皮質局所電界電位、心電図、筋電図、呼吸リズム自由行動ラットからの同時録音
2018年4月2日
本研究では、脳、心電図、筋電図、局所電界電位の同時計測と自由行動ラットの信号を呼吸するためのメソッドを紹介します。この技術は、実験のコストを削減し、データの分析を簡素化は、脳と末梢器官との間の相互作用の理解に貢献します。
この電極の外科的移植の全体的な目標は、自由に動くラットからの中心的および末梢的な生体電気信号を同時に記録することです。この方法は、記憶、認知、感情、脳と身体の相互作用など、神経科学分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、単一の記録デバイスが体の広い範囲からすべての生体電気信号を収集することです。
この手法を思いついたのは、筋肉と心臓の活動がどちらも脳の細胞外信号に似た電気信号で表されていることに気づいたときでした。そのため、すべての信号を1つのマルチチャンネル録音デバイスで記録できると考えました。まず、皮質LFP記録用の標準的なマイクロドライブアレイを準備します。
シグナリングチャネル用の電極インターフェースボードに少なくとも6つの金属穴を開けておきます。次に、信号を伝送するための5センチメートルの長さのバイオフレックスワイヤーを6本作ります。両端のPFTEコーティングを約5mm剥がします。
次に、金色のピンを使用して、ボードの各金属穴に1本のワイヤを接続します。次に、長さ5cmのエナメル線を2本作成し、ボード上の2つのグランド/リファレンスチャネルにはんだ付けします。心電図電極を作るには、16cmの長さのBioflexワイヤーを2本切断し、一方の端から0.5mmのコーティングを、もう一方の端から15mmのコーティングをはがします。
次に、長い剥がれた部分をそれぞれ直径2mmの円に成形し、はんだでループを固定します。EMG電極を作成するには、8cmの長さのBioflexワイヤーを2本切断し、両端から約5mmのコーティングを剥がします。BR電極を作るには、6cmの長さのBioflexワイヤーを2本切断し、各ワイヤーの両端から約5mmのコーティングをはがします。
2つのBR電極のそれぞれについて、各ワイヤの一方の端をステンレス鋼のネジの頭にはんだ付けします。接地電極/基準電極を作成するには、6センチメートルの長さのエナメル線を2本切断します。2つのグランド基準電極のそれぞれについて、ワイヤの一方の端を少し大きめのネジにはんだ付けします。
次に、すべての電極を滅菌し、滅菌条件下で取り扱います。まず、麻酔をかけたラットを平らなヒートパッドに背中に固定します。鎮痛剤としてブプレノルフィンを投与し、乾燥を防ぐために眼科用軟膏を塗布します。
次に、70%エタノールとベタジンを交互にスクラブして胸と首を掃除します。次に、動物をドレープして胸の部分だけを露出させます。まず、ECG電極を埋め込みます。
胸部の内側に2センチの切開から始めます。次に、胸の筋肉を分離して肋間筋を露出させます。次に、ECG電極のリングを肋間筋に縫合します。
電極が非常に固定され、信号対雑音比が高くなるように、これをしっかりと行います。次に、背頸部に1センチの切開を行い、ECG電極を切開部まで皮下トンネルでトンネルし、電極での物理的ストレスを最小限に抑えるために皮下にワイヤーのたるみを残します。次に、縫合糸で胸部切開部を閉じました。
次に、動物を再配置して固定し、EMG電極を取り付けます。各電極の一方の端を約1cm皮下で首の切開部と首の筋肉に挿入します。次に、これらの電極を所定の位置に縫合します。
電極移植後、ラットを定位固定装置に固定します。次に、頭蓋骨を剃ってきれいにし、目の間の点から首までの正中線に沿って3センチメートルの切開でアレイ移植を開始します。高速ドリルを使用して、嗅球の直径0.7〜1.0ミリメートル(前方11.0ミリメートル、ブレグマの両側1ミリメートル)に一対の円形開頭術を作成します。
次に、ネジの先端が脳に接触するのに十分な深さ(約2ミリメートル)に2つのBR電極を埋め込みます。ネジを6〜8回転させて使用します。次に、前頭皮質の上で、ブレグマの前方2.7ミリメートルと両側2.7ミリメートルの別の開頭術を行います。
これらの穴に、2つの接地/参照電極を固定して、約1.6ミリメートルの深さで脳に接触するようにします。これには、ネジを4〜5回完全に回転させる必要があります。次に、海馬から約2.0ミリメートル上、後方に3.8ミリメートル、両側に2.5ミリメートルの直径を持つ大規模な円形開頭術を計画します。
次に、開頭術を囲む領域に6〜8個の1.0ミリメートルの穴を開けます。これらの穴のそれぞれに、アンカーネジを埋め込みます。次に、ネジの間に計画された開頭術を行います。
大きな穴の上に、カニューレの先端が大きな開頭術のすぐ上にくるように、統合マイクロドライブアレイを配置します。カニューレの先端と脳表面の間の隙間を、約100マイクロリットルの2液性エポキシで埋めます。次の5分間で、混合物が透明なゲルに変化するのを待ちます。
次に、カニューレ、BR電極、接地/参照電極、およびアンカーネジを歯科用セメントで覆います。BRまたは接地/参照電極の開放端を覆わずに約5ミリメートルのセメントを塗布します。次に、電極のすべての開放端をボードに接続する場所にはんだ付けします。
次に、統合マイクロドライブアレイの底部とすべての電極ワイヤを歯科用セメントで覆います。移植後にラットが電極ワイヤーを引っ掻き出さないように、電極ワイヤーを完全に覆うことが重要です。次に、ネズミが回復するのを待ちます。
胸骨の横臥を維持するのに十分な意識を取り戻した後、ケージの仲間なしで一人で飼育し、餌と水に自由にアクセスできるようにします。手術後は、毎日ネジを動かして四極管を徐々に進めていきます。四極管が標的の脳領域に隣接したら、数日間落ち着かせ、その間に信号が安定します。
記載された方法を用いて、脳、心臓、肺、および骨格筋からの生体電気信号を同時に捕捉し、相関させることができる。たとえば、自由に動くラットが採餌行動をとっていると、活動状態と休息状態の間の遷移を示すデータセットが得られます。パワースペクトルは、ウェーブレット解析を使用して海馬のLFPトレースから計算されました。
嗅球の表面積から記録されたBR信号を使用して、探索的な嗅ぎ行動中に発生する呼吸周波数の相対的な変化を大まかに推定しました。このテクニックは、一度マスターすれば、適切に実行すれば3時間で完了します。その開発後、この技術は、神経科学の分野の研究者がげっ歯類の中枢器官と末梢器官の関係を高い時間分解能で探求する道を開きました。
完全なトランスクリプトを表示し、数千本の科学動画にアクセス
概要
本研究では、自由行動下のラットにおいて、局所電位（LFP）、心電図（ECG）、筋電図（EMG）、および呼吸信号を同時に記録する方法を紹介します。この手法により、データ解析が簡略化され、実験コストが削減されるとともに、脳と末梢器官の相互作用に関する理解が深まります。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- 生体電気信号記録
- 動物行動研究
背景
- 脳と身体の相互作用を理解することは、神経科学において極めて重要である。
- 既存の手法では複数の装置を必要とすることが多く、データ収集を複雑にしている。
- 複数の生体電気信号を同時に記録できれば、研究効率を向上させることができる。
- 本研究では、多様な信号を統合的に記録できるシステムの開発に焦点を当てる。
研究目的
- 複数の生体電気信号を同時に記録する方法を開発すること。
- 記憶、認知、感情、および脳と身体の相互作用に関する研究を促進すること。
- 神経科学研究におけるコストを削減し、解析を簡素化すること。
使用方法
- 信号収集にはマルチチャンネル記録装置を用いた。
- 生物学的モデルとして、外科的植込み条件下で自由行動を行うラットを用いた。
- 本研究においてマルチオミクス解析は報告されていない。
- 手法として、正確な電極配置および確実な植込み手順を用いた。
- 電極はECG、EMG、およびその他の生体電気信号の収集用に設計された。
主な結果
- 身体のさまざまな部位から生体電気信号のキャプチャに成功した。
- 信号を統合することで、脳と身体の相互作用に関するより包括的なデータが得られる。
- 信号記録時のノイズ低減における本手法の有効性が検証された。
- 今後の研究において、動物の行動追跡に関するさらなる向上の可能性が示された。
結論
- 本研究では、マルチシグナルの同時記録のための新しいアプローチを実証します。
- この統合的な手法により、脳と身体の相互作用をより効率的に分析することが可能になります。
- 得られた知見は、神経メカニズムの理解および行動研究を大幅に前進させる可能性があります。
よくある質問
産業上の重要性
複数の臓器から生体電気信号を同時に記録することで、脳と末梢臓器の相互作用が明確になり、標的検証におけるメカニズム上のリスク低減が可能になります。このアプローチは、同期した生理学的読み出しを提供することで行動神経科学研究における解釈の曖昧さを軽減し、前臨床モデルにおける予測の信頼性を高めます。統合された記録システムは、標準化されたマルチパラメトリックなデータキャプチャを通じて、発見から前臨床ワークフローに至るトランスレーショナルな連続性を向上させます。
バイオファーマ研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 科学的価値： 中枢および末梢のシグナルダイナミクスを相関させることで、治療仮説の検証を可能にする。
- 運用的価値： 多系的な生理的反応を通じて機能的ターゲットを検証し、生物学的なリスク低減を支援する。
- 予測的価値： 神経系および器官系全体にわたって測定可能な効果を持つターゲットを特定し、ポートフォリオの優先順位付けを改善する。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： 安定した同時信号取得により、後続のワークフローに向けた検証済み生物学的システムを準備する。
- 運用上の価値： 信号記録におけるデバイス間のばらつきを低減することで、アッセイの標準化と再現性を向上させる。
- 拡張性： 脳と身体の協調的なモニタリングを必要とする研究において、プラットフォームの再利用を容易にする。
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連続性： 一貫したシグナルモニタリングを通じて、創薬から前臨床検証に至るまで、疾患に関連するシステムの整合性を維持します。
- リスク調整済み意思決定： 自由行動モデルにおいて、神経活動と末梢器官の出力を関連付けることで、開発推進基準をサポートします。
- メカニズムによるリスク低減： リアルタイムで相関のある電気生理学的リードアウトを通じて、ターゲットの予測的検証に重点を置きます。
パイプラインおよびワークフローの統合
この手法は、初期探索段階における仮説検証を可能にし、スクリーニングにおけるアッセイ準備をサポートし、さらに相関したマルチシステム出力を通じて前臨床段階への進展に情報を提供することで、創薬の連続的なプロセスに統合されます。
- 探索生物学： LFP、ECG、EMG、および呼吸信号の同時相関により、仮説検証とパスウェイの解明を支援します。
- スクリーニング： ノイズとアーティファクトを低減した標準的なマルチチャネル信号キャプチャにより、アッセイへの準備を整えます。
- 分析： 定量的な時間同期測定を提供し、条件間の比較や統計モデリングを可能にします。
- トランスレーショナルリサーチ： 行動課題中の自由行動下にあるげっ歯類の生理学的状態を維持することで、前臨床的な連続性を確保します。
- エンタープライズでの再利用： さまざまな治療領域における多臓器生理学的プロファイリングのための、再利用可能なプラットフォームとして機能します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：脳と身体の相互作用研究におけるメカニズムの曖昧さを軽減し、予測の信頼性を向上させる。
- 運用の価値：単一デバイスによるマルチシグナルデータ収集を通じて、標準化と拡張性を改善する。
- 戦略的価値：資本効率の高いマルチパラメトリックなターゲット評価を可能にし、go/no-go判断を強化する。
- ポートフォリオへの影響：中枢および末梢の表現型を同時に検証することで、リスク調整後の優先順位付けに寄与する。
実施上の検討事項
- 定位固定手術、電極植込み、およびマルチチャンネル電気生理学の専門知識が必要です。
- マイクロドライブアレイ、はんだ付け可能なインターフェース基板、および生体適合性電極材料に依存します。
- 信号処理、同期、および行動相関プロトコルのためのチームをまたいだ標準化が必要です。
- 異なる脳標的、電極タイプ、および動物系統に対する適応上の検討事項が含まれます。
- 植込み後の信号安定性、動物の回復時間、および自由行動設定におけるテザリングの制約などの実用的な制限が含まれます。
