Gravações simultâneas de potenciais de campo corticais Local, eletrocardiograma, eletromiograma e respirar o ritmo de um rato andando livremente
2 de abril de 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 apresenta um método para a gravação simultânea de potenciais de campo locais, eletrocardiogramas, eletromiogramas e sinais respiratórios em uma rata livre para se movimentar. Esta técnica simplifica a análise de dados e reduz os custos experimentais, ao mesmo tempo que aprimora a compreensão das interações entre o cérebro e órgãos periféricos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Gravação de sinais bioelétricos
- Pesquisa comportamental em animais
Contexto
- Compreender as interações entre cérebro e corpo é essencial para a neurociência.
- Os métodos existentes frequentemente exigem múltiplos dispositivos, complicando a coleta de dados.
- A gravação simultânea de múltiplos sinais bioelétricos poderia melhorar a eficiência da pesquisa.
- Este estudo concentra-se no desenvolvimento de um sistema integrado de gravação para sinais diversos.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método para registrar múltiplos sinais bioelétricos simultaneamente.
- Facilitar investigações sobre memória, cognição, emoção e interações entre cérebro e corpo.
- Reduzir custos e simplificar a análise em pesquisas neurocientíficas.
Métodos Utilizados
- Um dispositivo de gravação multicanal foi empregado para a captura do sinal.
- O modelo biológico envolveu ratos em movimento livre sob condições de implante cirúrgico.
- Nenhuma análise multiômica foi relatada neste estudo.
- A metodologia envolveu posicionamentos precisos de eletrodos e procedimentos de implante seguros.
- Os eletrodos foram projetados para coleta de sinais de ECG, EMG e outros sinais bioelétricos.
Resultados Principais
- Foi alcançado o sucesso na captura de sinais bioelétricos de diversas áreas do corpo.
- A integração dos sinais permite dados mais abrangentes sobre as interações entre cérebro e corpo.
- O método foi validado quanto à sua eficácia na redução de ruídos durante a gravação dos sinais.
- Foram indicadas possíveis melhorias em estudos futuros relacionados ao rastreamento do comportamento animal.
Conclusões
- Este estudo demonstra uma abordagem inovadora para gravação simultânea 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 dos estudos comportamentais.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A gravação simultânea de sinais bioelétricos em múltiplos órgãos permite a redução de riscos mecanicistas na validação de alvos ao esclarecer as interações entre o cérebro e órgãos periféricos. Essa abordagem aumenta a confiança preditiva em modelos pré-clínicos, fornecendo leituras fisiológicas sincronizadas que reduzem a ambiguidade interpretativa em estudos de neurociência comportamental. O sistema de gravação integrado aprimora a continuidade translacional do descobrimento aos fluxos de trabalho pré-clínicos por meio da aquisição padronizada de dados multiparamétricos.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmácia
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas por meio da dinâmica correlacionada de sinais centrais e periféricos.
- Valor Operacional: Apoia a redução de riscos biológicos ao validar alvos funcionais por meio de respostas fisiológicas multissistêmicas.
- Valor Preditivo: Melhora a triagem de portfólios ao identificar alvos com efeitos mensuráveis nos sistemas neural e orgânico.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Prepara sistemas biológicos validados para fluxos de trabalho posteriores por meio da aquisição estável e simultânea de sinais.
- Valor Operacional: Aprimora a padronização e reprodutibilidade dos ensaios ao reduzir a variabilidade entre dispositivos na gravação de sinais.
- Escalabilidade: Facilita a reutilização da plataforma em estudos que exigem monitoramento coordenado entre cérebro e corpo.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Continuidade Translacional: Mantém a integridade do sistema relevante para a doença, desde a descoberta até a validação pré-clínica, por meio de monitoramento contínuo de sinais.
- Decisões Ajustadas ao Risco: Apoia critérios de avanço ao vincular a atividade neural a saídas de órgãos periféricos em modelos livres para se mover.
- Redução de Riscos Mecanística: Foca na validação preditiva de alvos por meio de leituras eletrofisiológicas correlacionadas em tempo real.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra ao continuum de descoberta ao permitir a verificação de hipóteses na fase inicial de descoberta, apoiar a prontidão de ensaios na triagem e orientar o avanço pré-clínico por meio de saídas multissistêmicas correlacionadas.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses e a elucidação de vias por meio da correlação simultânea de sinais de potencial de campo local (LFP), ECG, EMG e respiração.
- Triagem: Garante prontidão para ensaios por meio da aquisição padronizada de sinais multicanal com redução de ruído e artefatos.
- Análise: Fornece medidas quantitativas sincronizadas no tempo, permitindo comparação entre condições e modelagem estatística.
- Pesquisa Translacional: Conecta-se à continuidade pré-clínica ao preservar o estado fisiológico em roedores livres para se moverem durante tarefas comportamentais.
- Reutilização Corporativa: Funciona como uma plataforma reutilizável para perfilamento fisiológico multiorgânico em diferentes áreas terapêuticas.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva ao reduzir a ambiguidade mecanicista nos estudos de interação cérebro-corpo.
- Valor Operacional: Melhora a padronização e escalabilidade por meio da coleta de dados multissinal com um único dispositivo.
- Valor Estratégico: Aprimora decisões de prosseguir/não prosseguir ao permitir avaliação de alvos multiparamétrica e eficiente em termos de capital.
- Impacto no Portfólio: Orienta a priorização ajustada ao risco mediante validação simultânea de fenótipos centrais e periféricos.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em cirurgia estereotáxica, implante de eletrodos e eletrofisiologia multicanal.
- Depende de matrizes de microacionamento, placas de interface soldáveis e materiais de eletrodos biocompatíveis.
- Necessita padronização entre equipes para protocolos de processamento de sinais, sincronização e correlação comportamental.
- Envolve considerações de adaptação para diferentes alvos cerebrais, tipos de eletrodos e linhagens animais.
- Inclui limitações práticas, como estabilidade do sinal pós-implante, tempo de recuperação do animal e restrições de fixação em configurações com animais livres para se mover.
