Monitoring the Brain Cortex with a Multi-Electrode Array in Response to Seizure-Inducing Agents
JoVE Encyclopedia of Experiments
Neurowetenschap
0 weergaven • 4:18 min • July 8th, 2025
Start with a brain slice containing the anterior cingulate cortex, or ACC, and the thalamus regions.
Using an anchor, secure the brain slice to a multi-electrode array or MEA chamber, an electric signal-measuring device perfused with oxygenated artificial cerebrospinal fluid.
Position transcranial direct-current stimulation or tDCS electrodes with one near the ACC and the other placed distal to the ACC to deliver direct current to the brain slice.
Record baseline signals and deliver electric current to the slice through tDCS.
Adjust the electrode length and the tDCS current to obtain quality signals.
Using a stimulating electrode, deliver pulses of current to the thalamus, which induces artificial seizure by stimulating the ACC.
Adjust the current to stimulate the thalamus-cingulate pathway, which connects the thalamus to the ACC, to obtain an optimal ACC response.
Record it through the MEA.
Infuse seizure-inducing drugs into the MEA chamber
Using stimulating electrodes, deliver electric pulses to the thalamus-cingulate pathway and record the drug-induced ACC response.
Confirm the placement of an MEA probe on the multichannel system. Use one tube to guide the ACSF into the MEA chamber and the other tube to guide the ACSF out of the chamber. Continuously perfuse the preparation with warm oxygenated ACSF at 30 degrees Celsius. Using a wet cotton swab, transfer a brain slice to the MEA.
Carefully move the brain slice to orient the ACC above the electrodes. Then, stabilize the brain slice with a slice anchor to ensure a good electrical connection between the slice and the electrodes. Afterward, place the anode electrode proximal to the ACC and the cathode electrode distal to the ACC. Record the field strength by the two field orientations of MEA. Then, deliver the electric currents using a stimulator.
Adjust the distance between the two silver chloride electrodes to about 1.5 to 2 centimeters, and adjust the stimulator's current strength to make the DCS between 0.5 and 2 milliamps. In this procedure, place a tungsten electrode in MT, and deliver pulses from the stimulator to the thalamic region of the slice. Next, use various current intensities to determine the threshold that elicits an ACC response.
Move the tungsten electrode along the thalamo-cingulate pathway to obtain the optimal response profile. Record 10 to 20 ACC responses, and use the software to automatically average all of the ACC responses evoked by empty stimulation.
To induce seizure-like activity, add 250 micromolar for AP and 5 micromolar bicuculline to the perfusion solution, and continue to perfuse the slice for 2 to 3 hours. Maintain the pump at a relatively fast perfusion rate, which can help prevent the buildup of a pH gradient. Next, place the tungsten electrode in MT, and deliver electrical stimulation to obtain an ACC response profile. Record 10 to 20 sweeps and average the responses. Afterward, replace the perfusion solution with fresh ACSF to wash out the drugs.
Overzicht
Dit artikel beschrijft in detail een methode voor het bestuderen van de anterior cingulate cortex (ACC) en de thalamus met behulp van een hersensegmentpreparaat. Het protocol omvat het toepassen van transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) en het registreren van reacties op elektrische stimulatie en druginfusie.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
- Neurofarmacologie
Achtergrond
- De anterior cingulate cortex is betrokken bij diverse cognitieve functies.
- De thalamus speelt een kritieke rol bij het doorgeven van sensorische informatie.
- Inzicht in hun interactie kan aanwijzingen bieden over epileptische mechanismen.
- Elektrische stimulatietechnieken kunnen helpen deze interacties te verduidelijken.
Doel van de studie
- Om de elektrofysiologische responsen van de ACC op stimulatie te onderzoeken.
- Om de effecten van medicijntoediening op de ACC-activiteit te verkennen.
- Om een betrouwbare methode vast te stellen voor het induceren en registreren van epileptische activiteit.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van hersensecties die de ACC en de thalamus bevatten.
- Toepassing van tDCS om de elektrische activiteit te moduleren.
- Gebruik van multi-elektrode-arrays (MEA's) voor signaalregistratie.
- Infusie van convulsie-opwekkende geneesmiddelen om hun effecten op ACC-responsen te beoordelen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle registratie van ACC-responsen op elektrische stimulatie.
- Aantoonde de invloed van drug-infusie op epileptische activiteit.
- Vastgesteld van optimale parameters voor tDCS- en stimulatieprotocollen.
- Bood inzichten in de rol van de thalamo-cingulaire route bij ACC-activiteit.
Conclusies
- De methode brengt de dynamiek van de interacties tussen de ACC en de thalamus effectief in kaart.
- Druginfusie verandert de ACC-responsen significant, wat wijst op potentiële therapeutische doelwitten.
- Deze aanpak kan worden gebruikt voor verdere studies naar epileptische mechanismen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Deze methode maakt mechanistische analyse van epileptische aanval-inducerende pathways mogelijk in een gecontroleerd hersensnijmodel, wat de validatie van targets voor neurotherapeutica ondersteunt. Door de ACC-responsen op elektrische en farmacologische stimuli te kwantificeren, biedt het voorspellende zekerheid bij het verminderen van risico's voor CNS-drugkandidaten in een vroeg stadium van discovery. De aanpak sluit aan bij fenotypische screening en translationele biomarkerstrategieën voor epilepsie en aanverwante aandoeningen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt de modulatie van de thalamo-cingulate route om epileptische mechanismen te verduidelijken en de ACC te valideren als therapeutisch doelwit.
- Operationele waarde: Maakt dosis-responsprofielen mogelijk van convulsie-inducerende middelen zoals bicuculline en AP om assays voor target engagement te ondersteunen.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve elektrofysiologische read-outs uit MEA-opnames om de effecten van verbindingen op epileptische activiteit te beoordelen.
- Operationele waarde: Standaardiseert de preparatie van hersensnijden en de perfusiecondities voor reproduceerbare, high-content screening van neuroactieve moleculen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Modelleert door geneesmiddelen geïnduceerde epileptische responsen in een ziekterellevant systeem om in vitro bevindingen te koppelen aan in vivo pathofysiologie.
- Operationele waarde: Ondersteunt mechanische risicoreductie door ACC-specifieke responsen op stimulatie en druginfusie te isoleren voorafgaand aan dierstudies.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen vroege discovery-workflows, waardoor hypothesetesten van CNS-doelen mogelijk is vóór de fasen van lead-identificatie en preklinische validatie.
- Discovery Biology: Ondersteunt de verduidelijking van signaalpaden en het biologisch risico-beheer van het thalamo-cingulate circuit bij vatbaarheid voor epileptische aanvallen.
- Screening: Levert assay-klare, kwantitatieve MEA-outputs voor het evalueren van de modulatie door verbindingen van elektrisch opgewekte ACC-responsen.
- Analytics: Biedt geautomatiseerde middeling van opgewekte potentialen om statistische vergelijking tussen behandelingscondities mogelijk te maken.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt elektrofysiologische biomarkers met mechanismen van epileptische aanvallen voor preklinische continuïteit.
- Enterprise Hergebruik: Vestigt een herbruikbaar elektrofysiologisch platform voor het screenen van diverse op het CZS gerichte verbindingen over verschillende projecten heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het vertrouwen in de validatie van het target door directe meting van aanvallen-gerelateerde neurale activiteit in een reductionistisch systeem.
- Operationele waarde: Garandeert reproduceerbaarheid via gestandaardiseerde perfusie, elektrodeplaatsing en stimulusparameters over verschillende experimenten heen.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen door ambiguïteit in mechanistische effecten op het centrale zenuwstelsel vroeg in de pipeline te verminderen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritisering van verbindingen mogelijk op basis van hun effecten op aanval-inducerende pathways.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in elektrofysiologie, het prepareren van hersenplakjes en signaalregistratie op basis van MEA.
- Afhankelijk van multi-elektrode-array-systemen, stimulatoren en perfusiepompen voor een stabiele toediening van ACSF.
- Vereist standaardisatie van stimulusprotocollen en de timing van druginfusie tussen teams voor reproduceerbare resultaten.
- Omvat overwegingen voor adaptatie bij de vertaling van bevindingen uit hersenplakjes van knaagdieren naar menselijk relevante modellen.
- Beperkt door het acute karakter van hersenplakjes-preparaten, wat studies naar chronische langetermijneffecten beperkt.
Veelgestelde vragen over Biofarmaceutica
Transcraniële Direct Current Stimulatie en Gelijktijdige Functional Magnetic Resonance Imaging
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Transcraniële gelijkstroom stimulatie (tDCS) van de gebieden van Wernicke en Broca in studies naar taalverwerving en woord overname
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Transcraniële directe stroom stimulatie voor online gamers
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Het opnemen van de Mens electrocorticografische (ECOG) Signalen voor neurowetenschappelijk onderzoek en Real-time Functioneel Cortical Mapping
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Monitoring Seizure-Induced Neural Electrical Activity in Brain Slices Using Microelectrode Arrays
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Multi-electrode array Opnamen van Human Epileptische Postoperatieve Cortical Tissue
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Het uitvoeren van Behavioral Taken in Proefpersonen met intracraniële elektroden
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Bestudering van de functie van Deep Corticale en subcorticale structuren met behulp van stereotactische Electroencephalography: Lessen uit de anterior cingulate cortex
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Direct-current stimulatie en multi-elektrode Array Registratie van Inbeslagneming-achtige activiteit in de muizen Brain Slice Voorbereiding
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Non-straatverbod EEG radiotelemetrie: Epidurale en Deep intracerebrale Stereotaxische EEG Elektrodeplaatsing
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Laatst bijgewerkt: 22 augustus 2026