低コストかつオープンソースのリソースの使用げっ歯類モデルにおける高密度脳波取得
2016年11月26日
慢性経頭蓋高密度脳波モンタージュの低コストな構築と外科的移植のための指示書が提供されています。信号の記録、抽出、および処理技術についても説明します。
この方法論の全体的な目標は、慢性高密度経頭蓋電極アレイから構築および記録するための低コストの代替プロトコルを実証することです。この方法は、ニューロンネットワークの大規模な組織化や、感覚誘発応答の空間的および時間的特徴など、神経科学における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、低コスト、再現性、および実験固有のカスタマイズの容易さです。
この方法は、脳波データの複雑な分析に関する洞察を提供できますが、そのアプリケーションは麻酔学、てんかん、および睡眠神経生物学の研究に最適です。ヘッドピースを作るには、まず2×50のピンレンガのピンを非常に薄いマニキュアで断熱します。次に、ピンセットを使用して、ピンのレセプタクルの端をレンガに押し込んで、ピンの8列ごとに取り外します。
ポリッシュが完全に乾いたら、小さな布とアセトンでピンの先端からコーティングを取り除きます。次に、カミソリの刃またはワイヤーカッターを使用して、ブロックをトリミングして2×7のピンレンガを作ります。これらのレンガのうちの 2 つは、経頭蓋脳波電極として機能します。
次に、2 x 50 のレンガの両端から、同じプロセスを使用して EMG 信号を記録するための 2 つの 1 x 2 ピン レンガを準備します。各 1 x 2 レンガは、2 x 50 レンガの外側の滑らかな辺の 1 つを保持する必要があります。フル アレイの 2 つの半分を完成させるには、1 つのレンガの 1 x 2 ピン穴とピンを、2 x 7 ブロックの最も後列のピンに合わせます。
次に、2液性エポキシを使用して滑らかな表面を取り付け、必要に応じてさらにエポキシで接続を強化します。2つの半分を一晩硬化させます。2本の胸部筋電図ワイヤーを作成するには、3cmの絶縁銀線から始めます。
一方の端から1cmの絶縁体を取り除き、裸線にピンセットに巻き付けて2つのループを追加します。次に、もう一方の端から25mmの断熱材を取り除きます。次に、1.5cmのワイヤーから始めて、2本の同様の頸部EMGワイヤーを作成します。
各ヘッドピースの半分から、最も遠い前列の横方向のピンを取り外します。これは、このピンが関連する組織に接触しないためです。ワイヤーを取り付けるには、1×2ブロックのピンを先端から3mm切り取ります。次に、頸部EMGワイヤーを前部ピンに、胸部EMGワイヤーを後部ピンにはんだ付けします。
先に進む前に、マルチメータを導通モードで使用して、各ピンが電気的に絶縁されていることを確認してください。リード線をさまざまなピンの組み合わせに接続し、ペアが電気的に結合されている場合、メーターはビープ音を鳴らします。乾いたら、EMGワイヤーをAP軸と平行になるまで曲げ、横方向の変位を最小限に抑えます。
次に、はんだ付けされた接合部をマニキュアで覆います。次に、ワイヤーカッターとブレインアトラスを使用してピンの長さを調整します。ブレグマからの腹側距離が最大になるピンを見つけます。
このピンをトリムせず、このピンに対して他のすべてのピンをトリムします。ヘッドピースを完成させるには、アプリケーターペンを使用してすべてのピンチップを銀の溶液で覆います。アダプターを準備するには、36ポジションの2列オスnanoコネクタから始めます。
まず、コネクタのワイヤーを2cmの均一な長さにカミソリで下ろします。次に、各ワイヤーの端から2.5mmのワイヤーを剥がします。最後に、細いワイヤーのストランドを一緒に錫メッキし、錫メッキされたワイヤーから剥がれた絶縁体を切り取ります。
次に、コンストリップ ヘッダーの 2 x 50 ピン ブロックからヘッドピースに一致するオス-オス コネクタを作成します。先ほどと同様に、2×7が2つと2つが1つ用意します。次に、ナノコネクタからのアース線の1本を、ブレグマの前方0.6mm、横方向の1mmのピンにはんだ付けします。
このピンはリファレンスとして機能し、RHD 2132アンプチップを使用する場合はグランドとして機能します。次に、錫メッキされたナノコネクタワイヤをグランドピン接続と同じ側にはんだ付けします。各ワイヤは特定のチャンネルにマッピングされるため、アンプのヘッドステージのチャンネルマップ図を参照して、チャンネルをマッピングします。
すべてのワイヤをそれぞれのピンにはんだ付けしたら、未使用のワイヤをすべて切断します。次に、電圧計を使用して、各ピンが他のピンから電気的に絶縁されていることを確認します。電気的絶縁を確認したら、各はんだ付けジョイントの周りにマニキュアを薄く塗布して、各ピンをさらに絶縁します。
次に、2液性エポキシを使用して、一致するナノアダプターをオス-オスレンガの両側ピンアレイに補強します。アダプターの内側部分に余分なエポキシがあってはなりません。これにより、ヘッドピースが同時に差し込まれるのを防ぐことができます。耐久性を高めるために、ナノコネクタのベースをエポキシ樹脂にしてください。
すべてのはんだ付け接合部をエポキシで覆ってください。エポキシ樹脂が乾燥したら、インピーダンス測定を使用してチャンネルマッピングを確認します。マウスをしっかりとセットアップし、bregmaを定位座標系の原点として定義した後、頭蓋骨を内側外側軸と前後軸で水平にします。
次に、直径0.5mmのマイクロドリルビットを使用して、正中線から1.3mm離れて、ブレグマの3.3mm前から始まり、ブレグマの4.5mm後部にバリ穴を開けます。2列を左右に並べます。次に、正中線の両側に1.3mm間隔で、ブレグマの前方2mmから始まり、ブレグマの4.5mm後方で終了するバリ穴を開けます。
次に、ヘッドピースを埋め込みます。ストレート鉗子を使用して、胸部EMGワイヤー用のEMGワイヤートンネルを準備します。マウスの背面から、皮膚から2.5cm下にトンネルを掘り、EMGワイヤーを空洞に配置します。
次に、ピンがバリ穴と揃うように湾曲した鉗子でEEGレンガを操作します。わずかに圧力をかけ、ピンを頭蓋骨に小刻みに動かします。脳波は、適切に挿入されると安定します。
次に、EMGワイヤーを最終位置に調整します。所定の位置にセットしたら、メタクリル酸メチルとその架橋化合物との1対1の混合物を準備します。次に、露出した頭蓋骨、ピン電極のマニキュア部分、およびEMGワイヤーの近位部分をセメントで覆います。
ヘッドピースのメスの容器を覆ったり、動物の毛皮にセメントを入れたりしないでください。セメントが乾いたら、取り付け手順が完了します。マウスを脳定位固定装置フレームから取り外し、バイタルサインを監視しながら回復させます。
手術の2週間後、完全に回復したマウスは、アダプターを介して記録ケーブルにつなぎ合わせて慣れさせることができます。マウスを慣れさせた後は、実験に使用することができます。アダプター、アンプ、標準インターフェースケーブルを介してマウスをアクイジションボードに接続した後、Open E-Fizzレコーディングソフトウェアを開きます。
そこで、モジュールをシグナルチェーンにドラッグして、リズムFPGAとLFPビューアのシグナルチェーンを作成します。次に、毎秒30.0キロサンプルの電極インピーダンス値を取得します。次に、録音に必要なサンプリングレートを選択します。
必要に応じて、フィルタをシグナルチェーンにドラッグすることもできます。データの保存パスと目的のサンプリングレートを選択して続行します。次に、LFPビューアウィンドウをクリックし、再生ボタンを押します。
次に、ドローメソッドを使用してEEGを視覚化し、信号の振幅、スイープ速度、および使用中のフィルターの設定を変更してビューを調整します。すべての設定を調整したら、録音を開始します。データは、高密度EEGヘッドピースを移植した自由に動くマウスから収集されました。
胸部筋電図の記録には、心臓に由来する電気的活動が埋め込まれています。頸部筋電図には、筋緊張に関する情報が含まれています。個々のEEG波形は、チャネルマッピングスキームに対応しています。
この記録により、心電図によるQRSスパイクの間隔を測定することにより、マウスの心拍数を計算することができます。同様に、胸腔が呼吸ごとに拡大および収縮するときのQRSスパイクの位相変動を計算することにより、マウスの呼吸数を測定することが可能です。したがって、この設定により、マウス睡眠ポリグラフ検査の取得が可能になります。
この設定により、視覚誘発電位の皮質マッピングが可能になります。10ミリ秒の光パルスが左目だけに送達されると、古典的な反応は対側の一次視覚野に記録され、続いて反対側の二次視覚野で遅延反応が記録されます。これは、反対側のV1およびV2の皮質表面全体にわたって電位が時間的に変化することで容易に確認できます。このビデオを見れば、げっ歯類モデル用の高密度微小電極アレイの構築方法と、埋め込まれたアレイからの記録方法について十分に理解できるはずです。
一度習得すると、この技術の構築と移植の部分は、適切に実行すれば2時間で完了します。この手順を試みるときは、硬膜を貫通せずに適切な硬膜外電極の接触を作成することを忘れないでください。ピンのトリミングとヘッドピースの埋め込み時の注意深さにより、適切な電極接触の可能性を最大限に高めることができます。
がんばって！
概要
本記事では、マウスにおける慢性的な経頭蓋高密度脳波測定用モンタージュの構築および外科的植込みのための低コストな手法を紹介します。また、信号の記録、抽出、および処理に関する技術について詳しく解説します。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- 電気生理学
- 神経生物学
背景
- 神経ネットワークの大規模な組織化の理解。
- 感覚誘発電位の空間的および時間的特徴の調査。
- 麻酔科学、てんかん、および睡眠神経生物学への応用。
- 研究における低コストで再現性のある手法の重要性。
研究目的
- マウスを用いたEEG研究のための費用対効果の高いプロトコルを提供すること。
- 特定の実験上のニーズに合わせたカスタマイズを容易にすること。
- 複雑な脳波データの理解を深めること。
使用方法
- 絶縁ピンを用いた高密度電極アレイの作製。
- マウスへの電極アレイの外科的植込み技術。
- EEGおよびEMG信号の記録および処理方法。
- 電気的絶縁の検証およびインピーダンス測定。
主な結果
- マウスへの電極アレイの正常な埋め込み。
- 本手法の再現性と簡便性の実証。
- ニューロンネットワークの構成に関する知見の獲得。
- 神経科学の多様な分野における応用の可能性。
結論
- 記載された手法は、慢性期EEG研究における実行可能な代替案を提供します。
- 本手法は、神経科学における重要な課題の調査を支援します。
- 今後の研究では、この低コストのアプローチを多様なアプリケーションに活用することが可能です。
よくある質問
産業上の重要性
齧歯類モデルにおける高密度脳波（EEG）計測は、神経ネットワークの構成と感覚処理の詳細な解析を可能にし、中枢神経系（CNS）創薬における初期段階のターゲット検証およびメカニズムのリスク低減を支援します。本稿で述べる低コストでオープンソースの手法は、前臨床チームのアクセシビリティと再現性を向上させ、自由行動下にある動物からの堅牢な定量的データ収集を容易にします。この機能は、神経科学に特化した研究開発（R&D）ポートフォリオにおける重要な転換点での予測精度を高めます。
バイオ医薬品R&Dにおける戦略的応用
初期発見およびターゲット検証
- 機能的ターゲットの検証に向けた、神経活動の高解像度マッピングを可能にします。
- ネットワーク応答の空間的および時間的特性を明らかにすることで、メカニズムの低リスク化を支援します。
- 疾患モデルに関連するCNS経路の、仮説駆動型の解析を促進します。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 下流のアッセイ開発に向けた、検証済みで再現性のあるEEGおよびEMG信号を提供します。
- 電極の配置と信号取得を標準化し、研究間での比較可能性を確保します。
- 神経活性パイプラインにおける化合物スクリーニングに適した定量的出力を提供します。
トランスレーショナルおよび前臨床研究
- トランスレーショナルなバイオマーカーの整合性のために、自由行動下のげっ歯類におけるポリソムノグラフィーおよび皮質マッピングを可能にします。
- CNS（中枢神経系）および睡眠障害モデルにおける、探索から前臨床検証までの連続性をサポートします。
- 小動物システムにおいて堅牢な縦断的神経データを提供することで、生物学的リスクを低減します。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、ディスカバリーから前臨床に至る一連の流れに組み込まれており、神経科学ポートフォリオにおける初期のメカニズム研究、リード化合物の同定、およびトランスレーショナルリサーチを支援します。
- 探索生物学： 高密度神経記録を通じて、仮説検定およびパスウェイの解明を促進します。
- スクリーニング： アッセイの準備や化合物評価に適した、再現性のある定量的なEEG/EMGデータを提供します。
- 分析： 比較分析のために、心拍数、呼吸数、および皮質反応の測定を可能にします。
- トランスレーショナルリサーチ： 睡眠およびてんかん研究において、齧歯類の神経リードアウトをヒトに関連するバイオマーカーと整合させます。
- 企業的再利用： 中枢神経系（CNS）研究プログラム全体で、繰り返し研究を行うための拡張可能でカスタマイズ可能なプラットフォームを提供します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：中枢神経系（CNS）ターゲットバリデーションにおける予測の信頼性を高め、メカニズムの曖昧さを低減する。
- 運用的価値：神経データの取得における標準化、再現性、およびコスト効率を促進する。
- 戦略的価値：神経科学ポートフォリオにおけるgo/no-go判断の質と資本配分を改善する。
- ポートフォリオへの影響：CNSおよび睡眠障害資産のリスク調整後の優先順位付けと前進を可能にする。
実施上の留意点
- げっ歯類の手術および定在座標（ステレオタキシック）植込技術の専門知識が必要です。
- 電気生理学的な計測機器およびオープンソースのデータ収集ソフトウェアへのアクセスが必要です。
- 電極マッピングと信号処理に関して、チーム間での厳格な標準化が求められます。
- マウスとラットの両方に適応可能ですが、頭蓋骨のサイズや電極密度に応じてプロトコルの調整が必要です。
- 実用上の制限として、組織への損傷を避け信号品質を確保するために、慎重な電極配置が必要となる点が挙げられます。
