Gravações simultâneas de potenciais de campo corticais Local, eletrocardiograma, eletromiograma e respirar o ritmo de um rato andando livremente
April 2nd, 2018
Este estudo apresenta um método para a gravação simultânea dos potenciais do campo local no cérebro, eletrocardiogramas, electromyograms e respirando os sinais de um rato andando livremente. Esta técnica, o que reduz custos experimentais e simplifica a análise de dados, irá contribuir para a compreensão das interacções entre o cérebro e os órgãos periféricos.
O objetivo geral deste implante cirúrgico de eletrodos é registrar sinais bioelétricos centrais e periféricos simultaneamente de um rato em movimento livre. Esse método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da neurociência, como memória, cognição, emoção e interações cérebro-corpo. A principal vantagem dessa técnica é que um único dispositivo de gravação coleta todos os sinais bioelétricos da ampla gama de áreas do corpo.
Tivemos a ideia para esse método pela primeira vez quando notamos que as atividades musculares e cardíacas são representadas por sinais elétricos semelhantes aos sinais extracelulares cerebrais. Portanto, consideramos que todos os sinais podem ser gravados por um único dispositivo de gravação multicanal. Para começar, prepare uma matriz de micro-drive padrão para gravações LFP corticais.
Deixe pelo menos seis orifícios de metal abertos em uma placa de interface de eletrodo para os canais de sinalização. Em seguida, faça seis comprimentos de cinco centímetros de fio Bioflex para transportar os sinais. Retire cerca de cinco milímetros do revestimento PFTE em ambas as extremidades.
Em seguida, conecte um fio a cada orifício de metal na placa usando um pino de ouro. Em seguida, faça dois comprimentos de cinco centímetros de fio de esmalte e solde-os nos dois canais de aterramento/referência na placa. Para fazer os eletrodos de ECG, corte dois comprimentos de 16 centímetros de fio Bioflex e retire os 0,5 milímetros de revestimento de uma extremidade e 15 milímetros de revestimento da outra extremidade.
Em seguida, forme cada seção longa descascada em um círculo de dois milímetros de diâmetro e prenda o laço com solda. Para fazer os eletrodos EMG, corte dois pedaços de oito centímetros de fio Bioflex e retire cerca de cinco milímetros de revestimento de ambas as extremidades. Para fazer os eletrodos BR, corte dois comprimentos de seis centímetros de fio Bioflex e retire cerca de cinco milímetros de revestimento de ambas as extremidades de cada fio.
Para cada um dos dois eletrodos BR, solde uma extremidade de cada fio na cabeça de um parafuso de aço inoxidável. Para fazer os eletrodos de aterramento/referência, corte dois comprimentos de seis centímetros de fio esmaltado. Para cada um dos dois eletrodos de referência de aterramento, solde uma extremidade do fio a um parafuso um pouco maior.
Agora esterilize todos os eletrodos e manuseie-os em condições estéreis. Para começar, fixe um rato anestesiado de costas em uma almofada térmica plana. Forneça buprenorfina como analgésico e aplique pomada oftálmica para evitar o ressecamento.
Em seguida, limpe o peito e o pescoço com esfoliantes alternados de etanol 70% e betadina. Em seguida, coloque o animal para deixar apenas a área do peito exposta. Primeiro, implante os eletrodos de ECG.
Comece com uma incisão de dois centímetros na área medial do tórax. Em seguida, exponha os músculos intercostais separando os músculos do peito. Agora, suture os anéis dos eletrodos de ECG nos músculos intercostais.
Faça isso firmemente para que os eletrodos fiquem bem seguros e haja uma alta relação sinal-ruído. Em seguida, faça uma incisão de um centímetro na área dorsal do pescoço e faça um túnel dos eletrodos de ECG subcutaneamente até a incisão, deixando uma folga de fio sob a pele para minimizar o estresse físico no eletrodo. Em seguida, a sutura fechou a incisão torácica.
Em seguida, reposicione e prenda o animal para conectar os eletrodos EMG. Insira uma extremidade de cada eletrodo por via subcutânea cerca de um centímetro na incisão do pescoço e nos músculos do pescoço. Em seguida, suture esses eletrodos no lugar.
Após o implante do eletrodo, prenda o rato a um dispositivo estereotáxico. Em seguida, raspe e limpe o crânio e inicie a implantação da matriz com uma incisão de três centímetros ao longo da linha média, do ponto entre os olhos até o pescoço. Usando uma broca de alta velocidade, faça um par de craniotomias circulares entre 0,7 e 1,0 milímetros de diâmetro acima do bulbo olfatório, que é 11,0 milímetros anterior e um milímetro bilateral ao bregma.
Em seguida, implante os dois eletrodos BR com profundidade suficiente para que as pontas dos parafusos entrem em contato com o cérebro, que tem cerca de dois milímetros de profundidade. Use entre seis e oito voltas completas do parafuso. Em seguida, faça outro par de craniotomias acima do córtex frontal, 2,7 milímetros anteriores e 2,7 milímetros bilaterais ao bregma.
Nesses orifícios, prenda os dois eletrodos de aterramento / referência para que eles também entrem em contato com o cérebro a cerca de 1,6 milímetros de profundidade. Isso leva de quatro a cinco voltas completas do parafuso. Agora, planeje uma grande craniotomia circular com um diâmetro de cerca de 2,0 milímetros acima do hipocampo, 3,8 milímetros posteriores e 2,5 milímetros bilaterais ao bregma.
Em seguida, faça de seis a oito orifícios de 1,0 milímetro na área que circundará a craniotomia. Em cada um desses orifícios, implante os parafusos de ancoragem. Em seguida, faça a craniotomia planejada entre os parafusos.
Acima do orifício grande, posicione a matriz de microacionamento integrativa de forma que a ponta da cânula fique logo acima da craniotomia grande. Preencha o espaço entre a ponta da cânula e a superfície do cérebro com cerca de 100 microlitros de epóxi de duas partes. Nos próximos cinco minutos, deixe a mistura se transformar em um gel transparente.
Em seguida, cubra a cânula, os eletrodos BR, os eletrodos de aterramento/referência e os parafusos de ancoragem com cimento dentário. Aplique cerca de cinco milímetros de cimento sem cobrir as extremidades abertas dos eletrodos BR ou terra/referência. Agora, solde todas as extremidades abertas dos eletrodos onde eles se conectam à placa.
Em seguida, cubra a parte inferior da matriz de microacionamento integrativa e todos os fios do eletrodo com cimento dentário. É importante cobrir completamente os fios do eletrodo para que o rato não possa arranhá-los após o implante. Agora, permita que o rato se recupere.
Depois de recuperar a consciência suficiente para manter a decúbito esternal, abrigue-o sozinho, sem companheiros de gaiola, e dê-lhe livre acesso a comida e água. Após a cirurgia, avance gradualmente os tetrodos avançando os parafusos diariamente. Uma vez que os tetrodos estejam adjacentes às áreas cerebrais alvo, deixe-os assentar por vários dias, durante os quais os sinais se estabilizarão.
Usando os métodos descritos, os sinais bioelétricos do cérebro, coração, pulmões e músculos esqueléticos podem ser capturados simultaneamente e correlacionados. Por exemplo, um rato em movimento livre em comportamento de forrageamento fornece um conjunto de dados com transições entre os estados ativo e de repouso. Um espectro de potência foi calculado a partir de um traço LFP do hipocampo usando análise wavelet.
O sinal BR registrado na área de superfície do bulbo olfatório foi usado para estimar aproximadamente as mudanças relativas nas frequências respiratórias, como as que ocorrem durante o comportamento exploratório de cheirar. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em três horas se for executada corretamente. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores da área de neurociência explorarem a relação entre os órgãos centrais e periféricos com alta resolução temporal em roedores.
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Visão Geral
Este estudo introduz um método para o registro simultâneo de potenciais de campo local, eletrocardiogramas, eletromiogramas e sinais de respiração em um rato em movimento livre. Esta técnica simplifica a análise de dados e reduz custos experimentais, ao mesmo tempo que melhora a compreensão das interações entre o cérebro e os órgãos periféricos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Registro de sinal bioelétrico
- Pesquisa comportamental em animais
Fundo
- Compreender as interações entre o cérebro e o corpo é crucial para a neurociência.
- Os métodos existentes frequentemente requerem múltiplos dispositivos, complicando a coleta de dados.
- O registro simultâneo de múltiplos sinais bioelétricos poderia melhorar a eficiência da pesquisa.
- Este estudo se concentra no desenvolvimento de um sistema de registro coeso para diversos sinais.
Propósito do Estudo
- Desenvolver um método para registrar múltiplos sinais bioelétricos simultaneamente.
- Facilitar investigações sobre memória, cognição, emoção e interações cérebro-corpo.
- Reduzir custos e simplificar a análise na pesquisa neurocientífica.
Métodos Utilizados
- Um dispositivo de registro multicanal foi empregado para captura de sinais.
- O modelo biológico envolveu ratos em movimento livre sob condições de implantação cirúrgica.
- Nenhuma análise multiômica foi relatada neste estudo.
- A metodologia envolveu colocações precisas de eletrodos e procedimentos de implantação seguros.
- Eletrodos foram projetados para ECG, EMG e coleta de outros sinais bioelétricos.
Principais Resultados
- Captura bem-sucedida de sinais bioelétricos de várias áreas do corpo foi alcançada.
- A integração dos sinais permite dados mais abrangentes sobre interações cérebro-corpo.
- Método validado por sua eficácia na redução de ruído durante o registro de sinais.
- Possíveis aprimoramentos em estudos futuros sobre o rastreamento do comportamento animal foram indicados.
Conclusões
- Este estudo demonstra uma nova abordagem para o registro simultâneo de múltiplos sinais.
- O método integrado permite uma análise mais eficiente das interações entre cérebro e corpo.
- Os resultados podem avançar significativamente nossa compreensão dos mecanismos neurais e estudos comportamentais.
Perguntas Frequentes
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.
