratas de pesos similares juntas, con un máximo de tres ratas por jaula.</li>
	<li>Asegúrese de que las ratas se adapten sin estrés antes de la cirugía. Proporcione agua y alimentos de manera constante, y reemplace la ropa de cama periódicamente.</li>
	<li>Durante el período de adaptación (unos 7 días), entrene a los animales para que corran en una cinta de correr a una velocidad de 16-25 m/min durante 5 minutos cada día para ayudarles a aclimatarse a la cinta. 
	NOTA: Si una rata se detiene o se niega a moverse como se pretende, golpee suavemente sus nalgas para animarla.</li>
</ol>
2. Preparación de electrodos
<ol>
	<li>Prepare cinco alambres de acero inoxidable recubiertos con politetrafluoroetileno, cuatro de ellos de 140 mm de longitud y uno de 60 mm de longitud.</li>
	<li>Ate tres nudos simples en un alambre de 140 mm de largo, colocándolos a 40 mm y 100 mm en relación con el nudo (Figura 1A). 
	NOTA: Durante la inserción del electrodo de alambre en el músculo, puede ser un desafío garantizar un contacto preciso y mantener la parte expuesta del electrodo correctamente colocada. Para solucionar esto, se crea un nudo de bloqueo en el alambre para evitar una mayor inserción cuando se tira, lo que garantiza que el electrodo permanezca estable dentro del músculo.</li>
	<li>Para los cables de 140 mm, deje un espacio de 2 mm desde el nudo en el lado corto, luego retire parcialmente el aislamiento con un soldador durante 2 mm. Pele completamente el aislamiento desde el extremo del lado largo por 2 mm. Para los electrodos de 60 mm, retire completamente el aislamiento en un extremo en 2 mm y en el otro extremo en 10 mm (Figura 1). 
	NOTA: La punta del soldador debe limpiarse a fondo para evitar la contaminación.</li>
	<li>Fije el cable soldándolo al accesorio del conector después de quitar completamente el aislamiento (Figura 2B,C).</li>
	<li>Ensamble la parte metálica a la que está conectado el cable en la carcasa de plástico (Figura 2D,E).</li>
	<li>Conecte el conector a una guía de plástico impresa en 3D (consulte la Tabla de materiales) que incluye orificios para asegurarlo a la piel. Para evitar que la pieza soldada entre en contacto con el sitio de la incisión, aplique cianoacrilato biocompatible (Figura 2F).</li>
	<li>Corte una placa de níquel de 0,2 mm de grosor y dóblela para envolver el conector, protegiéndolo para evitar posibles daños por parte del animal.</li>
</ol>
3. Cirugía
<ol>
	<li>Coloque la rata en una cámara de inducción (fabricada a medida con una resina sintética transparente) y administre anestesia usando una mezcla de 70% de óxido nitroso y 30% de oxígeno, con una concentración de isoflurano de 2%-3%. Prepare el instrumental quirúrgico necesario (Figura 3).</li>
	<li>Retire el pelaje con un cortapelos eléctrico y prepare la piel con clorhexidina y alcohol para prevenir infecciones durante la cirugía (Figura 4A). </li>
	<li>Realizar una incisión de unos 10-15 mm con unas tijeras quirúrgicas sobre la piel donde se encuentra el músculo objetivo que se va a medir. Dado que la fascia se encuentra debajo de la piel y los músculos debajo de ella, primero use unas tijeras para cortar la piel, luego retire la fascia limpiándola suavemente con un paño limpio.</li>
	<li>Haga una incisión de 5-10 mm alrededor de la región lumbar donde se conectará el conector.</li>
	<li>Utilice trochar estéril para crear un pasaje debajo de la piel para que el cable pase desde el conector hasta la posición del músculo objetivo (Figura 4B).</li>
	<li>Pase el trochar desde la posición muscular, debajo de la piel, hacia el sitio de la incisión en el lado lumbar.</li>
	<li>Prepare el electrodo y el conector de la etapa anterior. Apriete los electrodos de alambre en el sitio de la incisión en el lado lumbar con las pinzas y tire de ellos con cuidado a través de la incisión en el músculo objetivo. Una vez que se haya extraído el alambre hasta la ubicación del músculo objetivo, consulte Figura 4C.</li>
	<li>Como se muestra en Figura 4D, utilice una aguja de sutura para penetrar el alambre del electrodo en el músculo objetivo. 
	NOTA: El músculo objetivo de este experimento es el gastrocnemio medial (MG), que es uno de los músculos clave para analizar las tareas motoras17. Dado que la longitud de la MG es de aproximadamente 18 mm en ratas de 7 semanas de edad, se deben colocar electrodos alrededor del centro del músculo, con un espaciado de aproximadamente 5 mm, para minimizar el daño muscular y garantizar mediciones precisas de EMG. Se recomienda que la longitud del alambre que penetra en el músculo supere los 5 mm para garantizar que la parte a la que se le ha quitado el aislamiento esté en buen contacto con el músculo.</li>
	<li>Guíe el alambre que ha pasado y salido del músculo de regreso a su punto de inserción y asegúrelo con un nudo simple. Corta el alambre restante (Figura 4E).</li>
	<li>Después de instalar el electrodo de alambre en el músculo objetivo, suturar el sitio de la incisión con una sutura de monofilamento 4-0.</li>
	<li>Suturar la incisión debajo del conector. Asegúrese de que todo el alambre esté insertado en el cuerpo y suturado de forma segura (Figura 5A).</li>
	<li>Fije el conector a la piel dorsal del animal con un hilo de sutura, como se muestra en Figura 5B. 
	NOTA: Asegúrese de que el protector esté bien sujeto para evitar que el animal muerda el conector. Para la analgesia, se administró carprofeno (5 mg/kg) por vía subcutánea.</li>
	<li>Una vez finalizada la operación quirúrgica, suspenda la anestesia y prepare una jaula para la recuperación del animal.</li>
	<li>Encienda una lámpara de calor para evitar que la temperatura corporal del animal baje y controle el sitio quirúrgico para detectar cualquier anomalía, como signos de infección, inflamación o hinchazón. Desinfecte bien el sitio de la incisión y aplique ungüento si es necesario. Una vez que la rata se haya recuperado de la anestesia, retire la lámpara de calor.</li>
	<li>Vigile el comportamiento de la rata, incluyendo el apetito, la bebida y la micción. 
	NOTA: Después de la cirugía, deje que el animal descanse durante unos 2 días antes de realizar cualquier prueba.</li>
</ol>
4. Diseño y fabricación de placas de circuito impreso (PCB)
<ol>
	<li>Diseñe el circuito para la medición y digitalización de EMG para incluir dos circuitos integrados (IC) de amplificador analógico y una unidad de microcontrolador (MCU). Asegúrese de que el amplificador tenga un ancho de banda de 5 a 740 Hz y una ganancia de 1300 V/V. 
	NOTA: Modifique la ganancia del amplificador y el ancho de banda de acuerdo con los requisitos específicos del animal si es necesario18.</li>
	<li>Incluye un módulo Bluetooth integrado en la MCU para la comunicación inalámbrica para transmitir los datos medidos al dispositivo host. Para este experimento se utilizó una antena de chip que funciona a 2,4 GHz.</li>
	<li>Utilice una batería Li-po recargable de 3,7 V junto con un circuito integrado de administración de energía dedicado para este estudio.</li>
	<li>Fabrica una placa de circuito impreso para los circuitos integrados anteriores en un sustrato FR4. Cree la PCB en varias formas para cumplir con requisitos específicos. Consulte la Figura complementaria 1, la Figura complementaria 2 y la Figura complementaria 3.</li>
	<li>Rellene los componentes electrónicos en la PCB soldando o usando una pistola de calor.</li>
</ol>
5. Configuración del software
<ol>
	<li>firmware
	<ol>
		<li>Prepare el firmware (archivo de codificación suplementario 1) para configurar un ADC de 2 canales con una resolución de 8 bits y una frecuencia de muestreo de 2 kSP. Formatee los datos convertidos digitalmente en una matriz y transmítalos a través de Bluetooth Low Energy (BLE) utilizando la herramienta de desarrollo de software designada.</li>
		<li>Cargue el firmware en la MCU antes de la implementación.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Programa de monitoreo en tiempo real
	<ol>
		<li>Prepare un programa para trazar los datos recibidos a través de BLE en tiempo real. Para este estudio, se desarrolla una aplicación de trazado basada en Python, que también almacena los datos brutos en una ubicación especificada (Supplemental Coding File 2). 
		NOTA: El sistema puede experimentar un retardo de búfer de muestreo de un máximo de 50 ms y un retardo de comunicación inalámbrica de aproximadamente 10 ms19,20.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Prueba de cinta de correr
<ol>
	<li>Conecte la batería al circuito preparado y conecte la PCB al conector, como se muestra en Figura 6A.</li>
	<li>Ejecute el programa de monitoreo en la PC y establezca la conectividad inalámbrica con el circuito PCB.</li>
	<li>Coloque la rata en la cinta de correr y controle la forma de onda EMG. Para este estudio, la cinta de correr se ajusta a una velocidad de 25 m/min (Figura 6B).</li>
</ol>
7. Análisis de datos
<ol>
	<li>Cargue los datos EMG almacenados en archivos . Formato CSV.</li>
	<li>Aplique métodos de procesamiento de señales para eliminar el ruido no deseado y las señales de interferencia. 
	NOTA: La detección de envolvente y el análisis espectral se pueden realizar más para analizar la fatiga muscular y la simetría en la actividad motora.</li>
</ol>

Wireless Intramuscular EMG System for Locomotion Studies in Stroke Model Rats

<ol><li>Farina, D., Enoka, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evolution+of+surface+electromyography%3A+From+muscle+electrophysiology+towards+neural+recording+and+interfacing%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electromyogr+Kinesiol%22%5BJournal%5D)">Evolution of surface electromyography: From muscle electrophysiology towards neural recording and interfacing.</a> J Electromyogr Kinesiol. 71, 102796(2023).</li>
<li>Kim, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+wearable+ECG+monitoring+system+using+microneedle+electrodes+for+small+animals%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sens+J%22%5BJournal%5D)">A wearable ECG monitoring system using microneedle electrodes for small animals.</a> IEEE Sens J. 23 (18), 21873-21881 (2023).</li>
<li>Kristl, A. C., Akay, T., Miri, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recording+forelimb+muscle+activity+in+head-fixed+mice+with+chronically+implanted+EMG+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Recording forelimb muscle activity in head-fixed mice with chronically implanted EMG electrodes.</a> J Vis Exp. 205, e66584(2024).</li>
<li>Manuel, M., Chardon, M., Tysseling, V., Heckman, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling+of+motor+output%2C+from+mouse+to+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Physiology%22%5BJournal%5D)">Scaling of motor output, from mouse to humans.</a> Physiology. 34 (1), 5-13 (2019).</li>
<li>Scholle, H. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+surface+EMG+multi-electrode+technique+for+characterizing+muscle+activation+patterns+in+mice+during+treadmill+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A surface EMG multi-electrode technique for characterizing muscle activation patterns in mice during treadmill locomotion.</a> J Neurosci Methods. 146 (2), 174-182 (2005).</li>
<li>Tysseling, V. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+evaluation+of+a+chronic+EMG+multichannel+detection+system+for+long-term+recordings+of+hindlimb+muscles+in+behaving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electromyogr+Kinesiol%22%5BJournal%5D)">Design and evaluation of a chronic EMG multichannel detection system for long-term recordings of hindlimb muscles in behaving mice.</a> J Electromyogr Kinesiol. 23 (3), 531-539 (2013).</li>
<li>Shafer, B., Welle, C., Vasudevan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+rat+model+for+assessing+the+long-term+safety+and+performance+of+peripheral+nerve+electrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A rat model for assessing the long-term safety and performance of peripheral nerve electrode arrays.</a> J Neurosci Methods. 328, 108437(2019).</li>
<li>Teruya, P. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantifying+muscle+alterations+in+a+Parkinson%27s+disease+animal+model+using+electromyographic+biomarkers%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Biol+Eng+Comput%22%5BJournal%5D)">Quantifying muscle alterations in a Parkinson's disease animal model using electromyographic biomarkers.</a> Med Biol Eng Comput. 59 (9), 1735-1749 (2021).</li>
<li>Kloefkorn, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+three-state+sleep-wake+staging+in+mice+using+electric+field+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Non-invasive three-state sleep-wake staging in mice using electric field sensors.</a> J Neurosci Methods. 344, 108834(2020).</li>
<li>Jensen, V. N., Romer, S. H., Turner, S. M., Crone, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Repeated+measurement+of+respiratory+muscle+activity+and+ventilation+in+mouse+models+of+neuromuscular+disease%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Repeated measurement of respiratory muscle activity and ventilation in mouse models of neuromuscular disease.</a> J Vis Exp. (122), e55599(2017).</li>
<li>Zealear, D., Li, Y., Huang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+implantable+system+for+chronic+in+vivo+electromyography%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">An implantable system for chronic in vivo electromyography.</a> J Vis Exp. (158), e60345(2020).</li>
<li>Shon, A., Brakel, K., Hook, M., Park, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+implantable+plantar+cutaneous+augmentation+system+for+rats+using+closed-loop+electrical+nerve+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Biomed+Circuits+Syst%22%5BJournal%5D)">Fully implantable plantar cutaneous augmentation system for rats using closed-loop electrical nerve stimulation.</a> IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 15 (2), 326-338 (2021).</li>
<li>Ouyang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+wireless+and+battery-less+implant+for+multimodal+closed-loop+neuromodulation+in+small+animals%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">A wireless and battery-less implant for multimodal closed-loop neuromodulation in small animals.</a> Nat Biomed Eng. 7 (10), 1252-1269 (2023).</li>
<li>Zhou, Y., Liu, C., Huang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wireless+power+transfer+for+implanted+medical+applications%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Energies%22%5BJournal%5D)">Wireless power transfer for implanted medical applications: A review.</a> Energies. 13 (11), 2837(2020).</li>
<li>Zymantiene, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+electromagnetic+field+exposure+on+mouse+brain+morphological+and+histopathological+profiling%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vet+Res%22%5BJournal%5D)">Effect of electromagnetic field exposure on mouse brain morphological and histopathological profiling.</a> J Vet Res. 64 (2), 319-324 (2020).</li>
<li>Ebrahim, S., Azab, A., Albasha, M., Albishti, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+biological+effects+of+electromagnetic+fields+on+human+and+experimental+animals%5BTitle%5D)+AND+%22Int+Res+J+Nat+Appl+Sci%22%5BJournal%5D)">The biological effects of electromagnetic fields on human and experimental animals.</a> Int Res J Nat Appl Sci. 3, 106-121 (2016).</li>
<li>Wakeling, J. M., Tijs, C., Konow, N., Biewener, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+muscle+function+using+experimentally+determined+subject-specific+muscle+properties%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Modeling muscle function using experimentally determined subject-specific muscle properties.</a> J Biomech. 117, 110242(2021).</li>
<li>Westerga, J., Gramsbergen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changes+in+the+electromyogram+of+two+major+hindlimb+muscles+during+locomotor+development+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Changes in the electromyogram of two major hindlimb muscles during locomotor development in the rat.</a> Exp Brain Res. 92 (3), 479-488 (1993).</li>
<li>Tosi, J., Taffoni, F., Santacatterina, M., Sannino, R., Formica, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+evaluation+of+Bluetooth+low+energy%3A+A+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Performance evaluation of Bluetooth low energy: A systematic review.</a> Sensors. 17 (12), 28988(2017).</li>
<li>IEEE Health Informatics-PoC medical device communication Part 00101: Guide-Guidelines for the use of RF wireless technology. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22IEEE+Std+11073-00101-2008%22">IEEE Std 11073-00101-2008</a>. , 1-125 (2008).</li>
<li>Xu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rehabilitation+effects+of+fatigue-controlled+treadmill+training+after+stroke%3A+A+rat+model+study%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Bioeng+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Rehabilitation effects of fatigue-controlled treadmill training after stroke: A rat model study.</a> Front Bioeng Biotechnol. 8, 590013(2020).</li>
<li>Nigg, S., Vienneau, J., Maurer, C., Nigg, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+symmetry+index+using+discrete+variables%5BTitle%5D)+AND+%22Gait+Posture%22%5BJournal%5D)">Development of a symmetry index using discrete variables.</a> Gait Posture. 38 (1), 115-119 (2013).</li>
</ol>

Todos los autores no tienen conflicto de intereses.

Este trabajo presenta un sistema de adquisición de electromiografía (EMG) que es pequeño, fácil de implementar, de bajo costo e inalámbrico. El sistema evita eficazmente la degradación de la señal causada por los cables, ya que no depende de ningún equipo de medición externo cableado. Al montar el conector en la parte posterior en lugar de en la cabeza, el proceso quirúrgico se vuelve significativamente más fácil, lo que reduce el riesgo de complicaciones. Esta configuración también minimiza las posibilidades de que la plataforma choque con las paredes laterales, lo que puede provocar artefactos de señal. Además, alivia la fatiga del cuello, ya que el peso concentrado no se coloca sobre la cabeza.
El protocolo incluye varios pasos críticos, en particular la preparación precisa de los electrodos intramusculares y la colocación cuidadosa de los conectores. Asegurarse de que el aislamiento se pele con precisión y que los nudos estén atados correctamente es esencial para evitar una inserción excesiva durante la colocación del electrodo1. Además, el seguimiento del sitio quirúrgico después de la operación es crucial para identificar posibles complicaciones de manera temprana, asegurando así el bienestar de los animales involucrados.
Si bien la técnica propuesta es robusta, ciertas modificaciones pueden mejorar su efectividad. Por ejemplo, ajustar la longitud de los electrodos en función del tamaño específico del músculo puede mejorar la calidad del contacto. Además, en caso de pérdida de señal o ruido durante las mediciones, la resolución de problemas puede implicar verificar las conexiones y asegurarse de que el dispositivo esté debidamente protegido de interferencias electromagnéticas6. Proporcionar una capacitación adecuada al equipo quirúrgico también puede mitigar los errores del procedimiento, mejorando las tasas generales de éxito.
A pesar de sus ventajas, el dispositivo pesa alrededor de 3 g, lo que no es problemático para las ratas, pero puede causar molestias en ratones más pequeños o más jóvenes. Esta incomodidad podría afectar potencialmente sus patrones de marcha, lo que afectaría el análisis de comportamiento a través de EMGore; El dispositivo o conector no se puede proteger si la rata se deja desatendida en la jaula, lo que representa un riesgo de daño13. Se implementó una carcasa metálica para la protección cuando el dispositivo no está en uso, pero los desarrollos posteriores podrían mejorar este aspecto.
La importancia de este sistema radica en su capacidad para proporcionar registros EMG continuos y de alta calidad sin las limitaciones impuestas por los dispositivos atados. Los métodos tradicionales, incluidos los cables de sujeción y los grandes dispositivos implantables, a menudo limitan el movimiento de los animales y pueden inducir estrés, sesgando así los resultados5. La técnica ofrece un enfoque más humano al tiempo que mantiene una alta fidelidad en la recopilación de datos, lo cual es fundamental para comprender la función motora y la recuperación en varios contextos experimentales3.
En trabajos futuros, existen numerosas aplicaciones para esta técnica. Si bien el estudio actual se centró en el músculo gastrocnemio medial (MG) para evaluar la simetría muscular durante la marcha, la metodología se puede adaptar para otros músculos e incluso extenderse a las mediciones de electrocardiografía (ECG). El aumento del número de electrodos permitiría la recopilación simultánea de señales de múltiples sitios11, lo que facilitaría análisis exhaustivos de la coordinación y función muscular. Este avance podría conducir a conocimientos sobre estrategias de rehabilitación para la recuperación de accidentes cerebrovasculares y otras afecciones neuromusculares.
En conclusión, el sistema de adquisición de EMG propuesto presenta un avance significativo en el campo de los estudios de locomoción animal. Al abordar las limitaciones de los métodos existentes y proporcionar una plataforma versátil para futuras investigaciones, este sistema promete mejorar nuestra comprensión de la función motora y la recuperación en diversos entornos experimentales.

La electromiografía consiste en registrar los potenciales eléctricos generados por las fibras musculares durante la contracción. Estas propiedades están determinadas por las señales de activación neuronal enviadas desde las neuronas motoras a los músculos individuales. La EMG es ampliamente utilizada en estudios relacionados con la rehabilitación, motores, cerebrales y nerviosos, y los métodos de medición se pueden clasificar ampliamente en EMG de superficie (sEMG) y EMG intramuscular (iEMG)1. Los electrodos de superficie ofrecen varias ventajas, especialmente en aplicaciones portátiles, ya que no son invasivos y requieren un proceso de preparación sencillo2. En la sEMG implantada, el proceso quirúrgico es más sencillo en comparación con la iEMG, en la que no es necesario que el electrodo penetre en el músculo. A pesar de estas ventajas, la sEMG es propensa a la contaminación de la señal, como las perturbaciones en la interfaz músculo-electrodo, los artefactos de movimiento, la calidad del contacto del electrodo y la diafonía de la señal de los músculos adyacentes1. Estos desafíos son particularmente problemáticos cuando los electrodos se colocan muy cerca, como suele ser el caso en estudios con animales pequeños. Por otro lado, la iEMG requiere un procedimiento quirúrgico adicional para la penetración del electrodo. A pesar de los pasos adicionales del procedimiento, este método proporciona registros EMG específicos del músculo con mayor precisión y menos diafonía, ya que los electrodos están permanentemente incrustados en el tejido muscular3. En los estudios motores de animales pequeños, se prefiere la iEMG, ya que la información de EMG específica del músculo con una instalación fiable del electrodo es fundamental4.
Se han reportado varios enfoques para adquirir registros de EMG a partir de electrodos en animales pequeños. Los cables de sujeción se usan comúnmente para conectar electrodos a equipos de medición externos5,6,7,8,9,10,11, los dispositivos se pueden implantar dentro del cuerpo12, o se puede colocar una plataforma portátil inalámbrica en el animal13. Los cables de amarre son el método más ampliamente reportado debido a la disponibilidad de equipos comerciales compatibles para este propósito; Sin embargo, los cables de sujeción causan molestias a los animales, y su movimiento a menudo se ve limitado por los cables, lo que puede afectar el estudio. Los dispositivos implantables ofrecen soluciones inalámbricas, pero la duración limitada de la batería puede restringir la duración de los experimentos. Además, el tamaño y el peso de los dispositivos instalados permanentemente pueden causar estrés e incomodidad a los animales, lo que podría afectar el estudio. Se han propuesto técnicas de transferencia de energía inalámbrica para abordar los problemas de los dispositivos implantables, pero mantener un enlace de energía fiable a un dispositivo pequeño suele ser muy difícil14. Además, la exposición a altos campos electromagnéticos puede tener consecuencias imprevistas, como la reducción de la función inmune y posibles cambios neurodegenerativos en el cerebro15,16.
El sistema de adquisición también se puede implementar como una plataforma inalámbrica y portátil que maneja el procesamiento de señales y transmite de forma inalámbrica las grabaciones EMG a una estación base. Aunque este es el método preferido, presenta un desafío técnico para los usuarios, y los detalles experimentales a menudo no se abordan completamente en la literatura.
En este trabajo, presentamos un método de adquisición de EMG simple, de bajo costo y confiable para estudios de locomoción en animales pequeños. Un par de electrodos iEMG se implantan en los músculos de las extremidades traseras de una rata, mientras que el resto del sistema de adquisición de señales, incluida la amplificación, un convertidor de analógico a digital y la telemetría inalámbrica, se monta en la espalda del animal. Los datos de EMG se transmiten a una computadora personal para su monitoreo en tiempo real, con datos registrados localmente. Se lleva a cabo un experimento de locomoción en cinta rodante para demostrar el sistema en un estudio de recuperación de accidente cerebrovascular.

<table><tbody><tr><td>Placa de níquel de 0,2 mm de espesor</td><td>Cualquier vendedor</td><td></td><td></td>disponible</tr><tr><td>Filamento de impresión 3D</td><td>cubicon</td><td>A-100</td><td></td></tr><tr><td>7 semanas RAT</td><td>JABIO</td><td>SD (DBL) [7W M]</td><td></td></tr><tr><td>Adhesivo</td><td>Okong</td><td>1028453</td><td>para asegurar el escudo</td></tr><tr><td>ANT1</td><td>Johanson Technology Inc.</td><td>2450AT07A0100001T</td><td></td></tr><tr><td>C1, C15, C16, C20</td><td>Vishay</td><td>1n</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>C10, C13</td><td>Vishay</td><td>100p</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>C11, C12</td><td>Vishay</td><td>4p</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>C14, C19</td><td>Vishay</td><td>0.39n</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>C2, C17</td><td>Vishay</td><td>22n</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>C3, C5, C6</td><td>Vishay</td><td>0.1u</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>C4, C18</td><td>Vishay</td><td>2.2u</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>C7</td><td>Vishay</td><td>4.7u</td><td>0402(1005)métrico</td></tr><tr><td>C8, C21</td><td>Vishay</td><td>1u</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>C9</td><td>Vishay</td><td>1p</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>Jaula</td><td>JEUNG DO B& P</td><td>JD-C-02</td><td></td></tr><tr><td>Paño limpio</td><td>kimberly</td><td>41112</td><td></td></tr><tr><td>Accesorio conector</td><td>Harwin</td><td>M20-1060400</td><td>Carcasa de plástico</td></tr><tr><td>Accesorio conector</td><td>Harwin</td><td>M20-1180042</td><td>Pieza metálica</td></tr><tr><td>Cortapelos eléctrico</td><td>Buzz</td><td>RFC-928</td><td></td></tr><tr><td>Pistola de calor</td><td>QUICK</td><td>861DW</td><td></td></tr><tr><td>IC1, IC3</td><td>Dispositivo analógico</td><td>AD8232</td><td>para la medición de EMG AFE</td></tr><tr><td>IC2</td><td>Semiconductor nórdico</td><td>nRF52832-CIAA</td><td></td></tr><tr><td>Isoflurano</td><td>Hana Pharm</td><td>657801261</td><td></td></tr><tr><td>L1</td><td>Vishay</td><td>3.3n</td><td>0201 (0603) batería</td></tr><tr><td>Li-po</td> métrica <td>TheHan</td><td></td><td>TW402025 13 mm * 10 mm * 4 mm, 30mAh</td></tr><tr><td>Cabezal de pin</td><td>Harwin</td><td>M22-2530505</td><td></td></tr><tr><td>R1, R2, R9, R10, R13, R14, R21, R22</td><td>Vishay</td><td>10M</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>R11, R23</td><td>Vishay</td><td>100k</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>R12, R24</td><td>Vishay</td><td>1M</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>R3, R4, R5, R7, R15, R16, R17, R19</td><td>Vishay</td><td>180k</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>R6, R18</td><td>Vishay</td><td>160k</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>R8, R20</td><td>Vishay</td><td>768k</td><td>0201(0603)métrico</td></tr><tr><td>Alambre de soldadura</td><td>Alfa metal SACX0307</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Soldador</td><td>Hakko</td><td>FX-951</td><td></td></tr><tr><td>Alambres de acero inoxidable recubiertos con teflón</td><td>A-M Systems</td><td>793200</td><td></td></tr><tr><td>Aguja de sutura&nbsp;</td><td>AILEE</td><td>301289</td><td></td></tr><tr><td>Alambre de sutura</td><td>Ethicon</td><td>604G</td><td></td></tr><tr><td>Cinta de correr</td><td>Daejong Bio</td><td>DJ2-243</td><td></td></tr><tr><td>U1</td><td>Torex Semiconductor</td><td>XC6204B332DR-G</td><td></td></tr><tr><td>Y1</td><td>Murata Electronics XRCTD32M000N1P1AR0</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

un sistema de medición de electromiografía portátil en tiempo real para animales pequeños

A Real-Time Wearable Electromyography Measurement System for Small Animals

El método de medición de electromiografía intramuscular (EMG) para animales de experimentación se ha implementado de varias maneras. Entre estos métodos, la conexión de cables a dispositivos de medición externos puede restringir el movimiento de los animales de experimentación, mientras que los dispositivos implantables pueden causar efectos secundarios no deseados debido a la presencia constante de un dispositivo con un tamaño y peso considerables. Para abordar estos problemas, proponemos un sistema de medición de EMG de bajo costo, inalámbrico y desmontable y un procedimiento experimental. Este artículo se centra en la instalación quirúrgica de electrodos de alambre intramuscular con conectores pequeños y el desarrollo del sistema inalámbrico. Cabe destacar que en este sistema, solo los electrodos de alambre se insertan en el cuerpo del animal. Con este sistema, las mediciones de EMG se pueden realizar fácilmente conectando el sistema de circuito a un conector instalado en la espalda del animal, con un monitoreo en tiempo real que se puede lograr en una computadora portátil. El método propuesto se explica de manera detallada, paso a paso, seguido de una demostración que implica la inserción de electrodos intramusculares en las extremidades traseras de una rata. Se realiza un experimento en cinta rodante para un estudio de locomoción, y posteriormente se obtienen y analizan las señales electrofisiológicas resultantes.

En este estudio, se presenta un método inalámbrico sencillo para la adquisición de EMG. Aunque es necesaria una intervención quirúrgica, solo se realiza una incisión parcial en la zona específica para la inserción del electrodo y la fijación del conector, reduciendo significativamente la carga para el animal. En esta demostración, los electrodos se insertaron en las extremidades inferiores, pero se pueden realizar estudios electrofisiológicos similares en diversas áreas adicionales utilizando el mismo método. Este enfoque ofrece la ventaja de permitir la medición continua de señales electrofisiológicas sin necesidad de cables de sujeción ni restricciones conductuales. El circuito PCB tiene un diámetro de 9 mm, una altura de 3 mm y un peso total de 3 g. El reemplazo de la batería es sencillo, y el sistema propuesto permite el monitoreo continuo del comportamiento motor. Se incluye una fotografía que muestra la fijación del conector y del dispositivo, así como la forma de onda de EMG, en la Figura 7.
En este estudio, se utilizó una cinta rodante para analizar los patrones de movimiento de las ratas. La cinta rodante es una herramienta eficaz para analizar el movimiento animal17, ya que permite evaluar problemas musculares o neurológicos. Aunque también puede emplearse para estudiar el movimiento libre en ratas, este experimento tiene como objetivo específico analizar las anomalías del movimiento provocadas por diversas condiciones. Para lograrlo, se requiere un movimiento continuo y repetitivo, lo que hace que la cinta rodante sea una opción adecuada para nuestros fines.
Se pueden utilizar varios métodos para analizar la locomoción animal con EMG. Entre estos métodos, se empleó el índice de simetría en el análisis conductual21,22. El índice de simetría mide el equilibrio de la actividad entre dos músculos situados en lados opuestos del cuerpo, y lo hemos utilizado para evaluar la recuperación tras un accidente cerebrovascular.
<img alt="Diagrama del montaje para la grabación de nervios con inserción muscular y aislamiento, que muestra nudos en los cables y estados de eliminación del aislamiento." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 1"> 
Figura 1: Proceso de preparación del electrodo de alambre. (A) Ilustración de la estructura del alambre y la posición de eliminación del aislamiento. Se deben hacer tres nudos al insertar los alambres en los músculos para evitar una inserción excesiva. (B) El aislamiento se ha eliminado completamente en el extremo del alambre. (C) El aislamiento se ha eliminado parcialmente para facilitar el contacto con el músculo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Diagrama del proceso de ensamblaje de la conexión de cables; los pasos incluyen insertar, asegurar y soldar los cables." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 2"> 
Figura 2: Proceso de ensamblaje del electrodo de alambre y el conector. (A) Preparación de los materiales para el ensamblaje. (B) Inserción del alambre en el componente metálico. (C) Soldadura del alambre a los componentes metálicos. (D) Tensado del alambre a través de la abertura del alojamiento de plástico. (E) Inserción del alambre y los componentes metálicos en el alojamiento de plástico. (F) Finalización del ensamblaje para todos los alambres y uso de adhesivo de cianoacrilato para fijar el alojamiento de plástico a la guía de sutura (parte gris). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Juego de instrumentos quirúrgicos sobre campo estéril para procedimiento médico con tijeras, pinzas, portagujas." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 3"> 
Figura 3: Herramientas quirúrgicas necesarias para el procedimiento. Una colección de instrumentos quirúrgicos necesarios para el procedimiento, incluyendo (1) aguja de sutura, (2) pinzas, (3) pinzas, (4) tijeras quirúrgicas, (5) tijeras finas, (6-7) hemostatos, (8) portagujas y (9) electrodo preparado. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Diagrama de la implantación de electrodos en músculos de roedor; incisión quirúrgica, cableado, configuración de grabación." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig4v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 4"> 
Figura 4: Procedimiento de fijación del cable del electrodo. (A) Posiciones de las incisiones en la espalda y la pata. (B) Introducción del portaagujas a través de la incisión para sujetar el cable. (C) Extracción del cable a través de la incisión. (D) Técnica de sutura en el músculo objetivo, colocando los electrodos alrededor de la parte más gruesa del músculo con una separación de 5 mm. (E) Estado final al concluir la operación. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig4v2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Diagrama de fijación del dispositivo médico, conector con escudo metálico, proceso de sutura, aplicación de adhesivo." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig5.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 5"> 
Figura 5: Colocación del conector. (A) Sutura debajo del conector. (B) Fijación del conector con hilo de sutura. (C) Aplicación de adhesivo sobre el conector y colocación de un escudo metálico para protección. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Dispositivo EMG portátil en cerdo, diagrama de electrodos y gráfica de señal en tiempo real en experimento con cinta rodante." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig6.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 6"> 
Figura 6: Demostración de la adquisición de EMG. (A) Fotografía del sistema de adquisición de EMG montado en una rata. (B) Realización de una prueba en cinta rodante a una velocidad de 25 m/min. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Gráfico de análisis de señal de electromiografía (EMG), datos filtrados y envueltos de músculos de la pierna a lo largo del tiempo." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig7.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 7"> 
Figura 7: Señal EMG medida y forma de onda EMG envuelta. (A) La forma de onda cruda de la señal EMG medida. (B) Señal EMG filtrada utilizada para obtener el envolvente. (C) Forma de onda envuelta con una línea umbral para el análisis del índice de simetría. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig7large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Figura suplementaria 1: Esquema de la disposición del circuito de la placa de circuito impreso. Una representación esquemática de la disposición del circuito de la placa de circuito impreso (PCB), que ilustra la colocación de los componentes y las conexiones. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Supplementary_Figure_1.png" target="_blank">Haga clic aquí para descargar esta figura.</a>
Figura suplementaria 2: Diseño del circuito impreso de la capa trasera. Diseño de la capa trasera del circuito impreso (PCB), que detalla la colocación de los componentes y el enrutamiento de la circuitería. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Supplementary_Figure_2.png" target="_blank">Haga clic aquí para descargar esta figura.</a>
Figura suplementaria 3: Diseño del circuito impreso de la capa superior. Diseño de la capa superior del circuito impreso (PCB), que muestra la disposición de los componentes y las conexiones eléctricas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Supplementary_Figure_3.png" target="_blank">Haga clic aquí para descargar esta figura.</a>
Archivo de código suplementario 1: Preparación del firmware para la configuración del convertidor analógico-digital. Instrucciones para preparar el firmware con el fin de configurar un convertidor analógico-digital (ADC) de 2 canales con una resolución de 8 bits y una frecuencia de muestreo de 2 muestras por segundo (kSPs). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/main.c.txt" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>
Archivo de código suplementario 2: Aplicación de trazado basada en Python. Descripción de la aplicación de trazado basada en Python utilizada en este estudio para la visualización y análisis de datos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Python-display.py" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>

Se presenta un protocolo para la instalación y preparación de electrodos intramusculares, junto con un dispositivo de medición miniaturizado montable en animales para el análisis de electromiografía (EMG) en estudios de locomoción. Este sistema permite la transmisión inalámbrica de datos EMG en tiempo real para investigar la recuperación de la locomoción en ratas modelo de accidente cerebrovascular.

Un sistema de medición de electromiografía portátil en tiempo real para animales pequeños

The intramuscular electromyography (EMG) measurement method for experimental animals has been implemented in various ways. Among these methods, tethering ...

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Research

Investigación

JoVE Journal

Engineering

Ingeniería

ECG telemétrico se ha convertido en una herramienta esencial en la evaluación de modelos animales para las arritmias cardíacas y muerte súbita cardíaca. A continuación, presentamos una guía paso a paso para telemetría ECG para su aplicación a largo plazo de la monitorización ambulatoria de ECG en ratones.

Ambulatorio de grabación ECG en ratones

Se describe un procedimiento para la manipulación de la actividad de las neuronas piramidales corticales cerebrales optogenetically mientras que el electroencefalograma, electromiograma, y ​​la concentración de lactato cerebral son monitoreados. Grabaciones experimentales se realizaron en ratones de cable-atados mientras se someten espontáneas de sueño / vigilia ciclos. Optogenético equipo es ensamblado en nuestro laboratorio; aparato de control está disponible comercialmente.

Electroencefalografía simultánea, en tiempo real Medición de la concentración de lactato y Manipulación optogenético de la actividad neuronal en la corteza cerebral de roedores

El video muestra el monitoreo continuo de electroencefalografía (EEG) a largo plazo en cachorros de roedores utilizando un sistema de transmisión inalámbrico. El transmisor contiene dos electrodos de registro y un electrodo de referencia que se extiende hasta la superficie del cerebro. Al colocar al cachorro en una cámara de registro, el EEG se puede monitorear continuamente durante todo el desarrollo del cachorro hasta la edad adulta.

Monitoreo continuo de electroencefalografía a largo plazo en un cachorro de roedor

Fuente: Jensen, V. N., et al. Medición repetida de la actividad muscular respiratoria y la ventilación en modelos murinos de enfermedad neuromuscular. J. Vis. Exp. (2017). Este video muestra el método para registrar señales simultáneas de pletismografía y electromiografía en un modelo de ratón ELA que se mueve libremente. El procedimiento implica el uso de electrodos implantados y un transmisor para capturar la actividad muscular, junto con una cámara de pletismografía para monitorear los...

Registro simultáneo de pletismografía y electromiografía en un modelo de ratón con ELA

Aquí demostramos el uso de una tecnología inalámbrica para el electroencefalograma (EEG) en modelos neonatos de roedores con enfermedades humanas. Con la telemetría, no hay conexiones que entorpezcan, lo que permite comportamientos naturales.

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Este documento presenta un método para mediciones repetidas de la ventilación y la actividad de los músculos respiratorios en un modelo de ratón libremente comportarse esclerosis lateral amiotrófica (ALS) a lo largo de progresión de la enfermedad con pletismografía de cuerpo entero y electromiografía través de un dispositivo de telemetría implantado.

Repetida Medición de la actividad muscular respiratoria y ventilación en el ratón modelos de enfermedad neuromuscular

Aquí, presentamos un protocolo para registrar el cerebro y corazón bio señales en ratones usando video simultáneo, electroencefalografía (EEG) y electrocardiografía (ECG). También se describen métodos para analizar las grabaciones de EEG ECG resultantes para convulsiones, energía espectral del EEG, la función cardiaca y variabilidad del ritmo cardíaco.

Video-EEG-ECG simultánea de monitoreo para identificar la disfunción neurocardiaco en modelos de ratón de la epilepsia

Aquí se presenta un protocolo para la fabricación de un sistema implantable para la grabación cronológica in vivo de potenciales electromiográficos evocados y espontáneos. El sistema se aplica a la investigación de la reinnervación de los músculos laríngeos después de la lesión nerviosa.

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El electrocardiograma (ECG) es la variable clave para comprender la electrofisiología cardíaca. El ejercicio físico tiene efectos beneficiosos, pero también puede ser perjudicial en el contexto de las enfermedades cardiovasculares. Este manuscrito proporciona un método para registrar el ECG en tiempo real durante el ejercicio, que puede servir para investigar sus efectos sobre la electrofisiología cardíaca en ratones.

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Este protocolo describe la fabricación manual y la implantación quirúrgica de electrodos electromiográficos (EMG) en los músculos de las extremidades anteriores de ratones para registrar la actividad muscular durante los experimentos de comportamiento con la cabeza fija.

Registro de la actividad muscular de las extremidades anteriores en ratones con cabeza fija con electrodos EMG implantados crónicamente

Nuestro propósito era proporcionar una guía actualizada y fácil de seguir sobre la fabricación y las pruebas de electrodos de electromiografía epimisial. Con ese fin, proporcionamos instrucciones para el abastecimiento de materiales y un recorrido detallado del proceso de fabricación y prueba.

Desarrollo de un electrodo de electromiografía epimisial de bajo costo: un flujo de trabajo simplificado para la fabricación y las pruebas

Aprende a medir EMG en animales pequeños mediante un sistema portátil inalámbrico con retroalimentación en tiempo real. Este método permite estudiar la recuperación locomotora en ratas modelo de ictus sin restricciones de movimiento.

Un sistema de medición de electromiografía portátil en tiempo real para animales pequeños

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