Регистрация мышечной активности передних конечностей у мышей с фиксированной головой с помощью хронически имплантированных электродов ЭМГ
29 марта 2024 г.
Этот протокол описывает ручное изготовление и хирургическую имплантацию электродов электромиографа (ЭМГ) в мышцы передних конечностей мышей для регистрации мышечной активности во время экспериментов по фиксированному поведению головы.
Меня интересует, как части моторной коры головного мозга мыши, называемые первичной и вторичной моторной корой, взаимодействуют друг с другом, влияя на мышечную активность во время различных видов движений. Итак, мы знаем, что как первичная, так и вторичная моторная кора проецируются на спинной мозг, но неясно, как они по-разному влияют на движение. Поэтому я использую этот протокол для сравнения эффектов инактивации первичной и вторичной моторной коры на активность мышц передних конечностей во время движения, чтобы понять, как они дифференцированно контролируют движение.
Использование ЭМГ мышц передних конечностей позволило нам измерить влияние оптогенетической инактивации различных областей моторной системы на двигательный выход. Например, мы смогли показать, что прямое моторное корковое влияние на мышцы специфично для определенных двигательных моделей поведения и определенных состояний мышечной активности во время этого поведения. Новые крупномасштабные многоэлектродные матрицы, такие как нейропиксели, теперь позволяют нам записывать данные из больших популяций нейронов в нескольких областях моторной системы одновременно.
Выполнение записи ЭМГ во время этих нейронных записей позволит нам охарактеризовать, как взаимодействие между этими областями моторной системы зависит от состояния мышечной активности.
Обзор
В данном исследовании подробно описывается протокол ручного изготовления и хирургической имплантации электромиографических (ЭМГ) электродов в мышцы передних конечностей мышей. Целью является регистрация мышечной активности во время поведенческих экспериментов с фиксацией головы для изучения дифференцированного контроля движений первичной и вторичной моторной корой.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Электрофизиология
- Поведенческий анализ
Теоретические сведения
- Взаимодействия между первичной и вторичной моторной корой влияют на мышечную активность.
- Обе моторные области проецируются на спинной мозг, однако их дифференциальное влияние на движение остается неясным.
- Использование ЭМГ мышц передних конечностей позволяет понять особенности мышечной активности при различных движениях.
- Крупномасштабные многоэлектродные матрицы позволяют осуществлять одновременную запись активности многих нейронов.
Цель исследования
- Сравнить эффекты инактивации первичной и вторичной моторной коры на активность мышц передних конечностей.
- Определить, каким образом эти области дифференцированно контролируют движение при различных состояниях мышечной активности.
- Использовать измерения ЭМГ совместно с записью нейронной активности для более глубокого понимания моторного контроля.
Используемые методы
- Протокол включает в себя как изготовление ЭМГ-электродов, так и их хирургическую имплантацию мышам.
- В качестве биологической модели используются мыши для изучения активности мышц и взаимодействий с моторной корой.
- Подробности включают описание точных хирургических манипуляций и методов завязывания узлов для надежной фиксации электродов.
- График включает подробные пошаговые инструкции по подготовке и имплантации электродов.
- Все имплантированные электроды были функциональны и обеспечивали получение чистых ЭМГ-сигналов вскоре после имплантации.
Основные результаты
- В исследовании успешно продемонстрирована функциональность имплантированных электродов при регистрации мышечной активности.
- Результаты указывают на то, что прямое влияние моторной коры на мышцы варьируется в зависимости от двигательного поведения и состояния мышц.
- Эффективность работы электродов была подтверждена в течение определенного времени, при этом некоторые электроды вышли из строя после длительного периода эксплуатации.
- Данный подход позволяет детально изучить взаимодействие между моторными областями коры и мышечными ответами.
Выводы
- Данный протокол представляет собой надежный метод регистрации мышечной активности, необходимый для изучения механизмов моторного контроля.
- Хотя мультиомиксный анализ в данном случае не был применим, работа способствует пониманию нейронных взаимодействий при моторном контроле.
- Полученные результаты имеют значение для дальнейших исследований пластичности моторных систем и их роли при двигательных расстройствах.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Хроническая имплантация ЭМГ-электродов мышам с фиксацией головы позволяет проводить высокоразрешающие лонгитюдные измерения мышечной активности в ходе определенных поведенческих и нейронных манипуляций. Эта возможность способствует механистическому снижению рисков и валидации мишеней в исследованиях двигательной системы, связывая изучение нейронных цепей с количественным анализом моторного выхода. Данный подход повышает прогностическую уверенность для трансляционной нейробиологии и портфелей нейромышечных терапевтических мишеней.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет напрямую исследовать функцию моторных цепей и вклад конкретных путей в мышечную активность.
- Обеспечивает функциональную валидацию мишеней путем установления связи между нейронными пертурбациями и количественными показателями моторного выхода.
- Способствует механическому снижению рисков за счет уточнения ролей первичной и вторичной моторной коры в управлении движениями.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает валидированную систему для воспроизводимого количественного анализа ЭМГ на моделях мелких животных.
- Позволяет стандартизировать анализ для оценки влияния нейронных манипуляций и фармакологических вмешательств на двигательную активность.
- Обеспечивает готовность к скринингу соединений или генетических инструментов, нацеленных на нервно-мышечные пути.
Трансляционные и доклинические исследования
- Согласует доклинические модели с релевантными для заболевания моторными фенотипами и функциональными биомаркерами.
- Обеспечивает преемственность от этапа изучения нейронных цепей до доклинических исследований эффективности при двигательных расстройствах.
- Поддерживает продвижение проекта с учетом рисков, предоставляя надежные количественные конечные точки для оценки моторной функции.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в континуум от фундаментальных открытий до доклинических исследований, обеспечивая возможность проверки гипотез о функционировании нейронных цепей и их влиянии на мышечную активность in vivo.
- Фундаментальная биология: Облегчает уточнение путей передачи сигналов и проверку гипотез с помощью инактивации нейронов и измерения ЭМГ.
- Скрининг: Предоставляет воспроизводимые количественные данные о мышечной активности для сравнения различных условий.
- Аналитика: Обеспечивает вывод данных ЭМГ с миллисекундным разрешением для статистического анализа манипуляций с моторной системой.
- Трансляционные исследования: Связывает результаты изучения нейронных цепей с функциональными двигательными конечными точками, имеющими значение для доклинических моделей.
- Повторное использование в организации: Создает многократную платформу для проведения различных нейромышечных и нейрофармакологических исследований.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неоднозначность в исследованиях моторных систем.
- Практическая ценность: Стандартизирует запись ЭМГ на моделях мелких животных для обеспечения воспроизводимости и масштабируемости.
- Стратегическая ценность: Обосновывает решения о целесообразности дальнейшего проведения исследований (go/no-go), связывая нейронные вмешательства с функциональными результатами.
- Влияние на портфель проектов: Поддерживает приоритизацию нервно-мышечных мишеней и методов вмешательства с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области хирургии на мелких животных и изготовления хронических электродов.
- Необходим доступ к электрофизиологическому оборудованию и инфраструктуре для анализа данных.
- Требуется межкомандная стандартизация размещения электродов и контроля качества сигнала.
- Может потребоваться адаптация метода для различных групп мышц или поведенческих парадигм.
- Практическими ограничениями, требующими мониторинга, являются долгосрочная стабильность сигнала и долговечность электродов.
