Questo protocollo è stato sviluppato per creare un sistema affidabile e facilmente accessibile per la registrazione dell'EEG dei roditori in movimento libero.
Articolo metodologico
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Questo protocollo è stato sviluppato per creare un sistema affidabile e facilmente accessibile per la registrazione dell'EEG dei roditori in movimento libero.
L'elettroencefalografia (EEG) è uno strumento fondamentale per il monitoraggio dell'attività elettrica nel cervello ed è diventata sempre più importante sia nella diagnostica clinica che nella ricerca preclinica sugli animali. Mentre l'EEG dei roditori offre una potente piattaforma per la modellazione dei disturbi neurologici umani, le registrazioni a lungo termine sono spesso limitate dall'alto costo, dall'invasività o dalla complessità tecnica dei sistemi esistenti. Qui, presentiamo un protocollo affidabile, accessibile, economicamente praticabile e minimamente intrusivo per l'acquisizione di EEG corticali cronici e multisito in topi che si muovono liberamente. La tecnica prevede la fabbricazione di fili di platino-iridio con elettrodi a vite collegati a un'interfaccia di tipo USB (Universal Serial Bus), che vengono ancorati epiduralmente utilizzando viti ossee e fissati con adesivo e cemento dentale. Il sistema consente una cattura stabile del segnale per diversi mesi, come dimostrato nei topi C57BL/6J wild-type con un tasso di sopravvivenza post-operatoria dell'85% (n = 20). L'EEG è stato campionato a 1.000 Hz e filtrato tra 1 Hz e 500 Hz utilizzando una configurazione di amplificatore differenziale. Per convalidare il sistema, è stato somministrato pentilenetetrazolo (20 mg/kg) per indurre un'attività simile alle convulsioni, portando a un marcato aumento delle scariche interictali - da 2-5 al basale a 20-51 eventi dopo l'iniezione - accompagnate da un aumento dell'ampiezza del segnale. Le scariche sono state identificate in base alla morfologia della forma d'onda e alle caratteristiche del segnale che corrispondono a criteri elettrofisiologici riconosciuti. La configurazione è compatibile con il tracciamento video comportamentale e le pipeline di analisi open source e supporta l'integrazione con studi farmacologici, genetici o di neuromodulazione. Questo metodo fornisce una piattaforma stabile e adattabile per studiare le dinamiche della rete cerebrale nei modelli di roditori, con applicazioni nella ricerca sull'epilessia e oltre.
L'elettroencefalografia (EEG) fornisce una misura diretta dell'attività elettrica cerebrale ed è ampiamente utilizzata nella diagnosi dell'epilessia1. Negli ultimi anni, le tecniche EEG sono state sempre più adattate per l'uso in modelli di piccoli animali per studiare i disturbi neurologici, la fisiologia del sonno e la dinamica della rete cerebrale 2,3,4. Con l'avvento di modelli murini geneticamente modificati e progressi significativi nelle tecnologie di registrazione, l'EEG dei roditori è diventato uno strumento essenziale per la ricerca preclinica, offrendo preziose informazioni sui meccanismi traslazionali rilevanti per la salute del cervello umano 5,6.
Catturare e manipolare simultaneamente l'attività neurale è fondamentale per studiare le dinamiche cerebrali sia a livello macro che microcircuitale. Questo duplice approccio consente il monitoraggio in tempo reale delle reti neurali coinvolte nell'inizio e nella progressione delle crisi. L'epilessia, caratterizzata da convulsioni ricorrenti e spesso imprevedibili, deriva da interruzioni in circuiti cerebrali complessi4. Nonostante l'ampia ricerca, i meccanismi che regolano la diffusione e l'insorgenza delle crisi rimangono incompleti e non sono ancora stati compresi, in parte a causa dell'uso limitato di tecnologie che consentono registrazioni simultanee inpiù aree cerebrali.
La registrazione EEG da modelli animali che ricapitolano i disturbi neurologici umani ha rivelato picchi interictali, scariche di picchi e onde e modelli di insorgenza delle crisi che rispecchiano da vicino quelli osservati nei pazienti umani 8,9, facendo così progredire la nostra comprensione dei cambiamenti elettrofisiologici che avvengono nel cervello umano. Allo stesso modo, le anomalie EEG rilevate nei modelli di Alzheimer, disturbo dello spettro autistico e schizofrenia forniscono informazioni critiche sull'interruzione dell'attività oscillatoria neurale ed evidenziano potenziali bersagli terapeutici10.
Nonostante le differenze nell'anatomia e nella scala del cervello, gli EEG di topo e umani mostrano sorprendenti somiglianze 2,11. Entrambe presentano bande di frequenza oscillatorie caratteristiche - delta, theta, alfa, beta e gamma - con spettri di potenza che generalmente seguono una distribuzione 1/f 2,11. Le transizioni tra gli stati cerebrali, come l'emergere dell'attività delta durante il sonno NREM (Non-Rapid Eye Movement) o l'aumento della sincronizzazione gamma durante i compiti di attenzione e memoria, sono conservate in tutte le specie. Inoltre, l'attività epilettiforme, comprese le oscillazioni ad alta frequenza (HFO) e i pattern ictali, mostra profili temporali e spettrali comparabili sia nei topi che nell'uomo7.
Le caratteristiche conservate dell'EEG umano e dei roditori rendono i modelli murini altamente traslazionali per lo studio dei disturbi cerebrali. L'EEG del topo consente registrazioni invasive e ad alta risoluzione che consentono un'analisi dettagliata a livello di circuito12. Supporta anche la sperimentazione di strategie neuromodulatorie, tra cui agenti farmacologici, controllo optogenetico e stimolazione a circuito chiuso13,14, che possono essere accoppiate con strumenti comportamentali e molecolari per interrogare con precisione la disfunzione neurale.
Tuttavia, è necessario prestare attenzione quando si estrapolano i risultati. Le dimensioni più piccole e la struttura corticale più semplice del cervello del topo possono influenzare la propagazione del segnale e i potenziali cognitivi correlati agli eventi (ERP) possono essere meno prominenti rispetto agli esseri umani15. Garantire la coerenza nel posizionamento degli elettrodi, nel riferimento del segnale e nelle tubazioni analitiche è fondamentale per migliorare la riproducibilità e la validità tra laboratori16.
La registrazione dell'EEG nei piccoli animali presenta sia opportunità che sfide. L'EEG di topo viene tipicamente acquisito utilizzando elettrodi impiantati cronicamente posizionati epiduralmente sulla superficie del cranio o come elettrodi di profondità inseriti nelle strutture sottocorticali17,18. Gli elettrodi di superficie, come gli elettrodi a vite o a filo posizionati sulla dura madre, sono minimamente invasivi e adatti per registrazioni longitudinali a lungo termine. Tali elettrodi si trovano sotto l'osso, il che fornisce una barriera ad alta impedenza alla registrazione. Di conseguenza, gli elettrodi durali nei roditori possono essere considerati più paragonabili all'elettrocorticografia (eCoG) che all'EEG. Gli elettrodi di profondità, al contrario, offrono una maggiore risoluzione spaziale e consentono l'accesso a regioni cerebrali profonde come l'ippocampo, il talamo o l'amigdala, facilitando gli studi sulle reti convulsive e l'accoppiamento oscillatorio tra le regioni di distribuzione 2,11.
I moderni sistemi EEG per roditori supportano la registrazione multicanale con un'alta risoluzione temporale e sono spesso abbinati al monitoraggio video per la correlazione comportamentale18. Inoltre, i sistemi EEG wireless consentono l'acquisizione in tempo reale senza fili in animali che si comportano liberamente, riducendo al minimo i vincoli di movimento e lo stress19. Sebbene con il tempo queste modernizzazioni siano state rese disponibili in commercio, sono molto costose o sono troppo invasive per studiare il modello di roditore per un lungo periodo di tempo.
Per colmare questa lacuna, presentiamo un protocollo versatile ed economico per l'acquisizione di EEG multisito in modelli di roditori, adatto per studi a lungo termine con un'invasività minima. Questo approccio di registrazione EEG è particolarmente adatto per studi che richiedono una valutazione ad alta risoluzione dell'attività corticale nei topi in condizioni sperimentali controllate. È meglio applicarlo quando (i) l'animale può tollerare una breve anestesia durante l'impianto dell'elettrodo e riprendersi completamente, (ii) è garantito un posizionamento stabile della testa o un movimento minimo durante le registrazioni, (iii) si desidera un monitoraggio a lungo termine o ripetuto dell'attività neurale e (iv) il disegno sperimentale può ospitare registrazioni su più animali singoli o limitate a seconda della capacità dell'amplificatore. I ricercatori dovrebbero considerare questi vincoli per determinare se questo metodo è in linea con i loro obiettivi sperimentali.
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Questo protocollo ha ricevuto l'approvazione dal Comitato per la cura e l'uso degli animali dell'Università di Augusta. La Guida del National Institutes of Health per la cura e l'uso degli animali da laboratorio è stata seguita in ogni fase dell'esperimento. Sono state implementate tutte le misure possibili per ridurre al minimo il numero di animali utilizzati in questo studio. I topi utilizzati per questo studio sono C57Bl6J wild-type di 2 mesi. Il tempo necessario per eseguire ogni passaggio è incluso nei rispettivi passaggi.
1. Preparazione dei pin della spina con gli elettrodi (5 min)
2. Impianto di elettrodi (30 min)
3. Registrazione EEG (65 min)
4. Interpretazione dei dati
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Gli elettrodi sono stati impiantati in 20 topi su uno sfondo C57Bl6J, inclusi 5 topi C57Bl6J wild-type, con un tasso di sopravvivenza post-operatoria dell'85% mantenuto fino a 6 mesi dopo l'intervento chirurgico (Figura 4B). Dopo 6 mesi, i copricapi hanno iniziato a staccarsi e tutti i topi sono stati soppressi a 8 mesi di età. Il peso medio del gruppo dei copritesta, compreso il connettore e le viti, era di 1,13 g (n = 20). I topi hanno ripreso conoscenza e...
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In questo studio, abbiamo sviluppato e convalidato un protocollo robusto, economico e minimamente invasivo per la registrazione EEG cronica multi-sito in topi che si muovono liberamente. Il successo dell'impianto di elettrodi a vite e di elettrodi di platino-iridio fabbricati su misura saldati a un connettore USB, insieme al tasso di sopravvivenza osservato e alla qualità della registrazione, dimostra la fattibilità e l'affidabilità della tecnica nelle registrazioni croniche. In particol...
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DTB è un consulente retribuito della Fondazione Alfred Mann. Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti o altri conflitti di interesse ai sensi di questo lavoro.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| filo di iridio platino da 0,003" | Sistemi AM | 777000 | |
| Viti ossa da 1,5 mm | Specialità Antrin Miniature | 000-120X1/16 SL BINDING MS SST | |
| Amplificatore AC | Sistemi AM | ||
| Carprofen | Covetrus | 11695-6935-1 | |
| Coldpac Denture base in acrilico | Compagnia Motloid Yates | https://www.yates-motloid.com/collections/coldpac/denture-base | |
| Trapano dentale 1,4 mm | Volvere GX | N/A | |
| Desametasone | VEDCO | 50989-437-12 | |
| Lubrificante per gli occhi | Optix Care | https://theoptixcare.com/ | |
| Perossido di idrogeno | Sigma Aldrich | 7722-84-1 | |
| NIDAQ USB & nbsp; | Strumenti Nazionali | https://www.ni.com/en/shop/data-acquisition/entry-level-usb-daq.html | Acquisizione dati e condizionamento del segnale USB |
| Pentilenetetrazolo | Caymen Chemicals | 18682 | |
| Pasta di flusso di rosin per saldatura | Weller | https://www.weller-tools.com/us/en/consumer/products/soldering-accessories/ | |
| Filo saldatore 0,32" | Radio Shack | N/A | |
| Super colla | Loctite | N/A | |
| Prese femmina USB tipo B | Venditore QM | X00292ABU9 |
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