Here we demonstrate the use of a wireless enabling technology for electroencephalogram (EEG) in neonatal rodent models of human disease. With telemetry, there are no encumbering connections, thus allowing natural behaviors.
许多进步神经系统疾病在人类中,如癫痫,需要临床前的动物模型是缓慢发展的疾病,以测试干预在疾病过程的各个阶段。这些动物模型尤其难以实现不成熟的啮齿动物,一个经典的模式生物对这些疾病的实验室研究。连续记录脑电图癫痫发作等神经系统疾病的年轻动物模型提出了一个技术挑战,由于年轻老鼠的小的物理尺寸和其前断奶的水坝的依赖。因此,不仅是显然需要改善的临床前研究,这将更好地识别适于翻译到诊所,但还需要一种能够在未成熟啮齿类记录连续脑电图的新设备的那些疗法。在这里,我们描述了技术落后和演示使用了一种新的微型遥测系统,专门设计用于在幼鼠o使用ř小鼠,这也是有效的成年动物的使用。
最古老的 – 并且仍然是最广泛使用的 – 技术在大脑中记录生物电势是脑电图(EEG)。它是临床上用于神经系统异常,包括扣押检测1,癫痫病灶2的定位,和3,4震荡诊断。这种技术也被广泛地用于提供关于睡眠的机制的基本信息和诊断睡眠障碍5,6。
如在癫痫的临床诊断,脑电图已成为不可缺少的转化研究在遗传和获得性癫痫的动物模型。在目前的研究应用,“有线”或“拴”录音是标准,而在成年老鼠在一个时间7例行的几个星期。然而,电噪声,运动伪影,并拴动物会伤害自己通过拉电缆的风险早已COMPRomised这些实验。因此,为了改善实验条件和成功率,我们需要开发新的技术,将允许用于消除动物和仪器之间的有线接口。发展的最明显的区是设计和实现遥测系统,其允许高品质的录音,同时保持了长的使用寿命和减少不适用于动物受试者的。减少这些设备的物理尺寸将使转化研究神经障碍的新生儿和少年啮齿动物模型。
低通道数的脑电图记录大鼠被广泛用来开发新的疗法来抑制癫痫发作能够翻译给人类。从一个或多个站点进行长时间录像打开许多可能性,使用癫痫的啮齿动物模型中的转化研究。大部分的当代研究在这一领域的目标是阻止慢性seiz的发生数目字或癫痫( 即癫痫)的发展,这样的研究工作需要大量的,如果不连续脑电图监测,以测定所提出的治疗8的有效性;一个小的,简单的,遥测系统,一个,两个或四个通道每通道0.1-100赫兹之间运行将有力地推动这种类型的转化研究。电图发作常常发生以最小的行为(当然无抽搐),这限制了基于行为发作测定的有用性。结合脑电图记录和同步视频监控的策略,允许一个捕捉每一个癫痫发作的可能性;进而,这些分析方法可能会允许发生的“发作”(或扣押)事件9间脑癫痫发作的尖峰的定量评估。此外,为了获得连续的高品质低工件脑电图记录的能力,为此,无线技术是通常优越,将允许使用的基于计算机的算法开发用于研究特定的脑电图波形( 例如 ,θ-,γ),以及自动检测癫痫发作,显著减少实验者的工作量。
初级临床前模型为脑损伤后研究慢性癫痫是成年大鼠或小鼠,无论是通过一个化学惊厥( 即 ,红藻氨酸或毛果芸香碱)或电诱导癫痫持续状态(SE),其后是慢性癫痫。在这些条件下,与SE或在癫痫动物随后发作相关的严重惊厥可导致损伤从动物撕裂或拉系绳和松开该保持headcap的连接的螺钉。最终,正是这种问题,通常终止这些实验,但需要获得长期高分辨率脑电图记录实验旨在开发用于治疗慢性新疗法癫痫是最重要的。此外,住房,监控和分析从长期植入动物的数据是在两个直接成本和研究者时间一个相当大的投资;因此,提前终止实验可能导致显著成本研究人员。由于癫痫病的进展,这些车型中,通常发作更为频繁和更严重的10-12,增加了动物受伤的可能性,正如其效用开发新的治疗变得最大。这些动物通常可以开发数十种每天抽搐发作的,在集群经常13发生。
大概在生物医学科学的最重要的发展之一是利用基因在小鼠模型定位。这种方法已允许的,并且将继续允许,遗传性癫痫的动物模型的发展即重现实际人类综合征14-16。遗传操作,可以作为进行证明性的原则疗法来抑制癫痫发作,甚至阻止癫痫的脑损伤后17-20发展。这种类型的研究将从执行脑电图高通量的连续记录能力显着受益。目前,有可能从小鼠或者拴系或遥测系统来记录;然而,获得高品质的挑战,无瑕疵的录音基本上比老鼠更困难,而且往往这需要各种形式的背包,老鼠一直试图消除。应力可能会增加癫痫发作严重性,频率和/或持续时间,从而最终将修改的实验动物的癫痫,从而混杂的研究。小,重量轻,低轮廓微型遥测系统将有利于长期脑电图从人类疾病的遗传小鼠模型的记录。
除了上述问题,记录脑电图未成熟啮齿动物模型疾病S有它自己的一套独特的挑战。未成熟动物重达一点在6克(P8鼠标)17克(P6大鼠)。这几乎是不可能使从系绳和无力串行多天拴脑电图记录由于增加的应力,以允许小狗由坝的自然饲养。直到动物断奶,他们必须留在大坝的照顾。大坝是容易摧毁任何外在连接器组件上的小狗,终止小狗,在某些情况下终止整个垃圾。此外,未成熟的啮齿动物颅骨使得难以安装任何电极座与机械完整性的头骨。这些挑战,唯一的啮齿动物不成熟,需要制作稳健,长期的脑电图记录了一种新的解决方案。在这里,我们专注于使用一种新型的微型无线发射器和证明性的原则,目前三个实验作为例子使用的微型无线遥测系统展示脑电图的植入和记录:1)的IM缺氧缺血大鼠成熟模型小狗,2)与DFP成年小鼠治疗诱发癫痫持续状态和随后的自发性发作,以及各种可导致癫痫发作和死亡的成年小鼠血管海绵状血管瘤3)遗传模型。
微型无线遥测系统被设计为满足四个主要要求:(1)微创手术植入; (2)对啮齿动物幼仔的大坝和同窝住房的兼容性;的单元(3)低的功耗,因此允许连续监测无手术重新植入月; (四)能够录制高品质的脑电波形,最小的运动伪影。无线发射机重<0.6,2.3,和4克,并且<0.3,0.8和1.4 cm 3的根据电池用足迹的5×7,7×9,或7×12毫米,而且容易安装到颅骨用氰基丙烯酸酯凝胶的动物。不需要骨钉锚设备安全地固定到颅骨,减少需要被钻在颅骨和手术时间孔的数量。该装置能够放大两个通道脑电图或局部场电位的从脑深部结构,如海马,超过2周,2个月,或6个月在此配置的。无线发射器的小尺寸减少感染的风险,提高了动物的流动性,并最终降低了发病率和死亡率,否则会增加的时间,金钱和数目所需要的实验动物。所有的电子设备和电池均封装在医疗级环氧树脂,使装置防水,坚韧,防止堤坝咀嚼,否则会使得设备无法使用的发射器。不像射频发射机,所述遥测系统采用的发射机和接收机天线,它位于所述动物笼子下面,允许用户保持动物在标准啮齿动物壳体之间的电容耦合。 recordi的多个通道纳克允许多模态生物电势,如心电图和脑电图记录。共患疾病的动物模型将行为21-23时记录生物电势的能力中受益。用脑电图监测相结合的行为会为研究人员提供研究和临床前研究一个更好的工具。
它可以是非常昂贵的,使长期的脑电图记录在疾病的小动物模型。依靠简单的电路和强调低功耗,我们已经能够制造发射机系统( 图1和2),该降低的长期监测实验的成本。 6个月的监测实验的总成本可以低至$ 470,再加上动物(〜按日1.5美元动物元,200发射器)的成本。发射器的小尺寸允许连续不间断的电摄影记录在小动物,人类疾病的临床前模型,这是非常困难的,以获得与拴系或射频的无线记录 系统( 图4)。最后,发射机的颅骨安装的性质减少了手术时间和压力上,可以以其他方式损害的实验动物。在这里,我们表现出证明型原理实验从三个差异erent实验模型发作:围产期缺氧缺血13,27,在大鼠幼鼠28( 图4),DFP诱发癫痫持续状态( 图5)和在遗传诱导的海绵状血管畸形模型发作( 图6)。
可能获得无伪影,长期电图记录的最关键方面是验证不受约束电极获得的利息( 图4-6)的皮层区。这包括公用基准/接地电极。尤其关键的是将所述发射机到所述颅骨硬膜外脑电图的应用程序。在此过程中,有可能无意中涂覆电极与腈基丙烯酸酯的前端给定电极的非常短的长度。覆盖在电极在氰基丙烯酸酯可以衰减EEG信号或完全分离它们在最坏的情况下。同样,缺乏良好的电气连接B切口白内障手术挽公共参考/地面和动物的大脑将防止差动放大器的正确操作,在发射器,从而导致在电“噪声”信号输出。通常情况下,在手术后,高质量的信号可能会受到损害,最多到48小时,由于水肿周围在头骨的毛刺的孔。随着水肿消退,信号普遍提高。这可避免通过将颅骨的表面上的电极不作毛刺的孔。这个过程的后果是增加了势涂覆电极与腈基丙烯酸酯,减小高频的活性由于颅骨的低通电特性,以及潜在的电隔离的信号中的共同参考/地呈现噪声。电极练正确放置可以用薄木板或胶合板的模仿的小鼠或大鼠颅骨的厚度来完成。在这个手稿呈现的结果说明了QUAlity可以使用无线遥测技术获得的录音。
使用本文所述的方法通过外科手术植入可以少至10分钟,这取决于手术的复杂性。用于外科进入到深部脑结构,如海马CA1区,最好是发射机连接到安装到立体定位框架上的微操作。微操作将提供外科医生用的准确性根据在小鼠29和大鼠30大脑的图谱公布立体坐标植入发射机。这可以通过简单地套结一块皮下注射针管到发射机与腈基丙烯酸酯,然后安装在显微皮下注射针来完成。的x,y和z坐标的微操纵控制将安装发射机到颅骨时缝合皮肤闭合之前,以提供额外的稳定性。周围的pe加入骨螺钉发射机rimeter可以帮助锚定发射机到头骨,虽然它们不是必要的。骨螺钉可能是有效的,然而,在发作和癫痫的某些动物模型中,如锂 – 毛果芸香碱处理的成年大鼠。这些动物往往具有自发性抽搐发作激烈的运动活动期间扣押,可能会损坏变送器。额外的复杂性可以被添加到这些实验。例如,发射机是与许多不同型号的创伤性脑损伤,如控制皮质冲击31兼容。发射机设备的耐久性通过植入动物发射机在P7和然后容纳他们在动物设施中进行测试。 12个月后,大部分的植入物保持完整的颅骨。当动物安乐死,头骨似乎是正常的和发射器被嵌入在颅骨,需要显著力来解压。请注意,当脑深部结构进行研究;作为脑的增长,并且电极保持静止,电极的最终位置将预期发生变化。对于此处所描述的技术中,电极是通常位于电极上面的硬脑膜,这使得这两个脑和头骨生长和留在原来的位置。在多久的发射机可以使用的限制因素是电池的大小( 即 ,直到电池耗尽)。
发射器的外壳的自包含单片设计( 即发射机被嵌入硬环氧树脂)借自己与安置与大坝及其同窝幼崽不成熟使用。通常情况下,合房植入动物有线系绳导致植入硬件或幼崽的抵消作用由坝的破坏。发射机的光滑壁形状允许植入几乎没有硬件故障或由于拆幼仔的损失。
<p claSS =“jove_content”>该系统中的低功率电容耦合传输方案很适合用在许多不同的实验方案,例如放置在一个温度控制的恒温箱,甚至对于与实验装置中,如体积描记室使用。同样地,接收器天线的形状可被操纵,以适应许多不同的行为的环境,如发射机的升高的T-maze.The范围只有几英寸作为发射器必须能够“驱动器”(电容耦合到)接收机天线和依赖于动物被容纳在标准啮齿动物笼蔽或合适笼覆盖的接收机天线的表面积。发射机充当电场的一极,而该动物的身体作为另一极。该字段是使得某些取向,如90°异相的接收机天线,将无法驱动造成的接收机天线一个“脱落”。这是一个相当罕见的现象。使用这种技术今后的工作将允许来自多个动物在同一个笼子里,这将减少住宿费用,并允许社会交往记录。进一步的发展将涉及增加频道,包括温度,和肌电的数量。该设备的当前设计提供了一个用于记录经典脑电图频带,这是不适合于记录的快速波纹或高频振荡的优化的带宽。在未来,该设备可以被修改,以记录信号的高频分量,但在电池寿命的成本。不同类型的传感器将包括血压和压力容积,甚至根据期望的大脑结构的立体定向坐标构造的发射机电极布置到用户指定的尺寸。The authors have nothing to disclose.
这项工作是通过神经疾病研究所和中风R43 / R44 NS064661资助。
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