Jednoczesne zapisy lokalnych potencjałów pola korowego, elektrokardiogram, elektromiogram i rytm oddychania swobodnie poruszającego się szczura
April 2nd, 2018
To badanie wprowadza metodę jednoczesnego rejestrowania lokalnych potencjałów pola w mózgu, elektrokardiogramów, elektromiogramów i sygnałów oddechowych swobodnie poruszającego się szczura. Technika ta, która obniża koszty eksperymentów i upraszcza analizę danych, przyczyni się do zrozumienia interakcji między mózgiem a narządami obwodowymi.
Ogólnym celem tej chirurgicznej implantacji elektrod jest jednoczesne rejestrowanie centralnych i obwodowych sygnałów bioelektrycznych od swobodnie poruszającego się szczura. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie neuronauki, takie jak pamięć, poznanie, emocje i interakcje mózg-ciało. Główną zaletą tej techniki jest to, że jedno urządzenie rejestrujące zbiera wszystkie sygnały bioelektryczne z szerokiego zakresu obszarów ciała.
Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy zauważyliśmy, że aktywność mięśni i serca jest reprezentowana przez sygnały elektryczne podobne do sygnałów zewnątrzkomórkowych mózgu. W związku z tym uznaliśmy, że wszystkie sygnały mogą być rejestrowane przez pojedyncze, wielokanałowe urządzenie rejestrujące. Na początek przygotuj standardową macierz mikronapędów do korowych nagrań LFP.
Pozostaw co najmniej sześć otwartych metalowych otworów na płytce interfejsu elektrody dla kanałów sygnalizacyjnych. Następnie wykonaj sześć pięciocentymetrowych odcinków drutu Bioflex, aby przenosić sygnały. Oderwij około pięciu milimetrów powłoki PFTE na obu końcach.
Następnie podłącz jeden przewód do każdego metalowego otworu w płytce za pomocą złotego pinu. Następnie wykonaj dwa pięciocentymetrowe odcinki drutu emaliowanego i je do dwóch kanałów uziemiających/referencyjnych na płycie. Aby wykonać elektrody EKG, odetnij dwa 16-centymetrowe odcinki drutu Bioflex i oderwij 0,5 milimetra powłoki z jednego końca i 15 milimetrów powłoki z drugiego końca.
Następnie uformuj każdą długą odizolowaną sekcję w okrąg o średnicy dwóch milimetrów i zabezpiecz pętlę lutem. Aby wykonać elektrody EMG, odetnij dwa ośmiocentymetrowe odcinki drutu Bioflex i oderwij około pięciu milimetrów powłoki z obu końców. Aby wykonać elektrody BR, odetnij dwa sześciocentymetrowe odcinki drutu Bioflex i zdejmij około pięciu milimetrów powłoki z obu końców każdego drutu.
Dla każdej z dwóch elektrod BR jeden koniec każdego drutu do łba ze stali nierdzewnej. Aby wykonać elektrody uziemiające/referencyjne, należy przeciąć dwa sześciocentymetrowe odcinki drutu emaliowanego. Dla każdej z dwóch elektrod odniesienia uziemienia jeden koniec drutu do nieco większej.
Teraz wysterylizuj wszystkie elektrody, a następnie obchodź się z nimi w sterylnych warunkach. Na początek przymocuj znieczulonego szczura na grzbiecie na płaskiej poduszce grzewczej. Podaj buprenorfinę jako środek przeciwbólowy i nałóż maść okulistyczną, aby zapobiec wysuszeniu.
Następnie oczyść klatkę piersiową i szyję naprzemiennymi peelingami z 70% etanolu i betadyny. Następnie ułóż zwierzę tak, aby odsłonięty był tylko obszar klatki piersiowej. Najpierw wszczepij elektrody EKG.
Zacznij od dwucentymetrowego nacięcia w przyśrodkowej części klatki piersiowej. Następnie odsłoń mięśnie międzyżebrowe, oddzielając mięśnie klatki piersiowej. Teraz zszyj pierścienie elektrod EKG do mięśni międzyżebrowych.
Zrób to mocno, aby elektrody były bardzo bezpieczne i aby stosunek sygnału do szumu był wysoki. Następnie wykonaj jednocentymetrowe nacięcie w okolicy grzbietowej szyi i tuneluj elektrody EKG podskórnie do nacięcia, pozostawiając luz drutu pod skórą, aby zminimalizować obciążenie fizyczne elektrody. Następnie szew zamknął nacięcie w klatce piersiowej.
Następnie zmień pozycję i zabezpiecz zwierzę, aby przymocować elektrody EMG. Włóż jeden koniec każdej elektrody podskórnie na około jeden centymetr do nacięcia szyi i do mięśni szyi. Następnie zszyj te elektrody na miejscu.
Po wszczepieniu elektrod przymocuj szczura do urządzenia stereotaktycznego. Następnie ogol i oczyść czaszkę, a następnie rozpocznij implantację matrycy od trzycentymetrowego nacięcia wzdłuż linii środkowej od punktu między oczami do szyi. Za pomocą wiertła o dużej prędkości wykonaj parę okrągłych kraniotomii o średnicy od 0,7 do 1,0 milimetra nad opuszką węchową, która znajduje się 11,0 milimetra z przodu i jeden milimetr obustronnie do bregmy.
Następnie wszczepij dwie elektrody BR na tyle głęboko, aby końcówki zetknęły się z mózgiem, który ma około dwóch milimetrów głębokości. Użyj od sześciu do ośmiu pełnych obrotów. Następnie wykonaj kolejną parę kraniotomii powyżej kory czołowej, 2,7 milimetra z przodu i 2,7 milimetra obustronnie do bregmy.
W tych otworach przymocuj dwie elektrody uziemiające/referencyjne tak, aby stykały się z mózgiem na głębokości około 1,6 milimetra. Zajmuje to od czterech do pięciu pełnych obrotów. Teraz zaplanuj dużą okrągłą kraniotomię o średnicy około 2,0 milimetrów nad hipokampem, 3,8 milimetra z tyłu i 2,5 milimetra obustronnie do bregmy.
Następnie wykonaj od sześciu do ośmiu 1,0-milimetrowych otworów w obszarze, który będzie otaczał kraniotomię. W każdy z tych otworów wbij kotwiące. Następnie należy wykonać planowaną kraniotomię między.
Nad dużym otworem umieść zintegrowany układ mikronapędów tak, aby końcówka kaniuli znajdowała się tuż nad dużą kraniotomią. Wypełnij przestrzeń między końcówką kaniuli a powierzchnią mózgu około 100 mikrolitrami dwuskładnikowej żywicy epoksydowej. W ciągu następnych pięciu minut pozwól, aby mieszanina zmieniła się w przezroczysty żel.
Następnie przykryj kaniulę, elektrody BR, elektrody uziemiające/referencyjne i kotwiące cementem dentystycznym. Nałóż około pięciu milimetrów cementu bez zakrywania otwartych końców elektrod BR lub elektrod uziemiających/referencyjnych. Teraz wszystkie otwarte końce elektrod do miejsca, w którym łączą się z płytką.
Następnie przykryj dolną część zintegrowanego układu mikronapędów i wszystkie przewody elektrod cementem dentystycznym. Ważne jest, aby całkowicie zakryć druty elektrod, aby szczur nie mógł ich wydrapać po implantacji. Teraz pozwól szczurowi dojść do siebie.
Po odzyskaniu wystarczającej przytomności, aby utrzymać pozycję leżącą mostka, umieść go samotnie, bez żadnych kolegów w klatce, i zapewnij mu swobodny dostęp do jedzenia i wody. Po operacji stopniowo przesuwaj tetrody, codziennie przesuwając. Gdy tetrody znajdą się w sąsiedztwie docelowych obszarów mózgu, pozwól im osiąść przez kilka dni, podczas których sygnały się ustabilizują.
Za pomocą opisanych metod sygnały bioelektryczne z mózgu, serca, płuc i mięśni szkieletowych mogą być wychwytywane jednocześnie i korelowane. Na przykład swobodnie poruszający się szczur poddający się zachowaniom żerowania zapewnia zestaw danych z przejściami między stanami aktywnymi i spoczynkowymi. Widmo mocy obliczono na podstawie śladu LFP w hipokampie za pomocą analizy falkowej.
Sygnał BR zarejestrowany z powierzchni opuszki węchowej został wykorzystany do przybliżonego oszacowania względnych zmian w częstotliwościach oddychania, takich jak te, które występują podczas eksploracyjnego wąchania. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu trzech godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom w dziedzinie neurobiologii do zbadania związku między narządami centralnymi i obwodowymi z wysoką rozdzielczością czasową u gryzoni.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia metodę jednoczesnego rejestrowania potencjałów pola lokalnego, elektrokardiogramów, elektromiogramów i sygnałów oddechowych u wolno ruszających się szczurów. Ta technika upraszcza analizę danych i zmniejsza koszty eksperymentu, jednocześnie poprawiając rozumienie interakcji między mózgiem a narządami obwodowymi.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Rejestrowanie sygnałów bioelektrycznych
- Badania zachowań u zwierząt
Tło
- Zrozumienie interakcji między mózgiem a ciałem jest kluczowe dla neuronauki.
- Obecne metody często wymagają wielu urządzeń, co komplikuje zbieranie danych.
- Jednoczesne rejestrowanie wielu sygnałów bioelektrycznych mogłoby poprawić efektywność badań.
- Niniejsze badanie koncentruje się na opracowaniu spójnego systemu rejestracji dla różnorodnych sygnałów.
Cel badania
- Opracowanie metody rejestrowania wielu sygnałów bioelektrycznych jednocześnie.
- Ułatwienie badań nad pamięcią, kognicją, emocjami i interakcjami mózg-ciało.
- Zmniejszenie kosztów i uproszczenie analizy w badaniach neuronaukowych.
Zastosowane metody
- Zastosowano wielokanałowe urządzenie rejestrujące do rejestracji sygnałów.
- Model biologiczny obejmował wolno ruszające się szczury w warunkach chirurgicznej implantacji.
- W niniejszym badaniu nie przeprowadzono analizy multiomicznej.
- Metodologia obejmowała precyzyjne umieszczenie elektrod i bezpieczne procedury implantacji.
- Elektrodami przeprowadzano rejestrację EKG, EMG i innych sygnałów bioelektrycznych.
Główne wyniki
- Udało się zarejestrować sygnały bioelektryczne z różnych części ciała.
- Integracja sygnałów umożliwia bardziej kompleksową analizę interakcji mózg-ciało.
- Metoda zweryfikowana pod względem skuteczności w redukcji szumów podczas rejestracji sygnałów.
- Wyznaczono potencjalne ulepszenia w przyszłych badaniach dotyczących śledzenia zachowań zwierząt.
Wnioski
- Niniejsze badanie demonstruje nowatorskie podejście do jednoczesnej rejestracji wielu sygnałów.
- Zintegrowana metoda umożliwia bardziej efektywną analizę interakcji mózg-ciało.
- Wyniki mogą znacząco poszerzyć nasze zrozumienie mechanizmów neuronowych i badań nad zachowaniami.
Często zadawane pytania
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.
