April 2nd, 2018
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。
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この研究では、自由に動くラットの局所電位、心電図、筋電図、および呼吸信号を同時に記録する手法を紹介します。この技術はデータ分析を簡素化し、実験コストを削減しながら、脳と末梢器官の相互作用についての理解を深めます。
Simultaneous multi-organ bioelectrical signal recording enables mechanistic de-risking in target validation by clarifying brain-peripheral organ interactions. This approach supports predictive confidence in preclinical models by providing synchronized physiological readouts that reduce interpretive ambiguity in behavioral neuroscience studies. The integrated recording system enhances translational continuity from discovery to preclinical workflows through standardized, multi-parametric data capture.
The method integrates into the discovery continuum by enabling hypothesis testing in early discovery, supporting assay readiness in screening, and informing preclinical advancement through correlated multi-system outputs.