Gelijktijdige opnamen van corticale lokale veld Potentials, elektrocardiogram Electromyogram en ademhaling ritme van een vrij bewegende Rat
2 april 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,
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie introduceert een methode voor de gelijktijdige registratie van lokale veldpotentialen, elektrocardiogrammen, elektromyogrammen en ademhalingssignalen bij een vrij bewegende rat. Deze techniek vereenvoudigt de data-analyse en verlaagt de experimentele kosten, terwijl het het begrip van interacties tussen de hersenen en perifere organen vergroot.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Registratie van bio-elektrische signalen
- Gedragsonderzoek bij dieren
Achtergrond
- Het begrijpen van interacties tussen de hersenen en het lichaam is cruciaal voor de neurowetenschap.
- Bestaande methoden vereisen vaak meerdere apparaten, wat de gegevensverzameling compliceert.
- Simultane registratie van meerdere bio-elektrische signalen zou de efficiëntie van het onderzoek kunnen verbeteren.
- Deze studie richt zich op de ontwikkeling van een samenhangend registratiesysteem voor diverse signalen.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een methode om meerdere bio-elektrische signalen gelijktijdig vast te leggen.
- Het faciliteren van onderzoek naar geheugen, cognitie, emotie en interacties tussen hersenen en lichaam.
- Het verlagen van de kosten en het vereenvoudigen van de analyse in neurowetenschappelijk onderzoek.
Gebruikte methoden
- Er werd gebruikgemaakt van een meerkanals registratieapparaat voor de signaalvastlegging.
- Het biologische model bestond uit vrij bewegende ratten onder chirurgische implantatiecondities.
- In deze studie is geen multi-omics analyse gerapporteerd.
- De methodologie omvatte nauwkeurige elektrodeplaatsingen en veilige implantatieprocedures.
- De elektroden waren ontworpen voor de verzameling van ECG-, EMG- en andere bio-elektrische signalen.
Belangrijkste Resultaten
- Het was mogelijk om bio-elektrische signalen uit verschillende lichaamsgebieden succesvol vast te leggen.
- De integratie van signalen maakt uitgebreidere gegevens over hersen-lichaaminteracties mogelijk.
- De methode is gevalideerd voor de effectiviteit in het verminderen van ruis tijdens de signaalregistratie.
- Er zijn potentiële verbeteringen aangegeven voor toekomstige studies met betrekking tot het volgen van dierengedrag.
Conclusies
- Deze studie demonstreert een nieuwe aanpak voor simultaneregistratie van meerdere signalen.
- 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
Industriële relevantie voor directie
Gelijktijdige bio-elektrische signaalregistratie van meerdere organen maakt mechanische risicoreductie bij targetvalidatie mogelijk door interacties tussen de hersenen en perifere organen te verduidelijken. Deze aanpak vergroot het voorspellende vertrouwen in preklinische modellen door gesynchroniseerde fysiologische read-outs te leveren die de interpretatieve ambiguïteit in gedragsneurowetenschappelijke studies verminderen. Het geïntegreerde registratiesysteem verbetert de translationele continuïteit van discovery naar preklinische workflows via gestandaardiseerde, multiparametrische gegevensverzameling.
Strategische Toepassingen in Biopharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door gecorreleerde centrale en perifere signaaldynamiek.
- Operationele waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie door functionele targets te valideren via fysiologische responsen van meerdere systemen.
- Voorspellende waarde: Verbetert de triage van het portfolio door targets te identificeren met meetbare effecten over neurale systemen en orgaansystemen heen.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream-workflows door middel van stabiele, simultane signaalacquisitie.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie en reproduceerbaarheid van assays door de inter-apparaatvariabiliteit bij signaalregistratie te verminderen.
- Schaalbaarheid: Faciliteert hergebruik van het platform in studies die gecoördineerde monitoring van hersenen en lichaam vereisen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele continuïteit: Behoudt de integriteit van ziekterelevante systemen van ontdekking tot preklinische validatie via consistente signaalmonitoring.
- Risico-gecorrigeerde beslissingen: Ondersteunt voortgangscriteria door neurale activiteit te koppelen aan outputs van perifere organen in vrij bewegende modellen.
- Mechanische risicoreductie: Richt zich op voorspellende validatie van targets via real-time, gecorreleerde elektrofysiologische readouts.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode integreert in het ontdekkingscontinuüm door hypothesetoetsing in de vroege ontdekkingsfase mogelijk te maken, de gereedheid van assays bij screening te ondersteunen en preklinische vooruitgang te informeren via gecorreleerde multi-systeemoutputs.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing en pathway-verduidelijking via gelijktijdige correlatie van LFP, ECG, EMG en ademhalingssignalen.
- Screening: Zorgt voor assay-gereedheid door gestandaardiseerde, multi-channel signaalvastlegging met verminderde ruis en artefacten.
- Analytica: Biedt kwantitatieve, tijdgesynchroniseerde metingen die vergelijking tussen condities en statistische modellering mogelijk maken.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan op preklinische continuïteit door de fysiologische toestand in vrij bewegende knaagdieren tijdens gedragstaken te behouden.
- Bedrijfsmatige hergebruik: Functioneert als een herbruikbaar platform voor fysiologische profilering van meerdere organen over verschillende therapeutische gebieden.
Operationele & Ondernemingsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen door mechanistische ambiguïteit in studies naar de interactie tussen hersenen en lichaam te verminderen.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie en schaalbaarheid door middel van gegevensverzameling van meerdere signalen via één enkel apparaat.
- Strategische waarde: Optimaliseert go/no-go-beslissingen door kapitaalefficiënte, multiparametrische evaluatie van targets mogelijk te maken.
- Impact op portfolio: Informeert de risicogecorrigeerde prioritering door gelijktijdige validatie van centrale en perifere fenotypes.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in stereotaxische chirurgie, elektrodenimplantatie en multi-channel elektrofysiologie.
- Is afhankelijk van micro-drive arrays, soldeerbare interfacekaarten en biocompatibele elektrodematerialen.
- Necessiteert standaardisatie tussen teams voor signaalverwerking, synchronisatie en protocollen voor gedragsmatige correlatie.
- Omvat overwegingen voor aanpassing aan verschillende hersendoelen, elektrodetypes en dierstammen.
- Bevat praktische beperkingen zoals signaalstabiliteit na implantatie, hersteltijd van het dier en beperkingen door bekabeling in setups voor vrij bewegende dieren.
