Техника хронического краниального окна для повторных записей коры головного мозга во время анестезии у свиней
6 июня 2025 г.
В этом исследовании представлен масштабируемый, надежный и воспроизводимый метод повторных хронических записей коры головного мозга в модели свиньи. Метод находит применение в различных областях нейробиологии, включая исследования боли и диагностику неврологических заболеваний.
Это исследование направлено на разработку масштабируемого и надежного метода хронической корковой записи у свиней, решение проблем отказа устройства и реакции тканей, улучшение нейробиологии, диагностики и исследований. Чтобы извлекать информацию из мозга в течение длительных периодов времени, современные технологии сосредоточены на создании стабильного и надежного интерфейса между электродом и мозгом, обеспечивая согласованные сигналы от одной и той же нейронной популяции. Электрокортикография и внутричерепные записи обычно используются для длительных записей мозга.
Эти электроды остаются на одном и том же месте, но граница раздела электродов изменяется из-за реакции тканей и отказа устройства. Для начала определите точку брегмы, проведя прямые линии между каждым ухом и контралатеральным глазом. Точка брегмы находится на пересечении этих линий.
Сделайте скальпелем надрез немного сбоку от точки брегмы. С помощью прижигания продолжайте разрез через кожу. После установки стерильной простыни сделайте первоначальный разрез с отмеченной стороны в дерме с помощью скальпеля.
С помощью прижигания продолжайте разрез через кожу. После установки ретрактора подтяните кожу с помощью щипцов и разрежьте аваскулярную соединительную ткань между надкостницей и подподкутом, чтобы обеспечить гибкость для наложения швов в дальнейшем. Установите еще один ретрактор, чтобы обеспечить дополнительную гибкость кожи.
Сверлите сверло отверстие диаметром 10 миллиметров спереди к линии сагиттального шва и сбоку от средней линии шва с помощью сверла с закругленным лезвием. Как только твердая мозговая оболочка станет видимой, переключитесь на сверло меньшего размера, чтобы добиться максимальной ширины отверстия на уровне твердой мозговой оболочки. Обрежьте края отверстия с помощью ронжеров.
Убедитесь, что краниальное окно полностью входит в просверленное отверстие, доходя до дна без зазоров и определите подходящую глубину. Удерживая черепное окно на месте, отметьте места отверстий для винтов ручной дрелью. Снимите черепное окно и просверлите отмеченные отверстия на глубину не менее четырех миллиметров.
Затем установите черепное окно обратно. После извлечения иглы из набора для инфузии бабочек измерьте глубину отверстия винта через краниальное окно с помощью тупой бабочки. Вставьте и закрепите в отверстие винт соответствующей длины.
Поместите U-образный соединитель под винт, который перфорирует череп и касается твердой мозговой оболочки. Введите две иглы перпендикулярно нервному руслу на расстоянии примерно двух сантиметров друг от друга. Снова проткните кожу примерно в трех сантиметрах от точки введения.
Пропустите проволоку Кунера через иглы и удалите иглы, оставив провода частично под кожей. Окунув электрод микроэлектрокортикографии в спирт, поместите его в ZIF-Clip Headstage. С помощью микроманипулятора и аккуратно направляя его ватной палочкой, установите микроэлектрод электрокортикографии на место.
Подсоедините провода заземления электрода к винту заземления с помощью разъема типа «крокодил». Наложите стерильную марлю на электрод, чтобы сохранить плотный контакт с тканями. Капните на марлю физраствор температуры тела, чтобы предотвратить высыхание ткани.
Затем примените электрическую стимуляцию локтевого нерва через периферический провод, чтобы вызвать небольшие движения в передней конечности. Предварительный просмотр спонтанных и вызванных сигналов мозга. Установите колпачок краниального окна, чтобы закрыть краниальное окно, следя за тем, чтобы он точно прилегал к краниальному окну и не требовал дополнительного крепления.
Положите пакетик с антибиотиком поверх крышки краниального окна. Закройте кожу подкожно, используя технику заглубленного вертикального матраса с помощью одиночных рассасывающихся швов, расположив их на расстоянии от пяти до 10 миллиметров друг от друга. Завяжите последние три шва после того, как все швы будут наложены.
Затем наложите внутрикожные швы непрерывным образом, начиная на один-два сантиметра латеральнее места разреза и проходя под кожей к дермальному слою, но ниже его поверхности. Завяжите узел на боковом конце, чтобы предотвратить раздражение или ослабление шва. Затем наложите непрерывный шов между подкожными швами до тех пор, пока не будет достигнута другая сторона разреза.
Сделайте новый разрез в дерме скальпелем немного латеральнее средней линии. С помощью прижигания продолжайте разрез через кожу. Затем разрежьте надкостницу, чтобы имплантат стал виден.
Наконец, легкими круговыми движениями ватной палочки удалите любую соединительную ткань из отверстия до тех пор, пока твердая мозговая оболочка не станет видимой. На этом рисунке показана стабильность и модуляция связанных с событиями потенциалов или ERP, зарегистрированных в разные моменты времени и при различных условиях стимуляции. ERP, записанные в трех временных точках, показали почти идентичные формы сигналов, демонстрирующие высокую воспроизводимость метода краниального окна с течением времени.
Пиковые амплитуды и межканальная вариабельность остаются стабильными в течение сеансов, что указывает на стабильное качество сигнала, в то время как небольшая задержка в первом сеансе, вероятно, отражает изменения в развитии. Высокочастотная стимуляция значительно увеличила пиковую амплитуду N1, подтвердив чувствительность ERP к нейропластическим изменениям, связанным с повышенной болевой чувствительностью. Такой подход снижает риски, связанные с постоянными имплантатами, за счет исключения отказа устройства и реакций на электроде.
Это, в свою очередь, повышает точность записи и обеспечивает высокую надежность записи. Этот метод также снижает затраты на исследования и улучшает благополучие животных. В дальнейшем он может быть реализован у других видов или для доступа к другим областям мозга.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании представлен масштабируемый и надежный метод хронической регистрации кортикальной активности на модели свиньи, позволяющий решить проблемы отказа устройств и тканевого ответа. Данная методика особенно актуальна для исследований боли и диагностики неврологических заболеваний.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Электрофизиология
- Исследование боли
Теоретические сведения
- Хронические записи из коры головного мозга имеют решающее значение для понимания динамики мозга.
- Традиционные методы часто сталкиваются с осложнениями, вызванными выходом устройств из строя и тканевыми реакциями.
- Стабильные интерфейсы между электродами и тканью мозга необходимы для получения высокоточных записей.
- Электрокортикография и интракраниальные записи широко используются, однако их эффективность снижается с течением времени.
Цель исследования
- Разработать метод, позволяющий повысить точность записи и снизить риски, связанные с использованием устройства.
- Обеспечить стабильность нейронных сигналов в течение длительных периодов записи.
- Повысить уровень благополучия животных при проведении нейробиологических исследований.
Используемые методы
- Были проведены детальные хирургические процедуры для создания краниального окна с целью позиционирования электродов.
- В качестве модели использовался мозг свиньи, что позволило проводить обширные и многократные записи.
- В исследовании не сообщалось о проведении мультиомиксного анализа.
- Критически важные этапы включали правильное размещение электродов и обеспечение стабильности нейронных интерфейсов.
- Для изучения вызванных ответов мозга применялись методы электрической стимуляции.
Основные результаты
- Метод продемонстрировал высокую воспроизводимость со стабильными амплитудами пиков в различных сессиях записи.
- Событийно-связанные потенциалы имели стабильные формы волн, что указывает на надежное качество сигнала.
- Высокочастотная стимуляция усиливала специфические нейропластические изменения, связанные с чувствительностью к боли.
- В исследовании сделан вывод о том, что данный метод снижает риски, связанные с постоянными имплантатами и отказами устройств.
Выводы
- Данное исследование подтверждает эффективность подхода к осуществлению хронических записей активности мозга на моделях крупных животных.
- Полученные результаты позволяют более надежно собирать данные в области нейробиологии, касающиеся моделей боли и заболеваний.
- Результаты указывают на возможности совершенствования как методологии исследований, так и стандартов благополучия животных.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Надежная хроническая регистрация кортикальной активности имеет решающее значение для трансляционной нейронауки, обеспечивая стабильный сбор нейронных сигналов для поиска биомаркеров и валидации устройств. Метод установки хронического краниального окна у свиней позволяет решить проблемы, связанные с выходом устройств из строя и тканевым ответом, что повышает прогностическую достоверность нейрофизиологических исследований. Этот масштабируемый подход оптимизирует принятие решений при формировании портфеля разработок в области интерфейсов мозг-компьютер и исследовании патологий нервной системы.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет исследовать функции нейронных цепей и эффекты терапевтического вмешательства на модели крупных животных.
- Обеспечивает биологическое снижение рисков за счет минимизации отказов устройств и влияния побочных факторов в виде тканевых реакций.
- Способствует валидации функциональных мишеней посредством стабильных и воспроизводимых измерений вызванных потенциалов (ВП).
- Повышает прогностическую достоверность при идентификации трансляционных биомаркеров в нейробиологических портфелях исследований.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает валидированную платформу для количественного сбора кортикальных сигналов в течение нескольких сессий.
- Стандартизирует размещение электродов и условия записи, повышая воспроизводимость и надежность анализа.
- Позволяет проводить масштабируемый скрининг нейромодулирующих воздействий с неизменным качеством сигнала.
- Поддерживает разработку методов анализа для оценки устройств и терапевтических кандидатов в доклинических условиях.
Трансляционные и доклинические исследования
- Соответствует релевантным моделям систем боли и неврологических расстройств.
- Обеспечивает преемственность от этапа поиска до доклинической валидации за счет возможности проведения многократных высокоточных записей.
- Снижает биологические риски на поздних стадиях за счет получения стабильных и интерпретируемых нейронных данных.
- Облегчает принятие решений о продвижении программ в области нейротехнологий и терапии с учетом оценки рисков.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод интегрируется в континуум от этапа поиска до доклинических исследований, обеспечивая поддержку как ранних механистических исследований, так и трансляционной валидации биомаркеров на моделях крупных животных.
- Фундаментальная биология: позволяет проверять гипотезы и уточнять сигнальные пути с помощью стабильной регистрации вызванных потенциалов (ERP).
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные результаты для оценки эффективности вмешательств.
- Аналитика: гарантирует стабильное качество сигнала и статистическую сопоставимость данных между сессиями и условиями.
- Трансляционные исследования: связывает этап фундаментальных открытий и доклиническую фазу с помощью нейронных данных, имеющих значение для конкретных заболеваний.
- Корпоративное использование: предлагает многоразовую масштабируемую платформу для различных прикладных задач в области нейробиологических исследований и разработок.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает точность прогнозирования и снижает механистическую неопределенность в исследованиях нейронных сигналов.
- Операционная ценность: повышает уровень стандартизации, воспроизводимости и масштабируемости при проведении хронических записей с коры головного мозга.
- Стратегическая ценность: оптимизирует принятие решений о продолжении или прекращении разработок (go/no-go) и повышает эффективность использования капитала за счет сокращения сбоев, связанных с оборудованием.
- Влияние на портфель: способствует приоритизации и развитию нейротехнологических активов с учетом корректировки на риск.
Особенности реализации
- Требуется хирургический опыт в имплантации краниального окна и работе с электродами.
- Необходим доступ к электрофизиологическому оборудованию и аналитической инфраструктуре.
- Требуется межгрупповая стандартизация протоколов хирургического вмешательства и регистрации данных.
- Метод может быть адаптирован для других видов животных и областей мозга при модификации протокола.
- Для каждого сеанса регистрации требуется минимальный хирургический доступ; рекомендуются интервалы для восстановления.
