Knaagdier gedrags testen om te beoordelen van functionele tekorten veroorzaakt door micro-elektrode inplanting in de motorschors Rat
18 augustus 2018
We hebben aangetoond dat de innesteling van een micro-elektrode in de motorschors van ratten onmiddellijke en duurzame motor tekorten veroorzaakt. De methoden voorgesteld hierin overzicht een micro-elektrode implantatie chirurgie en drie knaagdier gedrags taken ophelderen van eventuele veranderingen in de fijne of grove motorische functie als gevolg van de implantatie-veroorzaakt schade aan de motorische cortex.
Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van neurale techniek, zoals of implantatie van een apparaat gevolgen heeft voor de langetermijnfunctie van motoriek. Het grote voordeel van deze techniek is dat in tegenstelling tot endpoint histologie, voortdurend gedrag een real-time en globale meting van de motorische functie biedt gedurende het hele onderzoek. Om deze procedure te starten, injecteert u het dier subcutaan met een cefalosporine-antibioticum om infectie te voorkomen en een niet-steroïdale anti-inflammatoire stof voor pijnbeheersing.
Breng vervolgens oogzalf aan op de ogen van het dier om uitdroging te voorkomen. Knip de nagels van het dier bij met kleine dierdienen en voorkom dat het dier de hechtingen krabt tijdens de wondgenezing na de operatie. Geef vervolgens een lokaal pijnstiller met een subcutane injectie van bupivacaïne in het gebied van de incisie op het hoofd van het dier.
Monteer het dier op een stereotactische frame met oorbeugels om te voorkomen dat het hoofd zich tijdens de operatie beweegt. Plaats vervolgens een opwarmende waterkussen onder het dier om de interne temperatuur te handhaven. Schrob vervolgens het operatiegebied met een afwisselende oplossing van Betadine en isopropanol scrubs.
Voer vervolgens een teenprik uit volgens het institutionele protocol om ervoor te zorgen dat het dier onder de chirurgische plane is. Om het dier voor te bereiden op implantatie, maakt u een incisie van ongeveer een inch langs de middenlijn om de schedel bloot te leggen. Verwijder het periosteum op een gedempte manier met behulp van een wattenstaafje en stop eventuele bloedingen met een stuk gaas.
Trek vervolgens het omliggende weefsel terug met behulp van alligatorklemmen of hemostatische klemmen. Nadat de schedel is gereinigd, brengt u enkele druppels cyanoacrylaat-gebaseerd weefselkleefstof aan op de blootgestelde schedel om de hechting van tandcement in latere stappen te verbeteren. Markeer in het gekozen halfrond het gebied van de motorische cortex dat overeenkomt met de voorpootbeweging door een inkeping in het bot te maken.
Verwijder een deel van de schedel met behulp van een tandboor met een afgeronde punt van 1,75 millimeter, waarbij u er bijzonder op moet letten niet te snel of te diep te boren. De boor moet met tussenpozen op de schedel worden toegepast om oververhitting te voorkomen. Gebruik fysiologisch zout en lichte zuiging om eventueel botdebris uit de schedel te verwijderen.
Wees voorzichtig om de dura niet te beschadigen tijdens het boren. Gebruik vervolgens fijne rongeurs of gebogen micro-tang om het resterende bot te verwijderen. Vervolgens reflecteert u de dura met behulp van een fijne 45-graads dura-pick.
Reiniging van eventuele bloedingen met behulp van een wattenstaafje en fysiologisch zout, waarbij u erop moet letten de hersenoppervlakte niet direct aan te raken. Om de micro-elektrode in de motorische cortex te plaatsen, monteert u de gesteriliseerde micro-elektrode voorzichtig in de universele houder op het stereotactische frame, waarbij u ervoor zorgt dat de schacht van de elektrode niet wordt geraakt. Zorg ervoor dat de head stage interface connector van de elektrode stevig door de houder wordt vastgehouden.
Gebruik de micromanipulator op het stereotactische frame om de punt van de elektrode voorzichtig boven de open craniotomie te positioneren. Laat de elektrode voorzichtig ongeveer twee millimeter in de hersenen zakken. Wees voorzichtig om zichtbare vaten zoveel mogelijk te vermijden.
Voor handmatige/handmatige inbrenging zoals hier gedemonstreerd, worden micro-tangen gebruikt om de siliconen niet-functionele dummy-micro-elektrode in te brengen. Zodra de elektrode op zijn plaats is, laat u de connector voorzichtig los van de universele houder en trekt u de inbrengingsarm terug. Reinig voorzichtig eventuele bloedingen rond de elektrode met behulp van een wattenstaafje en fysiologisch zout.
Vervolgens sluit u de craniotomie rond de geïmplanteerde elektrode af met behulp van een siliconen elastomeer. Bevestig vervolgens de elektrode aan de schedel met behulp van tandcement. Zodra het cement volledig droog is, brengt u de randen van de incisie samen aan de voor- en achterkant van de cementhoofdkappen en naait u ze dicht.
Voor niet-functionele implantaten kan de hele incisie worden gesloten. Om openveldrastertesten te starten, plaatst u het dier in het midden van het raster, weg van de testpersoon. Laat het dier drie minuten vrij rondlopen terwijl u een video opneemt.
Wanneer het dier de test heeft voltooid, verwijdert u het uit het raster en reinigt u het raster grondig met chloordioxide-gebaseerd sterilant. Analyseer het aantal overgestoken rasterlijnen, de totale afgelegde afstand en de maximale snelheid van het dier als metrische gegevens van de grove motorische functie met behulp van een videotrackingsoftware. Voor trappentesten is een week training vereist voorafgaand aan het opnemen van de scores vóór de operatie als basislijn.
Breng vervolgens het dier over naar een tijdelijk schone kooicage om te beginnen met trappentesten. Plaats de trap zodat deze twee kooien overbrugt. Het begin van de trap rust op een schone kooi en het einde rust in de eigen kooi van het dier om als motivatie te dienen om de run te voltooien.
Plaats de videocamera die wordt gebruikt om trappentesten te filmen op een statief in het midden van de trap rond de stanghoogte. Houd met een draaiende videocamera het dier bij de startlijn van de trap vast, zodat de voorpoten de eerste stang raken. Laat de rat de trap naar eigen snelheid oversteken.
De tijd die verstrijkt tussen het moment dat de poot van het dier de eerste stang raakt en de eindlijn van de op twee na laatste stang, bepaalt de tijd die het dier nodig heeft om de trap over te steken. Als het dier zich op de trap omdraait of gedurende een periode van 20 seconden niet beweegt, wordt het dier als mislukt beschouwd. Ken het een strafscore tijd toe voor elke mislukte run en bepaal de straftijd op basis van de langzaamste prestatie die tijdens de testen vóór de operatie is geregistreerd.
Laat elk dier vijf ke
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt de effecten van micro-elektrodeimplantatie in de motorische cortex van ratten, waarbij directe en aanhoudende motorische tekorten worden aangetoond. De beschreven methoden omvatten chirurgische implantatie en gedragstaken om veranderingen in de motorische functie te beoordelen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Neurale Techniek
- Gedragsanalyse
Achtergrond
- De implantatie van micro-elektroden kan de motorische functie beïnvloeden.
- Inzicht in deze effecten is cruciaal voor toepassingen in de neurale engineering.
- Gedragstaken bieden inzicht in motorische tekorten.
- Real-time metingen zijn essentieel voor het beoordelen van langetermijnresultaten.
Doel van de studie
- Om de impact van microelektrode-implantatie op de motorische functie te evalueren.
- Om methoden te ontwikkelen voor het beoordelen van motorische tekorten in knaagdiermodellen.
- Om de implicaties van apparaat-implantatie voor de motorische functie op lange termijn te onderzoeken.
Gebruikte methoden
- Subcutane injectie van een cefalosporine-antibioticum om infectie te voorkomen.
- Toediening van niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen voor pijnbestrijding.
- Aanbrengen van oogzalf ter bescherming van de ogen.
- Knippen van de nagels om te voorkomen dat de hechtingen na de operatie worden opengekrabd.
Belangrijkste resultaten
- Directe motorische defecten waargenomen na implantatie.
- Langetermijnveranderingen in het gedrag vastgesteld bij motorische functietaken.
- Real-time monitoring leverde waardevolle gegevens op gedurende de gehele studie.
- Implicaties voor toekomstig onderzoek naar neurale engineering benadrukt.
Conclusies
- De implantatie van micro-elektroden leidt tot aanzienlijke motorische tekorten.
- Gedragsbeoordelingen zijn cruciaal voor het begrijpen van deze effecten.
- Toekomstige studies moeten zich richten op de langetermijngevolgen van de implantatie.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Het beoordelen van functionele motorische tekorten na intracorticale microelektrode-implantatie is van cruciaal belang voor het beperken van risico's bij neurale interfacetechnologieën in de preklinische ontwikkeling. Real-time gedragsmonitoring biedt voorspellende waarde voor langetermijnresultaten van de motorische functie, wat go/no-go-beslissingen ondersteunt bij de evaluatie van apparaten in een vroeg stadium. Deze aanpak maakt een mechanistisch begrip mogelijk van weefselreacties gerelateerd aan de implantatie en de functionele gevolgen daarvan, wat bijdraagt aan een risico-gecorrigeerde voortgang in BMI-programma's.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Kwantificeert motorische beperkingen om therapeutische hypothesen over biocompatibiliteit van apparaten en neurale integratie te onderzoeken.
- Operationele waarde: Levert functionele uitkomsten die histologische eindpunten aanvullen voor de doelvalidatie van neurale interfaces.
- Voorspellende waarde: Maakt vroege detectie van motorische defecten mogelijk om de portfolio-triage van implanteerbare neurotechnologieën te ondersteunen.
Screening & Assayontwikkeling
- Klaarheid van de assay: Stelt gestandaardiseerde gedragsassays vast (open field-raster, ladderoversteek, grijpkracht) voor een reproduceerbare screening van de motorische functie.
- Kwantitatieve outputs: Genereert meetbare metrieken zoals het aantal overgestoken rasterlijnen, de tijd voor het oversteken van de ladder en de grijpkracht voor comparatieve analyse.
- Schaalbaarheid: Ondersteunt high-throughput evaluatie van implantaatontwerpen bij meerdere dieren en tijdspunten.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Ziekterelevantie: Modelleert beschadiging van de motorische cortex die relevant is voor de therapeutische ontwikkeling bij Parkinson, beroertes en ruggenmergletsel.
- Translationele continuïteit: Correleert gedragsresultaten met histologische markers, zoals immunoglobuline G-fluorescentie, om functionele tekorten te koppelen aan verstoringen van de bloed-hersenbarrière.
- Risico-gecorrigeerde beslissingen: Informeert de preklinische voortgang door persistente tekorten in de fijne motoriek na implantatie te identificeren.
Integratie van Pijplijn & Workflow
De methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van vroege screening van apparaten tot preklinische validatie, waardoor iteratieve verfijning van het ontwerp mogelijk is op basis van functionele motorische resultaten.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetesten over de vraag of de implantatie van micro-elektroden acute of chronische motorische dysfunctie veroorzaakt in knaagdiermodellen.
- Screening: Levert assay-klare, reproduceerbare gedragsmetrieken voor het evalueren van implantatie-geïnduceerde motorische beperkingen over verschillende testartikelen.
- Analytiek: Biedt kwantitatieve, traceerbare output (afstand, snelheid, tijd, slipfrequentie, grijpkracht) voor statistische vergelijking tussen controle- en geïmplanteerde groepen.
- Translationeel onderzoek: Verbindt functionele motorische tekorten met responsen op weefselniveau via correlatie met histologische biomarkers, wat het voorspellend vertrouwen vergroot.
- Bedrijfsvoering en hergebruik: Vestigt een herbruikbaar gedragsplatform voor chronische beoordeling van neurale implantaten over meerdere programma's en indicaties.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit door apparaatimplantatie te koppelen aan kwantificeerbare veranderingen in de motorische functie over een bepaalde periode.
- Operationele waarde: Waarborgt standaardisatie en reproduceerbaarheid via gedefinieerde gedragsprotocollen en video-trackinganalyse.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door vroege motorische tekorten te identificeren die voorspellend zijn voor complicaties op de lange termijn gerelateerd aan het apparaat.
- Impact op de portfolio: Maakt risicogecorrigeerde prioritering van neurale interface-kandidaten mogelijk op basis van functionele veiligheidsprofielen.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in de gedragsneurowetenschap bij knaagdieren en stereotaxische chirurgie.
- Afhankelijk van video-trackingsoftware en gecontroleerde omgevingscondities om storende variabelen te minimaliseren.
- Vereist cross-functionele standaardisatie tussen de teams voor chirurgie, gedrag en histologie voor een gecorreleerde interpretatie van de gegevens.
- Er moet rekening worden gehouden met aanpassingen tussen modelsystemen, aangezien de mapping van de motorische cortex en de gedragssensitiviteit kunnen variëren per soort en stam.
- Beperkt tot het detecteren van grove en fijne veranderingen in de motorische functie; beoordeelt geen cognitieve of sensorische uitkomsten, tenzij aangevuld met additionele assays.
