Gelijktijdige opnamen van corticale lokale veld Potentials, elektrocardiogram Electromyogram en ademhaling ritme van een vrij bewegende Rat
April 2nd, 2018
Deze studie introduceert een methode voor het gelijktijdig opnemen van lokale veld potentieel in de hersenen, elektrocardiogrammen, electromyograms en signalen voor een vrij bewegend rat te ademen. Deze techniek, die experimentele kosten vermindert en vereenvoudigt gegevensanalyse, zal bijdragen aan het begrip van de interacties tussen de hersenen en perifere organen.
Het algemene doel van deze chirurgische implantatie van elektroden is om centraal en perifeer bio-elektrische signalen gelijktijdig op te nemen van een vrij bewegende rat. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van de neurowetenschappen, zoals geheugen, cognitie, emotie en interacties tussen hersenen en lichaam. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat een enkel opnameapparaat alle bio-elektrische signalen van een breed scala aan lichaamsdelen verzamelt.
We kwamen voor het eerst op het idee voor deze methode toen we ontdekten dat zowel spier- als hartactiviteiten worden weergegeven door elektrische signalen die vergelijkbaar zijn met extracellulaire hersensignalen. Daarom overwogen we dat alle signalen kunnen worden opgenomen door een enkele, multikanaals opname-apparatuur. Begin met het voorbereiden van een standaard micro-drive-array voor corticale LFP-opnamen.
Laat ten minste zes metalen gaten open op een elektrode-interfaceboard voor de signaalkanalen. Maak vervolgens zes stukken Bioflex-draad van vijf centimeter om de signalen te dragen. Schil ongeveer vijf millimeter PFTE-coating af aan beide uiteinden.
Verbind vervolgens een draad met elk metalen gat in de board met behulp van een gouden pin. Maak vervolgens twee stukken emaildraad van vijf centimeter en soldeer ze op de twee grond/referentiekanalen op de board. Om de ECG-elektroden te maken, snijd twee stukken Bioflex-draad van 16 centimeter en verwijder de 0,5 millimeter coating van het ene uiteinde en 15 millimeter coating van het andere uiteinde.
Vorm vervolgens elke lange ontmantelde sectie tot een cirkel met een diameter van twee millimeter en zet de lus vast met soldeer. Om de EMG-elektroden te maken, snijd twee stukken Bioflex-draad van acht centimeter en verwijder ongeveer vijf millimeter coating van beide uiteinden. Om de BR-elektroden te maken, snijd twee stukken Bioflex-draad van zes centimeter en verwijder ongeveer vijf millimeter coating van beide uiteinden van elke draad.
Soldeer voor elk van de twee BR-elektroden het ene uiteinde van elke draad op het hoofd van een roestvrijstalen schroef. Om de grond/referentie-elektroden te maken, snijd twee stukken emaildraad van zes centimeter. Soldeer voor elk van de twee grond-referentie-elektroden het ene uiteinde van de draad op een iets grotere schroef.
Steriliseer nu alle elektroden en behandel ze vervolgens onder steriele omstandigheden. Begin met het bevestigen van een verdoofde rat op zijn rug op een platte verwarmingskussen. Geef buprenorfine als pijnstiller en breng oogzalf aan om uitdroging te voorkomen.
Reinig vervolgens de borst en nek met afwisselend schrobben van 70%ethanol en betadine. Bedek het dier vervolgens om alleen het borstgebied bloot te laten. Implanteer eerst de ECG-elektroden.
Begin met een incisie van twee centimeter in het mediale borstgebied. Blootstel vervolgens de intercostale spieren door de borstspieren te scheiden. Naai nu de ringen van de ECG-elektroden aan de intercostale spieren vast.
Doe dit strak zodat de elektroden zeer veilig zijn en er een hoog signaal-ruisverhouding is. Maak vervolgens een incisie van een centimeter in het dorsale nekgebied en tunnel de ECG-elektroden subcutaan naar de incisie, waarbij een los stuk draad onder de huid wordt achtergelaten om fysische stress bij de elektrode te minimaliseren. Naai vervolgens de borstincisie dicht.
Positioneer en bevestig vervolgens het dier om de EMG-elektroden te bevestigen. Breng een uiteinde van elke elektrode subcutaan ongeveer een centimeter in de neksnede en in de nekspieren in. Naai deze elektroden vervolgens op hun plaats.
Na de implantatie van de elektroden bevestigt u de rat aan een stereotactische inrichting. Scheer en reinig vervolgens de schedel en begin met de array-implantatie met een incisie van drie centimeter langs de middenlijn van het punt tussen de ogen tot aan de nek. Maak met een hogesnelheidsboor een paar cirkelvormige craniotomieën tussen 0,7 en 1,0 millimeter in diameter boven de reukbol, die 11,0 millimeter anterior en één millimeter bilaterair is ten opzichte van bregma.
Implanteer vervolgens de twee BR-elektroden net diep genoeg voor de punten van de schroeven om contact te maken met de hersenen, wat ongeveer twee millimeter diep is. Gebruik tussen zes en acht volledige omwentelingen van de schroef. Maak vervolgens nog een paar craniotomieën boven de frontale cortex, 2,7 millimeter anterior en 2,7 millimeter bilaterair ten opzichte van bregma.
Bevestig in deze gaten de twee grond/referentie-elektroden zodat ze ook net contact maken met de hersenen op ongeveer 1,6 millimeter diepte. Dit vergt vier tot vijf volledige omwentelingen van de schroef. Plan nu een grote cirkelvormige craniotomie met een diameter van ongeveer 2,0 millimeter boven de hippocampus, 3,8 millimeter posterieur en 2,5 millimeter bilaterair ten opzichte van bregma.
Maak vervolgens zes tot acht gaten van 1,0 millimeter in het gebied dat de craniotomie zal omringen. Implanteer in elk van deze gaten de ankerschroeven. Maak vervolgens de geplande craniotomie tussen de schroeven.
Positioneer boven het grote gat de integratieve micro-drive-array zodat de canulepunt net boven de grote craniotomie is. Vul de opening tussen de canulepunt en het hersenoppervlak met ongeveer 100 microliters twee-componenten epoxy. Laat het mengsel gedurende vijf minuten veranderen in een transparante gel.
Bedek vervolgens de canule, BR-elektroden, grond/referentie-elektroden en ankerschroeven met tandheelkundig cement. Breng ongeveer vijf millimeter cement aan zonder de open uiteinden van BR of grond/referentie-elektroden te bedekken. Soldeer vervolgens alle open uiteinden van de elektroden op de plaats waar ze op de board aansluiten.
Bedek vervolgens het onderste deel van de integratieve micro-drive-array en alle elektrodendraden met tandheelkundig cement. Het is belangrijk om de elektrodendraden volledig te bedekken, zodat de rat ze na de implantatie niet kan uitkrabben. Laat de rat nu herstellen.
Nadat de rat voldoende bewustzijn heeft herkregen om in liggende houding te blijven,
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie introduceert een methode voor gelijktijdige registratie van lokale veldpotentialen, elektrocardiogrammen, elektromyogrammen en ademhalingssignalen bij een vrij bewegende rat. Deze techniek vereenvoudigt de gegevensanalyse en verlaagt experimentele kosten terwijl het begrip van interacties tussen de hersenen en perifere organen wordt verbeterd.
Belangrijke Studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Opname van bio-elektrische signalen
- Gedragsonderzoek bij dieren
Achtergrond
- Het begrijpen van interacties tussen hersenen en lichaam is cruciaal voor de neurowetenschappen.
- Bestaande methoden vereisen vaak meerdere apparaten, wat de gegevensverzameling compliceert.
- Gelijketijdige registratie van meerdere bio-elektrische signalen zou de onderzoeksefficiëntie kunnen verbeteren.
- Deze studie richt zich op de ontwikkeling van een samenhangend registratiesysteem voor diverse signalen.
Doel van het Onderzoek
- Om een methode te ontwikkelen voor het gelijktijdig registreren van meerdere bio-elektrische signalen.
- Om onderzoek naar geheugen, cognitie, emotie en interacties tussen hersenen en lichaam te vergemakkelijken.
- Om de kosten te verlagen en de analyse in neurowetenschappelijk onderzoek te vereenvoudigen.
Gebruikte Methoden
- Er werd een multi-kanaals opnameapparaat gebruikt voor signaalregistratie.
- Het biologische model omvatte vrij bewegende ratten onder chirurgische implantatievoorwaarden.
- Er werd geen multiomics-analyse gerapporteerd in deze studie.
- De methodologie omvatte nauwkeurige elektrodeplaatsingen en veilige implantatieprocedures.
- Elektroden waren ontworpen voor ECG, EMG en andere bio-elektrische signaalregistratie.
Belangrijkste Resultaten
- Er werd een succesvolle opname van bio-elektrische signalen uit verschillende lichaamsdelen bereikt.
- Integratie van signalen stelt meer uitgebreide gegevens over interacties tussen hersenen en lichaam mogelijk.
- De methode werd gevalideerd op haar effectiviteit in het verminderen van ruis tijdens signaalopname.
- Er werden potentiële verbeteringen aangegeven in toekomstige studies met betrekking tot het volgen van diergedrag.
Conclusies
- Deze studie demonstreert een nieuwe aanpak voor gelijktijdige multi-signaalregistratie.
- De geïntegreerde methode maakt een efficiëntere analyse van interacties tussen hersenen en lichaam mogelijk.
- De bevindingen kunnen ons begrip van neurale mechanismen en gedragsstudies aanzienlijk bevorderen.
Veelgestelde Vragen
Executive Industry Relevance
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.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through correlated central and peripheral signal dynamics.
- Operational Value: Supports biological de-risking by validating functional targets via multi-system physiological responses.
- Predictive Value: Improves portfolio triage by identifying targets with measurable effects across neural and organ systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows through stable, simultaneous signal acquisition.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility by reducing inter-device variability in signal recording.
- Scalability: Facilitates platform reuse across studies requiring coordinated brain-body monitoring.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains disease-relevant system integrity from discovery through preclinical validation via consistent signal monitoring.
- Risk-Adjusted Decisions: Supports advancement criteria by linking neural activity to peripheral organ outputs in freely moving models.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive validation of targets through real-time, correlated electrophysiological readouts.
Pipeline & Workflow Integration
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.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via simultaneous LFP, ECG, EMG, and breathing signal correlation.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized, multi-channel signal capture with reduced noise and artifact.
- Analytics: Provides quantitative time-synchronized measurements enabling cross-condition comparison and statistical modeling.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by preserving physiological state in freely moving rodents during behavioral tasks.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for multi-organ physiological profiling across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in brain-body interaction studies.
- Operational Value: Improves standardization and scalability through single-device, multi-signal data collection.
- Strategic Value: Enhances go/no-go decisions by enabling capital-efficient, multi-parametric target evaluation.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization through concurrent validation of central and peripheral phenotypes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery, electrode implantation, and multi-channel electrophysiology.
- Depends on micro-drive arrays, solderable interface boards, and biocompatible electrode materials.
- Necessitates cross-team standardization for signal processing, synchronization, and behavioral correlation protocols.
- Involves adaptation considerations for different brain targets, electrode types, and animal strains.
- Includes practical limitations such as post-implant signal stability, animal recovery time, and tethering constraints in freely moving setups.
