Dit protocol is ontwikkeld om een betrouwbaar en gemakkelijk toegankelijk systeem te creëren voor het registreren van vrij bewegende EEG van knaagdieren.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Dit protocol is ontwikkeld om een betrouwbaar en gemakkelijk toegankelijk systeem te creëren voor het registreren van vrij bewegende EEG van knaagdieren.
Elektro-encefalografie (EEG) dient als een fundamenteel hulpmiddel voor het volgen van elektrische activiteit in de hersenen en is steeds belangrijker geworden in zowel klinische diagnostiek als preklinisch dieronderzoek. Hoewel EEG van knaagdieren een krachtig platform biedt voor het modelleren van menselijke neurologische aandoeningen, worden langetermijnopnames vaak beperkt door de hoge kosten, invasiviteit of technische complexiteit van bestaande systemen. Hier presenteren we een betrouwbaar, toegankelijk, economisch levensvatbaar en minimaal indringend protocol voor chronische, multi-site corticale EEG-acquisitie bij vrij bewegende muizen. De techniek omvat het vervaardigen van platina-iridiumdraden met schroefelektroden die zijn aangesloten op een universele seriële bus (USB)-type interface, die epiduraal worden verankerd met botschroeven en vastgezet met lijm en tandheelkundig cement. Het systeem maakt een stabiele signaalopname gedurende meerdere maanden mogelijk, zoals aangetoond bij wildtype C57BL/6J-muizen met een postoperatieve overlevingskans van 85% (n = 20). EEG werd gesampled op 1.000 Hz en gefilterd tussen 1 Hz en 500 Hz met behulp van een differentiële versterkeropstelling. Om het systeem te valideren, werd pentyleentetrazol (20 mg/kg) toegediend om aanvalsachtige activiteit te induceren, wat leidde tot een duidelijke toename van interictale ontladingen - van 2-5 bij aanvang tot 20-51 voorvallen na injectie - vergezeld van verhoogde signaalamplitude. Ontladingen werden geïdentificeerd op basis van golfvormmorfologie en signaalkarakteristieken die overeenkwamen met erkende elektrofysiologische criteria. De opstelling is compatibel met pijplijnen voor het volgen van gedragsvideo's en open-source analyse, en ondersteunt integratie met farmacologische, genetische of neuromodulatiestudies. Deze methode biedt een stabiel en aanpasbaar platform voor het onderzoeken van de dynamiek van hersennetwerken in knaagdiermodellen, met toepassingen in epilepsieonderzoek en daarbuiten.
Elektro-encefalografie (EEG) biedt een directe meting van de elektrische activiteit van de hersenen en wordt veel gebruikt bij het diagnosticeren van epilepsie1. In de afgelopen jaren zijn EEG-technieken in toenemende mate aangepast voor gebruik in modellen van kleine dieren om neurologische aandoeningen, slaapfysiologie en dynamiek van het hersennetwerk te bestuderen 2,3,4. Met de komst van genetisch gemodificeerde muismodellen en aanzienlijke vooruitgang in registratietechnologieën, is EEG van knaagdieren een essentieel hulpmiddel geworden voor preklinisch onderzoek en biedt het waardevolle inzichten in translationele mechanismen die relevant zijn voor de gezondheid van de menselijke hersenen 5,6.
Het gelijktijdig vastleggen en manipuleren van neurale activiteit is van cruciaal belang voor het bestuderen van de hersendynamiek op zowel macro- als microcircuitniveau. Deze dubbele aanpak maakt real-time monitoring mogelijk van de neurale netwerken die betrokken zijn bij het initiëren en verlopen van aanvallen. Epilepsie, gekenmerkt door terugkerende en vaak onvoorspelbare aanvallen, komt voort uit verstoringen in complexe hersencircuits4. Ondanks uitgebreid onderzoek blijven de mechanismen die de verspreiding en het begin van aanvallen beheersen onvolledig begrepen, deels als gevolg van het beperkte gebruik van technologieën die gelijktijdige opnames in meerdere hersengebieden mogelijk maken7.
EEG-opname van diermodellen die menselijke neurologische aandoeningen recapituleren, heeft interictale pieken, piek-en-golfontladingen en patronen met het begin van aanvallen aan het licht gebracht die nauw aansluiten bij die bij menselijke patiënten 8,9, waardoor ons begrip van elektrofysiologische veranderingen die plaatsvinden in het menselijk brein wordt vergroot. Evenzo bieden EEG-afwijkingen die worden gedetecteerd in modellen van de ziekte van Alzheimer, autismespectrumstoornis en schizofrenie kritische inzichten in verstoorde neurale oscillerende activiteit en benadrukken ze potentiële therapeutische doelen10.
Ondanks verschillen in hersenanatomie en schaal, vertonen EEG's van muizen en mensen opvallende overeenkomsten 2,11. Beide vertonen karakteristieke oscillerende frequentiebanden - delta, theta, alfa, bèta en gamma - waarbij vermogensspectra over het algemeen een 1/f-verdeling 2,11 volgen. Overgangen tussen hersentoestanden, zoals het ontstaan van delta-activiteit tijdens non-rapid eye movement (NREM) slaap of verhoogde gammasynchronisatie tijdens aandachts- en geheugentaken, blijven bij verschillende soorten behouden. Bovendien vertonen epileptiforme activiteit, waaronder hoogfrequente oscillaties (HFO's) en ictale patronen, vergelijkbare temporele en spectrale profielen bij zowel muizen als mensen7.
De geconserveerde kenmerken van het EEG van knaagdieren en mensen maken muismodellen zeer translationeel voor het bestuderen van hersenaandoeningen. Muis-EEG maakt invasieve opnames met hoge resolutie mogelijk, waardoor gedetailleerde analyse op circuitniveau mogelijk is12. Het ondersteunt ook het testen van neuromodulerende strategieën, waaronder farmacologische middelen, optogenetische controle en closed-loop stimulatie13,14, die kunnen worden gekoppeld aan gedrags- en moleculaire hulpmiddelen om neurale disfunctie nauwkeurig te ondervragen.
Desalniettemin moet voorzichtigheid worden betracht bij het extrapoleren van bevindingen. Het kleinere formaat en de eenvoudigere corticale structuur van de muizenhersenen kunnen de signaalvoortplanting beïnvloeden, en cognitieve gebeurtenisgerelateerde potentialen (ERP's) kunnen minder prominent zijn in vergelijking met mensen15. Zorgen voor consistentie in de plaatsing van elektroden, signaalverwijzingen en analytische pijplijnen is van cruciaal belang voor het verbeteren van de reproduceerbaarheid en validiteit tussen laboratoria16.
Het registreren van EEG bij kleine dieren biedt zowel kansen als uitdagingen. Muizen-EEG wordt meestal verkregen met behulp van chronisch geïmplanteerde elektroden die epiduraal op het schedeloppervlak worden geplaatst of als diepte-elektroden die in subcorticale structuren worden ingebracht17,18. Oppervlakte-elektroden, zoals schroef- of draadelektroden die op de dura mater worden geplaatst, zijn minimaal invasief en geschikt voor langdurige, longitudinale opnames. Dergelijke elektroden bevinden zich onder het bot, wat een barrière met hoge impedantie vormt voor opnames. Dienovereenkomstig kunnen durale elektroden bij knaagdieren worden beschouwd als meer vergelijkbaar met elektrocorticografie (eCoG) dan met EEG. Diepte-elektroden daarentegen bieden een hogere ruimtelijke resolutie en bieden toegang tot diepe hersengebieden zoals de hippocampus, thalamus of amygdala, waardoor studies naar aanvalsnetwerken en oscillerende koppeling over de verdeling van regio's worden vergemakkelijkt 2,11.
Moderne EEG-systemen voor knaagdieren ondersteunen meerkanaalsopname met een hoge temporele resolutie en worden vaak gekoppeld aan videomonitoring voor gedragscorrelatie18. Bovendien maken draadloze EEG-systemen ongebonden, real-time acquisitie mogelijk bij zich vrij gedragende dieren, waardoor bewegingsbeperkingen en stress worden geminimaliseerd19. Hoewel deze moderniseringen in de loop van de tijd commercieel beschikbaar werden gemaakt, zijn ze ofwel erg duur of te invasief om het knaagdiermodel over een lange periode te bestuderen.
Om deze kloof te dichten, presenteren we een veelzijdig en kosteneffectief protocol voor EEG-acquisitie op meerdere locaties in knaagdiermodellen, geschikt voor langetermijnstudies met minimale invasiviteit. Deze EEG-registratiebenadering is met name geschikt voor studies die een beoordeling met hoge resolutie van corticale activiteit bij muizen onder gecontroleerde experimentele omstandigheden vereisen. Het kan het beste worden toegepast wanneer (i) het dier een korte anesthesie kan verdragen tijdens de implantatie van de elektrode en volledig kan herstellen, (ii) een stabiele hoofdpositionering of minimale beweging is gegarandeerd tijdens opnames, (iii) langdurige of herhaalde monitoring van neurale activiteit gewenst is, en (iv) het experimentele ontwerp geschikt is voor opnames met één of beperkte meerdere dieren, afhankelijk van de amplifier capaciteit. Onderzoekers moeten rekening houden met deze beperkingen om te bepalen of deze methode aansluit bij hun experimentele doelstellingen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Dit protocol kreeg goedkeuring van de Augusta University Animal Care and Use Committee. De National Institutes of Health Guide for Care and Use of Laboratory Animals werd bij elke stap van het experiment gevolgd. Alle mogelijke maatregelen werden geïmplementeerd om het aantal dieren dat in dit onderzoek werd gebruikt tot een minimum te beperken. De muizen die voor dit onderzoek zijn gebruikt, zijn 2 maanden oud wildtype C57Bl6J. De tijd die nodig is om elke stap uit te voeren, is inbegrepen in de respectievelijke stappen.
1. Plugpennen met elektroden voorbereiden (5 min)
2. Implanteren van elektroden (30 min)
3. Opname EEG (65 min)
4. Interpretatie van de gegevens
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Elektroden werden geïmplanteerd bij 20 muizen met een C57Bl6J-achtergrond, waaronder 5 wildtype C57Bl6J-muizen, met een postoperatief overlevingspercentage van 85% dat tot 6 maanden na de operatie behouden bleef (Figuur 4B). Na 6 maanden begonnen de hoofddoppen los te komen en werden alle muizen geëuthanaseerd op de leeftijd van 8 maanden. Het gemiddelde gewicht van de headcaps, inclusief de connector en schroeven, was 1,13 g (n = 20). De muizen kwamen binne...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
In deze studie hebben we een robuust, kosteneffectief en minimaal invasief protocol ontwikkeld en gevalideerd voor chronische, multi-site EEG-registratie bij vrij bewegende muizen. De succesvolle implantatie van schroefelektroden en op maat gemaakte platina-iridiumelektroden die op een USB-connector zijn gesoldeerd, samen met het waargenomen overlevingspercentage en de opnamekwaliteit, toont de haalbaarheid en betrouwbaarheid van de techniek bij chronische opnames. Dit protocol maakt het...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
DTB is een betaald consultant van de Alfred Mann Foundation. De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen of andere belangenconflicten in het kader van dit werk.
DTB wordt ondersteund door NEI-subsidie R01EY036089 en NIA-subsidie RF1AG060754. XF werd ondersteund door subsidies van het James Fickel Alzheimer's Disease Research Fund, EY028158 en EY032488.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 0.003" platinum iridium wire | AM systems | 777000 | |
| 1.5 mm Bone screws | Antrin Miniature specialities | 000-120X1/16 SL BIND MS SST | |
| AC amplifier | AM Systems | ||
| Carprofen | Covetrus | 11695-6935-1 | |
| Coldpac Denture acrylic base | Yates Motloid Company | https://www.yates-motloid.com/collections/coldpac/denture-base | |
| Dental drill 1.4 mm | Volvere GX | N/A | |
| Dexamethasone | VEDCO | 50989-437-12 | |
| Eye lube | Optix Care | https://theoptixcare.com/ | |
| Hydrogen peroxide | Sigma Aldrich | 7722-84-1 | |
| NIDAQ USB | National Instruments | https://www.ni.com/en/shop/data-acquisition/entry-level-usb-daq.html | Data acquisition and signal conditioning USB |
| Pentylenetetrazol | Caymen Chemicals | 18682 | |
| Solder rosin flux paste | Weller | https://www.weller-tools.com/us/en/consumer/products/soldering-accessories/ | |
| Solder wire 0.32" | Radio Shack | N/A | |
| Super glue | Loctite | N/A | |
| USB type B female plugs | QM Seller | X00292ABU9 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen