Niedrogi elektroencefalograficzny system zapisu w połączeniu z cewką o rozmiarach milimetrowych do przezczaszkowej stymulacji mózgu myszy in vivo
26 maja 2023
Proponuje się tani system zapisu elektroencefalograficznego w połączeniu z cewką o rozmiarach milimetrowych do napędzania przezczaszkowej stymulacji magnetycznej mózgu myszy in vivo. Korzystając z konwencjonalnych elektrod śrubowych z niestandardowym, elastycznym podłożem z matrycą wieloelektrodową, można przeprowadzić zapis w wielu miejscach z mózgu myszy w odpowiedzi na przezczaszkową stymulację magnetyczną.
W neurobiologii zapisy TMS i EEG są często wykorzystywane do pogłębiania naszego zrozumienia mózgu. TMS jest szczególnie obiecujący ze względu na swoją nieinwazyjność. Połączenie TMS z zapisem EEG umożliwia naukowcom badanie pobudliwości, łączności i dynamiki czasoprzestrzennej w różnych regionach mózgu.
Protokół ten ma na celu opracowanie systemu jednoczesnego pomiaru stymulacji do eksperymentów TMS-EEG na małych zwierzętach. System ten nie został szeroko opracowany, co zmusza badaczy do stworzenia systemu opartego na próbach i błędach zgodnie z unikalnymi wymaganiami eksperymentalnymi. To łatwe do dostosowania podejście można wdrożyć w standardowych laboratoriach neurobiologicznych, dzięki czemu jest bardziej dostępne i praktyczne dla badaczy.
Wyniki tego badania przyczynią się do postępu badań i wyjaśnienia mechanizmów stojących za określonymi zaburzeniami u małych zwierząt, które są niezbędnymi modelami dla kandydatów na ludzi. Co więcej, modele te poprawią ich zrozumienie chorób ludzkich i pomogą w tworzeniu skuteczniejszych metod leczenia i interwencji. Na początek użyj myszy znieczulonej dootrzewnowo i odsłoń czaszkę za pomocą standardowych procedur chirurgicznych.
Przymocuj pręt ze stali nierdzewnej zamontowany na matrycy elektrod 2D z tyłu elastycznego podłoża do mikromanipulatora. Następnie umieść elastyczne podłoże na odsłoniętej czaszce. Dostosuj położenie kanałów 3 i 14 w tablicy, aby zmieściły się w wzgórku dolnym.
Narysuj cztery małe okręgi w miejscach kanałów 3, 8, 9 i 14 na czaszce za pomocą trwałego znacznika, który posłuży jako punkty orientacyjne. Następnie osusz powierzchnię czaszki, aby poprawić przyczepność cementu dentystycznego i elektrycznie odizolować matrycę elektrod 2D na elastycznym podłożu od czaszki myszy. Nałóż warstwę cementu dentystycznego na powierzchnię czaszki o grubości około jednego milimetra i pozwól cementowi utwardzić się przez około 30 minut.
Wyrównaj elastyczne podłoże w jednej linii z małymi okrągłymi znakami na powierzchni czaszki. Następnie umieść końcówkę wiertła dentystycznego na każdym otworze elektrody na elastycznym podłożu i ostrożnie wywierć w czaszce. Za pomocą śrubokręta przymocuj miniaturowe elektrody śrubowe do wywierconych otworów w czaszce.
Mocno zaciśnij elektrody śrubowej i podkładkę elektrody. Na koniec zmierz przewodność między każdą elektrodą śrubową a złączem za pomocą sprzętu testującego, takiego jak miernik LCR, aby potwierdzić przewodność elektryczną. Podłącz elastyczną matrycę 2D do systemu nagrywania za pomocą płaskiego taśmowego.
Następnie przymocuj pręt ze stali nierdzewnej zamontowany na cewce do mikromanipulatora. Na znieczulonej i elektroencefalograficznej myszy z wszczepioną elektrodą umieść cewkę nad bregmą i dostosuj pozycję w kierunku rozpieszczania, aby zlokalizować punkt ogniskowy powyżej dolnego wzgórka. Następnie należy przygotować system stymulacji, podłączając zasilacz bipolarny i generator funkcyjny.
Następnie podłącz cewkę do systemu. Podłączyć między zaciskiem wejściowym generatora funkcyjnego a zaciskiem wyjściowym systemu akwizycji danych, aby dostarczyć sygnały wyzwalające do generatora funkcyjnego z systemu akwizycji danych. Następnie podłącz system akwizycji danych do systemu nagrywania.
Przygotuj odpowiedni program komputerowy do inicjowania bodźców za pomocą sygnałów wyzwalających. Upewnij się, że wymagane są sygnatury czasowe stymulacji. Rozpocznij proces akwizycji dla systemu nagrywania, a następnie zapisz dane odpowiedzi i rozpocznij sesje stymulacji.
Po zakończeniu każdej sesji stymulacji zatrzymaj nagrywanie, które automatycznie zapisze wszystkie zarejestrowane dane. Kształty fal elektroencefalograficznych lub EEG zostały zarejestrowane w odpowiedzi na stymulację dźwiękową o natężeniu 8 kiloherców i ciśnieniu akustycznym 80 decybeli. Odpowiedzi zostały zarejestrowane z kanałów w pobliżu kory słuchowej.
Zaobserwowane kształty fal wykazywały negatywne reakcje idące bezpośrednio po stymulacji dźwiękowej, a następnie dodatnie, które do pewnego stopnia przekraczały linię bazową. Zarejestrowano również powstające fale EEG w odpowiedzi na stymulację magnetyczną obszaru w pobliżu prawego wzgórka dolnego. Kanały w pobliżu kory słuchowej wykazywały różnice w odpowiedzi ze zwiększoną intensywnością stymulacji magnetycznej, co prowadziło do zwiększenia amplitud szczytowych odpowiedzi napędzanych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie proponuje niskokosztowy system zapisu elektroencefalograficznego (EEG) połączony z cewką o rozmiarze milimetrowym do prowadzenia przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) in vivo u myszy. System ma na celu poszerzenie wiedzy na temat aktywności mózgu poprzez wielostanowiskowe zapisy w odpowiedzi na TMS, co umożliwia badaczom analizę pobudliwości i łączności między obszarami mózgu.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- neuronauka
- elektrofizjologia
- przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS)
Wstęp
- TMS i EEG są wykorzystywane do nieinwazyjnego badania funkcji mózgu.
- Symultaniczne pomiary TMS-EEG usprawniają badanie dynamiki mózgu.
- Istniejące systemy przeznaczone dla małych zwierząt mają pewne ograniczenia i wymagają rozwiązań niestandardowych.
- Niniejsza praca przedstawia opracowanie praktycznego, adaptacyjnego systemu przeznaczonego do standardowych laboratoriów.
Cel badania
- Stworzenie systemu pomiaru jednoczesnej stymulacji dla TMS-EEG u małych zwierząt.
- Poprawa dostępności i praktyczności w badaniach z zakresu neuronauk.
- Wyjaśnienie mechanizmów leżących u podstaw zaburzeń neurologicznych z wykorzystaniem modeli małych zwierząt.
Zastosowane metody
- Rejestracja elektroencefalograficzna (EEG) z wykorzystaniem elastycznej macierzy wieloelektrodowej.
- Model mysi pod znieczuleniem wewnątrzbrzusznym w celu rozmieszczenia elektrod i cewki.
- Szczegółowe procedury chirurgiczne i konfiguracyjne dla optymalnego rozmieszczenia elektrod oraz urządzenia stymulującego.
- Sesje rejestracji i stymulacji z użyciem generatora funkcji oraz systemu akwizycji danych.
Główne wyniki
- Pomyślne zapisy fal EEG w odpowiedzi na dźwięk oraz TMS.
- Odpowiedzi o polaryzacji ujemnej obserwowane po stymulacji dźwiękowej, z wariacjami w zależności od natężenia stymulacji magnetycznej.
- Zwiększone amplitudy szczytowe w zapisach EEG skorelowane z intensywniejszą stymulacją.
- Dane obrazują zdolność systemu do pomiaru odpowiedzi mózgu podczas TMS.
Wnioski
- Badanie przedstawia praktyczną konfigurację dla jednoczesnej rejestracji TMS-EEG u gryzoni.
- Metodologia ta otwiera możliwości dla dalszych badań nad mechanizmami mózgowymi powiązanymi z zaburzeniami.
- Przewiduje się lepsze zrozumienie neurologicznych schorzeń u ludzi oraz potencjalnych metod leczenia.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Symultaniczne rejestrowanie EEG i przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) w modelach małych zwierząt umożliwiają bezpośrednie badanie pobudliwości i łączności neuronalnej, co wspiera wczesny etap walidacji celów w procesach rozwoju leków neurofarmakologicznych. Ten niskokosztowy system wielostanowiskowy ułatwia odtwarzalną, ilościową ocenę odpowiedzi mózgu, zmniejszając niejednoznaczność w zakresie mechanizmów i zwiększając pewność prognostyczną w odkrywaniu leków oddziałujących na OUN. Jego dostępność i skalowalność sprawiają, że stanowi on platformę wielokrotnego użytku w przedklinicznych procesach neurofizjologicznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biopharmaceuticals
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia bezpośredni pomiar odpowiedzi obwodów neuronalnych na kontrolowane zaburzenia wywołane przez TMS.
- Wspiera walidację funkcjonalną celów w OUN poprzez ilościowe odczyty EEG.
- Ułatwia redukcję ryzyka mechanistycznego poprzez mapowanie czasoprzestrzennych wzorców aktywności mózgu.
- Zwiększa pewność prognostyczną w procesie wdrażania związków neuroaktywnych.
Przesiew i opracowanie testu
- Zapewnia standaryzowaną, wielokanałową platformę EEG do przesiewania związków in vivo.
- Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki elektrofizjologiczne do opracowywania testów.
- Wspiera skalowalność i ponowne wykorzystanie platformy w odniesieniu do wielu celów i modeli OUN.
- Umożliwia wiarygodną ocenę interwencji farmakologicznych i neuromodulacyjnych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Koreluje przedkliniczne profile odpowiedzi neuronalnej z biomarkerami istotnymi dla przebiegu choroby.
- Zapewnia ciągłość od wczesnej fazy odkrywania leku po walidację przedkliniczną w modelach zwierzęcych małych gatunków.
- Wspiera decyzje o dalszym rozwoju projektu, skorygowane o ryzyko, w oparciu o funkcjonalne punkty końcowe w OUN.
- Dostarcza danych o wysokiej wartości translacyjnej do triage'u portfela projektów dotyczących OUN.
Integracja potoków i przepływów pracy
System ten integruje się z kontinuum procesów odkrywania leków, od wczesnego testowania hipotez, przez identyfikację związków wiodących, aż po walidację przedkliniczną w programach dotyczących OUN.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących obwodów neuronalnych oraz interakcji z celem molekularnym.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowe do analizy, ilościowe wyniki EEG do oceny związków i urządzeń.
- Analityka: Wspiera statystyczne porównywanie odpowiedzi wywołanych stymulacją w różnych warunkach doświadczalnych.
- Badania translacyjne: Łączy ustalenia mechanistyczne u gryzoni z punktami końcowymi istotnymi dla ludzkiego OUN.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje elastyczną, niskokosztową platformę dostosowaną do zróżnicowanych potrzeb badawczo-rozwojowych w sektorze neurofarmaceutycznym.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niepewność mechanistyczną w walidacji celów terapeutycznych OUN.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje wieloośrodkowe przepływy pracy EEG-TMS w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie świadomych decyzji go/no-go oraz efektywne pod kątem kapitałowym zarządzanie portfolio projektów dotyczącym OUN.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój aktywów neuroaktywnych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w chirurgii małych zwierząt oraz neurofizjologii.
- Wymagany dostęp do podstawowej aparatury elektrofizjologicznej i systemów akwizycji danych.
- Wymagana standaryzacja rozmieszczenia elektrod i protokołów stymulacji pomiędzy zespołami.
- Możliwość adaptacji do różnych modeli gryzoni i paradygmatów eksperymentalnych.
- Potencjalne ograniczenia obejmują zmienność reakcji zwierząt oraz konieczność dostosowania protokołu.
