רישום פעילות שרירי הפורלימב בעכברים עם ראש קבוע עם אלקטרודות EMG מושתלות כרוניות
29 במרץ 2024
פרוטוקול זה מתאר ייצור ידני והשתלה כירורגית של אלקטרודות אלקטרומיוגרפיות (EMG) בשרירי הגפיים הקדמיות של עכברים כדי לרשום את פעילות השרירים במהלך ניסויי התנהגות קבועים בראש.
אני מתעניין באופן שבו חלקים בקליפת המוח המוטורית של עכבר, שנקראים קליפת המוח המוטורית הראשונית והשנייה, מתקשרים זה עם זה כדי להשפיע על פעילות השרירים במהלך סוגים שונים של תנועות. אם כן, אנו יודעים שגם קליפת המוח המוטורית הראשונית וגם המשנית מקרינות על חוט השדרה, אך לא ברור כיצד הן משפיעות באופן דיפרנציאלי על התנועה. לכן אני משתמש בפרוטוקול הזה כדי להשוות את ההשפעות של השבתת קליפת המוח המוטורית הראשונית והמשנית על פעילות שרירי הגפיים הקדמיות לאורך כל התנועה, כדי להבין כיצד הם שולטים באופן דיפרנציאלי בתנועה.
השימוש ב-EMG של שרירי הגפיים הקדמיות אפשר לנו למדוד את ההשפעה של השבתה אופטוגנטית של אזורים שונים במערכת המוטורית על תפוקת המנוע. לדוגמה, הצלחנו להראות שהשפעה מוטורית ישירה של קליפת המוח על השרירים היא ספציפית להתנהגויות מוטוריות מסוימות ולמצבי פעילות שרירים מסוימים במהלך התנהגויות אלה. מערכים מרובי אלקטרודות חדשים בקנה מידה גדול כמו Neuropixels מאפשרים לנו כעת להקליט מאוכלוסיות נוירונים גדולות על פני אזורים שונים במערכת המוטורית בו זמנית.
ביצוע רישומי EMG במהלך רישומים עצביים אלה יאפשר לנו לאפיין כיצד יחסי הגומלין בין אזורי המערכת המוטורית הללו תלויים במצב פעילות השרירים.
סקירה כללית
מחקר זה מפרט פרוטוקול לייצור ידני ולהשתלה כירורגית של אלקטרודות אלקטרומיוגרפיה (EMG) בשרירי הגפה הקדמית של עכברים. המטרה היא להקליט פעילות שרירים במהלך ניסויי התנהגות בראש מקובע, כדי להבין את השליטה הדיפרנציאלית בתנועה על ידי קליפת המוח המוטורית הראשונית והשנייה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- אלקטרופיזיולוגיה
- ניתוח התנהגותי
רקע
- אינטראקציות בין קליפת המוח המוטורית הראשונית והמשנית משפיעות על הפעילות השרירית.
- שני האזורים המוטוריים מקרינים אל חוט השדרה, אך השפעתם הדיפרנציאלית על התנועה אינה ברורה.
- שימוש ב-EMG של שרירי הגפה הקדמית מספק תובנות לגבי הפעילות השרירית במהלך תנועות שונות.
- מערכי רב-אלקטרודות רחבי-היקף מאפשרים הקלטה סימולטנית מנוירונים רבים.
מטרת המחקר
- להשוות את ההשפעות של נטרול קליפת המוח המוטורית הראשונית והשניונית על פעילות שרירי הגפה הקדמית.
- לקבוע כיצד אזורים אלו שולטים באופן דיפרנציאלי בתנועה במצבי פעילות שרירית שונים.
- להשתמש במדידות EMG לצד הקלטות עצביות כדי להבין טוב יותר את הבקרה המוטורית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הפרוטוקול כולל הן את ייצור אלקטרודות ה-EMG והן את השתלתן הכירורגית בעכברים.
- עכברים משמשים כמודל ביולוגי לבחינת פעילות השרירים והאינטראקציות עם קליפת המוח המוטורית.
- הפרטים כוללים ניתוחים מדויקים וטכניקות קשירה לקשירה מאובטחת של האלקטרודות.
- לוח הזמנים כולל הוראות מדויקות שלב אחר שלב להכנת האלקטרודות ולהשתלתן.
- כל האלקטרודות שהושתלו היו תפקודיות והפיקו אותות EMG נקיים זמן קצר לאחר ההשתלה.
תוצאות עיקריות
- המחקר מדגים בהצלחה את התפקוד של אלקטרודות מושתלות בהקלטת פעילות שרירים.
- הממצאים מצביעים על כך שההשפעה הישירה של קליפת המוח המוטורית על השרירים משתנה בהתאם להתנהגות המוטורית ולמצבי השריר.
- ביצועי האלקטרודות תוקפו לאורך זמן, כאשר חלק מהאלקטרודות הפסיקו לתפקד לאחר תקופות ממושכות.
- גישה זו מאפשרת בחינה מפורטת של האינטראקציות בין אזורים מוטוריים בקליפת המוח לבין תגובות השרירים.
מסקנות
- פרוטוקול זה מספק שיטה מהימנה להקלטת פעילות שרירים, החיונית לניתוח מנגנוני בקרה מוטורית.
- אף שניתוח מולטי-אומיקה (multiomics) לא היה רלוונטי כאן, העבודה תורמת להבנת האינטראקציות הנוירונליות בבקרה מוטורית.
- לממצאים יש השלכות על מחקרים נוספים בנושא הפלסטיות של מערכות מוטוריות ותפקידן בהפרעות תנועה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
השתלת אלקטרודות EMG כרונית בעכברים מקובעי ראש מאפשרת מדידה לרוחבה ברזולוציה גבוהה של פעילות שרירים במהלך מניפולציות התנהגותיות ועצביות מוגדרות. יכולת זו תומכת בהסרת סיכונים מכניסטית ובתיקוף מטרות במחקר של מערכות מוטוריות, ובכך מגשרת בין חקירת מעגלים עצביים לבין פלט מוטורי כמותי. גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי עבור נוירוסיינס תרגומי ותיקי מטרות נוירו-שריריות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה ישירה של תפקוד מעגלים מוטוריים ותרומות ספציפיות של מסלולים לפעילות השרירים.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של מטרות על ידי קישור הפרעות עצביות לפלטים מוטוריים מדידים.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי הבהרת התפקידים של קליפת המוח המוטורית הראשונית והשניונית בבקרת התנועה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק מערכת מתוקפת לקבלת תוצאות EMG כמותיות וניתנות לשחזור במודלים של בעלי חיים קטנים.
- מאפשר סטנדרטיזציה של הבדיקה להערכת מניפולציות עצביות והתערבויות פרמקולוגיות על הפלט המוטורי.
- תומך במוכנות לסריקה של תרכובות או כלים גנטיים המכוונים למסלולים נוירו-שריריים.
מחקר טרנסלציונלי ופרה-קליני
- מתאים מודלים פרה-קליניים לפנוטיפים מוטוריים רלוונטיים למחלה ולסמנים ביולוגיים תפקודיים.
- מאפשר רצף מגילוי מעגלים עצביים ועד למחקרי יעילות פרה-קליניים בהפרעות תנועה.
- תומך בקידום מותאם סיכון על ידי אספקת נקודות קצה כמותיות ואסוביות לתפקוד מוטורי.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
שיטה זו משתלבת ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני, בכך שהיא מאפשרת בדיקה מונחית-השערה של תפקוד מעגלים עצביים והשפעתם על פעילות השרירים in vivo.
- ביולוגיה של הגילוי: מסייעת להבהרת מסלולים ולבדיקת היפותזות באמצעות אינאקטיבציה עצבית ומדידת EMG.
- סריקה: מספקת נתונים כמותיים הניתנים לשחזור של פעילות שרירים לצורך השוואות בין תנאים שונים.
- אנליטיקה: מספקת פלטי EMG ברזולוציה של מילישניות לצורך ניתוח סטטיסטי של מניפולציות במערכת המוטורית.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין ממצאים של מעגלים עצביים לנקודות קצה מוטוריות תפקודיות הרלוונטיות למודלים פרה-קליניים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה לשימוש חוזר למגוון מחקרים נוירו-שריריים ונוירו-פרמקולוגיים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי ומפחית עמימות מכניסטית במחקר של מערכת המוטוריקה.
- ערך תפעולי: מייצר סטנדרטיזציה להקלטת EMG במודלים של בעלי חיים קטנים לצורך הדירות ויכולת הרחבה.
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס להחלטות go/no-go על ידי קישור בין התערבויות עצביות לתוצאות תפקודיות.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים של מטרות והתערבויות נוירו-מוסקולריות.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בניתוחים בבעלי חיים קטנים ובייצור אלקטרודות כרוניות.
- נדרשת גישה לציוד אלקטרופיזיולוגי ולתשתיות לניתוח נתונים.
- נדרשת סטנדרטיזציה בין צוותים למיקום האלקטרודות ולבקרת איכות האות.
- ייתכן שיהיה צורך בהתאמות עבור קבוצות שרירים שונות או פרדיגמות התנהגותיות.
- יציבות האות לטווח ארוך ועמידות האלקטרודות הן מגבלות מעשיות שיש לנטר.
