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
November 26th, 2016
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
この記事では、マウスにおける慢性的経頭蓋高密度脳電図モニタの構築と外科的埋め込みのための低コストな方法を提示します。信号記録、抽出、処理の技術について詳述します。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 電気生理学
- 神経生物学
背景
- ニューロンネットワークの大規模組織の理解。
- 感覚誘発反応の空間的および時間的特徴の調査。
- 麻酔学、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可能な方法の重要性。
研究の目的
- マウスにおけるEEG研究のためのコスト効果の高いプロトコルを提供すること。
- 特定の実験ニーズに合わせてカスタマイズを容易にすること。
- 複雑な脳電図データの理解を深めること。
使用した方法
- 絶縁ピンを使用した高密度電極アレイの構築。
- マウスにおける電極アレイの外科的埋め込み技術。
- EEGおよびEMG信号の記録と処理方法。
- 電気的絶縁とインピーダンス測定の検証。
主な結果
- マウスへの電極アレイの埋め込みの成功。
- 方法の再現性と使いやすさの証明。
- ニューロンネットワークの組織に関する洞察。
- 神経科学の様々な分野への潜在的な応用。
結論
- 説明された方法論は、慢性的EEG研究のための実行可能な代替案を提供します。
- これは神経科学における重要な問いの調査をサポートします。
- 将来の研究は、この低コストなアプローチを多様な応用に活用できます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
High-density electroencephalographic (EEG) acquisition in rodent models enables advanced interrogation of neuronal network organization and sensory processing, supporting early-stage target validation and mechanistic de-risking in CNS drug discovery. The described low-cost, open-source methodology increases accessibility and reproducibility for preclinical teams, facilitating robust quantitative data collection in freely moving animals. This capability strengthens predictive confidence at key inflection points in neuroscience-focused R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables high-resolution mapping of neuronal activity for functional target validation.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying spatial and temporal features of network responses.
- Facilitates hypothesis-driven interrogation of CNS pathways relevant to disease models.
Screening & Assay Development
- Provides validated, reproducible EEG and EMG signals for downstream assay development.
- Standardizes electrode placement and signal acquisition for cross-study comparability.
- Delivers quantitative outputs suitable for compound screening in neuroactive pipelines.
Translational & Preclinical Research
- Enables polysomnography and cortical mapping in freely moving rodents for translational biomarker alignment.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation in CNS and sleep disorder models.
- Reduces biological risk by providing robust, longitudinal neural data in small animal systems.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum, supporting early mechanistic studies, lead identification, and translational research in neuroscience portfolios.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification via high-density neural recordings.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative EEG/EMG data for assay readiness and compound evaluation.
- Analytics: Enables measurement of heart rate, respiratory rate, and cortical responses for comparative analysis.
- Translational Research: Aligns rodent neural readouts with human-relevant biomarkers in sleep and epilepsy research.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, customizable platform for repeated studies across CNS research programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in CNS target validation.
- Operational Value: Promotes standardization, reproducibility, and cost efficiency in neural data acquisition.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital allocation in neuroscience portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of CNS and sleep disorder assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rodent surgery and stereotaxic implantation techniques.
- Needs access to electrophysiology instrumentation and open-source acquisition software.
- Demands rigorous cross-team standardization of electrode mapping and signal processing.
- Adaptable to both mice and rats, with protocol modifications for skull size and electrode density.
- Practical limitations include the need for careful electrode placement to avoid tissue damage and ensure signal quality.
