הקלטות סימולטני של פוטנציאל קורטיקלית שדה מקומי, רל, Electromyogram נושם קצב מעכברוש נעה בחופשיות
April 2nd, 2018
מחקר זה מציג שיטה עבור ההקלטה סימולטני של שדה מקומי פוטנציאל המוח, electrocardiograms, electromyograms, ונשימה אותות של חולדה נעה בחופשיות. טכניקה זו, אשר מפחית את עלויות ניסיוני ומפשטת את ניתוח הנתונים, יתרום להבנה של אינטראקציות בין המוח לבין איברים היקפיים בגוף.
המטרה הכוללת של השתלה כירורגית זו של אלקטרודות היא להקליט אותות ביו-חשמליים מרכזיים והיקפיים בו זמנית מחולדה הנעה בחופשיות. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום מדעי המוח, כגון זיכרון, קוגניציה, רגש ואינטראקציות מוח-גוף. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שמכשיר הקלטה יחיד אוסף את כל האותות הביו-חשמליים ממגוון רחב של אזורי גוף.
הרעיון לשיטה הזו עלה לנו לראשונה כששמנו לב שפעילויות שרירים ולב מיוצגות שתיהן על ידי אותות חשמליים שדומים לאותות חוץ-תאיים במוח. לכן חשבנו שניתן להקליט את כל האותות על ידי מכשיר הקלטה יחיד ורב-ערוצי. כדי להתחיל, הכינו מערך מיקרו-כונן סטנדרטי להקלטות LFP בקליפת המוח.
השאר לפחות שישה חורי מתכת פתוחים על לוח ממשק אלקטרודה עבור ערוצי האיתות. לאחר מכן, צור שישה אורכים של חמישה סנטימטרים של חוט ביופלקס כדי לשאת את האותות. קלף כחמישה מילימטרים של ציפוי PFTE משני הקצוות.
לאחר מכן, חבר חוט אחד לכל חור מתכת בלוח באמצעות סיכת זהב. לאחר מכן, צור שני אורכים של חמישה סנטימטרים של חוט אמייל, והלחם אותם לשני ערוצי ההארקה/ייחוס על הלוח. כדי לייצר את אלקטרודות האק"ג, חותכים שני אורכים של 16 ס"מ של חוט ביופלקס ומקלפים את 0.5 מילימטר הציפוי מקצה אחד ו-15 מילימטרים של ציפוי מהקצה השני.
לאחר מכן, צרו כל קטע מופשט ארוך לעיגול בקוטר שני מילימטרים, ואבטחו את הלולאה בעזרת הלחמה. כדי ליצור את אלקטרודות ה-EMG, חותכים שני אורכים של שמונה סנטימטרים של חוט ביופלקס ומקלפים כחמישה מילימטרים של ציפוי משני הקצוות. כדי ליצור את אלקטרודות ה-BR, חותכים שני אורכים של שישה סנטימטרים של חוט ביופלקס ומקלפים כחמישה מילימטרים של ציפוי משני הקצוות של כל חוט.
עבור כל אחת משתי אלקטרודות BR, הלחמו קצה אחד של כל חוט לראש בורג נירוסטה. כדי ליצור את אלקטרודות ההארקה/ייחוס, חותכים שני אורכים של שישה סנטימטרים של חוט אמייל. עבור כל אחת משתי האלקטרודות הייחוס לקרקע, הלחמו קצה אחד של החוט לבורג מעט גדול יותר.
כעת יש לעקר את כל האלקטרודות, ואז לטפל בהן בתנאים סטריליים. כדי להתחיל, קבע חולדה מורדמת על גבה על כרית חום שטוחה. יש לספק בופרנורפין כמשכך כאבים, ולמרוח משחת עיניים למניעת יובש.
לאחר מכן, נקו את החזה והצוואר עם קרצוף לסירוגין של 70% אתנול ובטאדין. לאחר מכן, עטפו את החיה כדי להשאיר רק את אזור החזה חשוף. ראשית, השתל את אלקטרודות האק"ג.
התחל בחתך של שני סנטימטרים לאזור החזה המדיאלי. לאחר מכן, חשוף את השרירים הבין-צלעיים על ידי הפרדת שרירי החזה. כעת, תפור את טבעות האלקטרודות של ה-ECG לשרירים הבין-צלעיים.
עשו זאת בחוזקה כך שהאלקטרודות יהיו מאובטחות מאוד ויהיה יחס אות לרעש גבוה. לאחר מכן, בצע חתך של סנטימטר אחד באזור הצוואר הגבי, והכניס את אלקטרודות האק"ג באופן תת עורי לחתך, והשאיר רפיון של חוט מתחת לעור כדי למזער את הלחץ הפיזי באלקטרודה. לאחר מכן, תפר סגר את החתך בחזה.
לאחר מכן, מקם מחדש ואבטח את החיה כדי לחבר את אלקטרודות ה-EMG. הכנס קצה אחד של כל אלקטרודה תת עורית כסנטימטר אחד לתוך חתך הצוואר ולשרירי הצוואר. לאחר מכן, תפר את האלקטרודות הללו במקומן.
לאחר השתלת האלקטרודות, אבטח את החולדה למכשיר סטריאוטקסי. לאחר מכן, גלחו ונקו את הגולגולת, והתחילו את השתלת המערך בחתך של שלושה סנטימטרים לאורך קו האמצע מהנקודה שבין העיניים לצוואר. בעזרת מקדחה מהירה, הכינו זוג קרניוטומיות עגולות בקוטר של 0.7 עד 1.0 מילימטרים מעל נורת הריח, שהיא 11.0 מילימטרים קדמית ומילימטר אחד דו צדדי לברגמה.
לאחר מכן, השתלו את שתי אלקטרודות ה-BR עמוק מספיק כדי שקצות הברגים יוכלו ליצור מגע עם המוח, שעומקו כשני מילימטרים. השתמש בין שש לשמונה סיבובים מלאים של הבורג. לאחר מכן, בצע זוג נוסף של קרניוטומיה מעל קליפת המוח הקדמית, 2.7 מילימטרים קדמיים ו -2.7 מילימטרים דו-צדדיים לברגמה.
לתוך החורים האלה, אבטחו את שתי אלקטרודות ההארקה/ייחוס כך שגם הן פשוט יגעו במוח בעומק של כ-1.6 מילימטרים. זה לוקח ארבע עד חמש סיבובים מלאים של הבורג. כעת, תכננו קרניוטומיה מעגלית גדולה בקוטר של כ -2.0 מילימטרים מעל ההיפוקמפוס, 3.8 מילימטרים אחוריים ו -2.5 מילימטרים דו צדדיים לברגמה.
לאחר מכן, צרו שישה עד שמונה חורים בגודל 1.0 מילימטר באזור שיקיף את הגולגולת. לתוך כל אחד מהחורים הללו, השתלו את ברגי העיגון. לאחר מכן, בצע את הגולגולת המתוכננת בין הברגים.
מעל החור הגדול, מקם את מערך המיקרו-הנעה האינטגרטיבי כך שקצה הצינורית יהיה ממש מעל הגולגולת הגדולה. מלאו את חלל הרווח בין קצה הצינורית למשטח המוח בכ-100 מיקרוליטר של אפוקסי דו-חלקי. במהלך חמש הדקות הבאות, הניחו לתערובת להפוך לג'ל שקוף.
לאחר מכן, כסו את הצינורית, אלקטרודות BR, אלקטרודות הארקה/ייחוס וברגי העיגון במלט דנטלי. מרחו כחמישה מילימטרים של מלט מבלי לכסות את הקצוות הפתוחים של BR או אלקטרודות קרקע/ייחוס. כעת, הלחמו את כל הקצוות הפתוחים של האלקטרודות למקום בו הם מתחברים ללוח.
לאחר מכן, כסו את החלק התחתון של מערך המיקרו-הנעה האינטגרטיבי ואת כל חוטי האלקטרודות במלט דנטלי. חשוב לכסות לחלוטין את חוטי האלקטרודה כך שהחולדה לא תוכל לגרד אותם לאחר ההשתלה. כעת, אפשרו לחולדה להתאושש.
לאחר השבת ההכרה המספקת כדי לשמור על שכיבה על החזה, שיכנו אותו לבד ללא חברים לכלוב, ותנו לו גישה חופשית למזון ומים. לאחר הניתוח יש לקדם בהדרגה את הטטרודות על ידי קידום הברגים מדי יום. ברגע שהטטרודות צמודות לאזורי מוח המטרה, הניחו להן להתיישב למשך כמה ימים, שבמהלכם האותות יתייצבו.
באמצעות השיטות המתוארות, ניתן ללכוד אותות ביו-חשמליים מהמוח, הלב, הריאות ושרירי השלד בו זמנית ולתאם. לדוגמה, חולדה שנעה בחופשיות ועוברת התנהגות חיפוש מזון מספקת מערך נתונים עם מעברים בין מצב פעיל למנוחה. ספקטרום הספק חושב מעקבות LFP בהיפוקמפוס באמצעות ניתוח גלים.
אות ה-BR שנרשם משטח הפנים של נורת הריח שימש להערכה גסה של השינויים היחסיים בתדירות הנשימה, כגון אלה המתרחשים במהלך התנהגות רחרוח חקרנית. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שלוש שעות אם היא מבוצעת כראוי. לאחר פיתוחה, טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום מדעי המוח לחקור את הקשר בין האיברים המרכזיים וההיקפיים עם רזולוציה זמנית גבוהה במכרסמים.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה להקלטה בו-זמנית של פוטנציאלים מקומיים בשדה, אלקטרוקרדיוגרמות, אלקטרומיוגרמות ואותות נשימה בחולדה בתנועה חופשית. טכניקה זו מפשטת את ניתוח הנתונים ומקטינה את העלויות הניסיוניות תוך שיפור ההבנה של האינטראקציות בין המוח לאיברים פריפריאליים.
מרכיבי המחקר העיקריים
תחום המדע
- נוירו-מדע
- הקלטת אותות ביואלקטריים
- מחקר התנהגותי בבעלי חיים
רקע
- הבנת האינטראקציות בין המוח לגוף היא קריטית לנוירו-מדע.
- שיטות קיימות דורשות לעתים קרובות מספר מכשירים, מה שמסבך את איסוף הנתונים.
- הקלטה בו-זמנית של אותות ביואלקטריים מרובים יכולה לשפר את יעילות המחקר.
- מחקר זה מתמקד בפיתוח מערכת הקלטה מגובשת עבור אותות מגוונים.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה להקלטת אותות ביואלקטריים מרובים בו-זמנית.
- לתמוך בחקירות של זיכרון, קוגניציה, רגשות ואינטראקציות מוח-גוף.
- להפחית עלויות ולפשט ניתוח במחקר נוירו-מדע.
שיטות ששימשו
- הועסק מכשיר הקלטה רב-ערוצי לתפיסת אותות.
- המודל הביולוגי כלל חולדות בתנועה חופשית בתנאי השתלה כירורגית.
- לא דווח על ניתוח מולטיאומיקס במחקר זה.
- המתודולוגיה כללה מיקום מדויק של אלקטרודות ונהלי השתלה מאובטחים.
- אלקטרודות תוכננו לאיסוף אותות ECG, EMG ואחרים ביואלקטריים.
תוצאות עיקריות
- הושגה תפיסה מוצלחת של אותות ביואלקטריים מאזורים שונים בגוף.
- שילוב אותות מאפשר נתונים מקיפים יותר על אינטראקציות מוח-גוף.
- השיטה אומתה כיעילה בהפחתת רעש במהלך הקלטת אותות.
- צוינו שיפורים פוטנציאליים במחקרים עתידיים לגבי מעקב אחר התנהגות בעלי חיים.
מסקנות
- מחקר זה מדגים גישה חדשנית להקלטה בו-זמנית של אותות מרובים.
- השיטה המשולבת מאפשרת ניתוח יעיל יותר של אינטראקציות מוח-גוף.
- ממצאים אלו עשויים לקדם באופן משמעותי את הבנתנו במנגנונים עצביים ומחקרים התנהגותיים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Simultaneous multi-organ bioelectrical signal recording enables mechanistic de-risking in target validation by clarifying brain-peripheral organ interactions. This approach supports predictive confidence in preclinical models by providing synchronized physiological readouts that reduce interpretive ambiguity in behavioral neuroscience studies. The integrated recording system enhances translational continuity from discovery to preclinical workflows through standardized, multi-parametric data capture.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through correlated central and peripheral signal dynamics.
- Operational Value: Supports biological de-risking by validating functional targets via multi-system physiological responses.
- Predictive Value: Improves portfolio triage by identifying targets with measurable effects across neural and organ systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows through stable, simultaneous signal acquisition.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility by reducing inter-device variability in signal recording.
- Scalability: Facilitates platform reuse across studies requiring coordinated brain-body monitoring.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains disease-relevant system integrity from discovery through preclinical validation via consistent signal monitoring.
- Risk-Adjusted Decisions: Supports advancement criteria by linking neural activity to peripheral organ outputs in freely moving models.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive validation of targets through real-time, correlated electrophysiological readouts.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by enabling hypothesis testing in early discovery, supporting assay readiness in screening, and informing preclinical advancement through correlated multi-system outputs.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via simultaneous LFP, ECG, EMG, and breathing signal correlation.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized, multi-channel signal capture with reduced noise and artifact.
- Analytics: Provides quantitative time-synchronized measurements enabling cross-condition comparison and statistical modeling.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by preserving physiological state in freely moving rodents during behavioral tasks.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for multi-organ physiological profiling across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in brain-body interaction studies.
- Operational Value: Improves standardization and scalability through single-device, multi-signal data collection.
- Strategic Value: Enhances go/no-go decisions by enabling capital-efficient, multi-parametric target evaluation.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization through concurrent validation of central and peripheral phenotypes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery, electrode implantation, and multi-channel electrophysiology.
- Depends on micro-drive arrays, solderable interface boards, and biocompatible electrode materials.
- Necessitates cross-team standardization for signal processing, synchronization, and behavioral correlation protocols.
- Involves adaptation considerations for different brain targets, electrode types, and animal strains.
- Includes practical limitations such as post-implant signal stability, animal recovery time, and tethering constraints in freely moving setups.
