概要

ミリサイズのコイルと組み合わせた低コスト脳波記録システムにより、マウス脳をin vivoで経頭的に刺激する

Published: May 26, 2023
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概要

vivoでマウス脳の経頭蓋磁気刺激を駆動するために、ミリメートルサイズのコイルと組み合わせた低コストの脳波記録システムが提案されています。カスタムメイドの柔軟な多電極アレイ基板を備えた従来のスクリュー電極を使用して、経頭蓋磁気刺激に応答してマウス脳からマルチサイト記録を行うことができます。

Abstract

ここでは、ミリサイズのコイルを利用して、マウス脳の経頭蓋磁気刺激(TMS)を in vivoで 駆動するための低コストの脳波(EEG)記録システムが提案されています。従来のスクリュー電極とカスタムメイドの柔軟な多電極アレイ基板を組み合わせて、マウスの脳からマルチサイト記録を行うことができます。また、実験室でよく見かける低コストの装置でミリサイズのコイルを製造する方法についても説明します。また、低ノイズの脳波信号を生成するために必要な、フレキシブル多電極アレイ基板の実用的な製造手順とスクリュー電極の外科的移植技術も紹介します。この方法論はあらゆる小動物の脳からの記録に有用であるが、本報告では麻酔をかけたマウス頭蓋骨における電極の実装に焦点を当てている。さらに、この方法は、共通のアダプタ を介して テザーケーブルで接続され、記録中にTMS装置で頭部に固定される覚醒中の小動物に容易に拡張することができる。最大32個のEEGチャネル(16個のチャネルを有する装置がより少ないチャネルを有する例として提示される)および1つのTMSチャネル装置を含むことができるEEG−TMSシステムの本バージョンが説明される。さらに、EEG-TMSシステムを麻酔マウスに適用することによって得られた典型的な結果が簡単に報告されています。

Introduction

経頭蓋磁気刺激法(TMS)は、非侵襲性/低侵襲性のため、ヒトの脳科学、臨床応用、動物モデル研究に有望なツールです。TMSアプリケーションの初期段階では、ヒトおよび動物におけるシングルパルスおよびペアパルスTMSに応答する皮質効果の測定は、運動皮質に限定されていました。容易に測定可能な出力は、運動誘発電位および運動皮質1,2を含む誘導筋電位に限定されていた。TMS変調で測定できる脳領域を拡大するために、脳波記録(EEG)記録をシングルパルスTMSおよびペアパルスTMSと統合し、脳全体の領域の興奮性、接続性、および時空間ダイナミクスを直接調べる有用な方法として3,4,5。したがって、TMSと脳波記録(TMS-EEG)の脳への同時適用は、皮質内神経回路を調べるためにヒトおよび動物の様々な表在皮質脳領域を調査するために使用されてきた(Tremblayら6を参照)。さらに、TMS-EEGシステムを使用して、他の皮質領域への信号の伝播や振動活動の生成など、追加の皮質時空間特性を調べることができます7,8

しかし、TMSの非侵襲性のために、脳におけるTMSの作用機序は推測のままであり、TMSの適用中に脳がどのように機能するかについての知識が制限されています。したがって、げっ歯類からヒトまでの動物を対象とした侵襲的なトランスレーショナル研究は、神経回路とその活動に対するTMSの影響のメカニズムを理解するために非常に重要です。特に、動物におけるTMS-EEG複合実験では、小動物用の同時刺激および測定システムが集中的に開発されていません。したがって、実験家は、特定の実験要件に応じて試行錯誤によってそのようなシステムを構築する必要があります。また、マウスモデルは、多くのトランスジェニックマウス系統や系統分離マウス系統が生物資源として利用可能であるため、他の in vivo 動物種モデルの中でも有用です。したがって、マウス用のTMS-EEG複合測定システムを構築するための便利な方法は、多くの神経科学研究者にとって望ましいでしょう。

本研究では、研究で用いられるトランスジェニック動物の主な種類であるマウス脳の同時刺激と記録に適用でき、一般的な神経科学研究室で容易に構築できるTMS-EEG併用法を提案します。まず、従来のスクリュー電極とフレキシブル基板を使用して、各実験で電極アレイ位置を再現性よく割り当てる低コストのEEG記録システムについて説明します。第二に、磁気刺激システムは、一般的な実験室で簡単にカスタムメイドできるミリメートルサイズのコイルを使用して構築されます。第三に、TMS-EEG複合システムは、音と磁気刺激に応答した神経活動を記録します。この研究で提示された方法は、小動物に特定の障害を引き起こすメカニズムを明らかにすることができ、動物モデルで得られた結果は、対応する人間の障害を理解するために翻訳することができます。

Protocol

本研究では、すべての動物実験は、国立衛生研究所の実験動物の管理と使用に関するガイドに従い、北海道大学動物実験委員会の承認を得て行った。C57BL/6Jマウス(雄2匹、雌3匹、8〜10週齢)を本研究に用いた。これはターミナルプロシージャです。動物は商業的な供給源から入手した( 材料表を参照)。 1.柔軟な2次元アレイの設計と構築 脳?…

Representative Results

スクリュー電極と組み合わせたフレキシブル基板を使用して麻酔したC57BL / 6Jマウスで記録されたサンプルEEGデータを以下に示します。 典型的な例として、同一の刺激を用いた60回の試行について、音刺激(8kHzトーンバースト、80dB音圧レベル[SPL])に応答して生成される平均EEG波形が示されています(図4A)。記録チャンネルマッピングの概略図も <strong c…

Discussion

この研究は、マウスを含む小動物用に設計された磁気刺激システムと組み合わせたマルチサイトEEG記録システムに取り組んでいます。構築されたシステムは低コストで、生理学的実験室で簡単に構築でき、既存の測定セットアップを拡張できます。マウス記録システムからデータを取得するために必要な外科的手順は、そのような実験室が標準的な電気生理学的実験の経験がある場合、非常?…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

本研究は、村田科学振興財団、スズケン記念財団、中谷医工学計測技術振興財団、T.萌芽研究(課題番号21K19755)および基盤研究(B)(課題番号23H03416)の支援を受けて行われました。

Materials

3D printer Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd FFD-101 The printer used for 3D-printing the donut-shaped disks
ATROPINE SULFATE  0.5 mg NIPRO ES PHARMA CO., LTD. Atropine sulfate
Bipolar amplifier NF Corp. KIT61380 For amplifying waveforms for coil input
Butorphanol Meiji Seika Pharma
Co., Ltd., Tokyo, Japan
For anathesis of animals
Commercial manufacturer of flexible 2D array p-ban.com Corp. URL: https://www.p-ban.com/
Computer prograom to analyze output signals Natinal Instruments NI-DAQ and  NI-DAQmx Python To analyze output signals from the hall-effect sensor
Connector Harwin Inc. G125-FV12005L0P For connector to conect to the measuring system
Copper pad p-ban.com Corp. copper Copper pad on each substrate
Copper wire Kyowa Harmonet Ltd. P644432 The windings of the coil
DAQ board National Instruments Corp. USB-6343 For measuring the magnitic flux density of the coil
Dental cement SHOFU INC. Quick Resin Self-Curing Orthodontic Resin
ECoG electrode NeuroNexus Inc. HC32 For reference to design of the flexible 2D array
Epoxy resin Konishi Co. Ltd. #16123 For coil construction
Ethyl Carbamate FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. 050-05821 For urethan anesthesia
Flat ribbon cable Oki Electric Cable Co., Ltd. FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m For cable to connect between surface-mount connector and measuring sysytem
flexible substrate p-ban.com Corp. polyimide Baseplate of flexible substrate
Function generator NF Corp. WF1947 For generating waveforms for coil input
Hall-effect sensor Honeywell International Inc. SS94A2D For measuring the magnitic flux density of the coil
IDC crimping tool Pro'sKit Industries Co. 6PK-214 To crimp the IDC and one end of the flat ribbon cable; Flat cable connector crimping tool
Instant glue Konishi Co. Ltd. #04612 For coil construction
Insulation-displacement connector (IDC ) Uxcell Japan B07GDDG3XG 2 × 10 pins and a 1.27 mm pitch 
LCR meter NF Corp. ZM2376 For measuring the AC properties of the coil
Manipulator NARISHIGE Group. SM-15L For manipulating the coil
Medetomidine Kobayashi Kako, Fukui, Japan For anathesis of animals
Midazolam Astellas Pharma, Tokyo, Japan For anathesis of animals
Miniature screw KOFUSEIBYO Co., Ltd. S0.6*1.5 For EEG-senseing and reference electrode
Mouse Japan SLC, Inc. C57BL/6J (C57BL/6JJmsSlc) Experimental animal
Permalloy-45 rod The Nilaco Corp. 780544 The core of the coil
Recording system Plexon Inc. OmniPlex For EEG data acquisition
Stainless wire Wakisangyo Co., Ltd. HW-136 For grasp by manipulator
Stereotaxic apparatus NARISHIGE Group. SR-5M-HT To fix a mouse head
Surface-mount connector Useconn Electronics Ltd. PH127-2x10MG For connector to mount on the flexible 2D array
Testing equipment (LCR meter) NF Corp. ZM2372 Contact check and impedance measurements
White PLA filament Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd PLA-F13 The material used for 3D-printing the donut-shaped disks
Xylocaine Jelly 2% Sandoz Pharma Co., Ltd. lidocaine hydrochloride

参考文献

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記事を引用
Yoshikawa, T., Sato, H., Kawakatsu, K., Tateno, T. Low-Cost Electroencephalographic Recording System Combined with a Millimeter-Sized Coil to Transcranially Stimulate the Mouse Brain In Vivo. J. Vis. Exp. (195), e65302, doi:10.3791/65302 (2023).

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