This video introduces the preparation, recording, and source analysis procedures of high-resolution EEG on sedated rats with a particular preclinical model of focal epilepsy under noninvasive conditions.
Electroencephalogram (EEG) has been traditionally used to determine which brain regions are the most likely candidates for resection in patients with focal epilepsy. This methodology relies on the assumption that seizures originate from the same regions of the brain from which interictal epileptiform discharges (IEDs) emerge. Preclinical models are very useful to find correlates between IED locations and the actual regions underlying seizure initiation in focal epilepsy. Rats have been commonly used in preclinical studies of epilepsy1; hence, there exist a large variety of models for focal epilepsy in this particular species. However, it is challenging to record multichannel EEG and to perform brain source imaging in such a small animal. To overcome this issue, we combine a patented-technology to obtain 32-channel EEG recordings from rodents2 and an MRI probabilistic atlas for brain anatomical structures in Wistar rats to perform brain source imaging. In this video, we introduce the procedures to acquire multichannel EEG from Wistar rats with focal cortical dysplasia, and describe the steps both to define the volume conductor model from the MRI atlas and to uniquely determine the IEDs. Finally, we validate the whole methodology by obtaining brain source images of IEDs and compare them with those obtained at different time frames during the seizure onset.
It has been shown that interictal epileptiform discharges (IEDs) observed from EEG constitute useful markers of epileptogenesis in patients with focal epilepsy3. The regions inside the brain from which these IEDs originate, named irritative zones, can in practice be localized based on EEG recordings4. Preclinical models are essential to find correlates between these irritative zones and the actual regions underlying seizure initiation. However, recording EEG from small animals is challenging because of the small surface area of the head compared to the human scalp. Although invasive methods for chronic recording in rats can be used5, 6, techniques are not available at this moment to acquire traditional EEG recordings on rodents under acute conditions without the need of anesthesia.
To solve this problem, we apply a patented EEG mini-cap2, which allows us to record 32-channel EEG data from rodents noninvasively. In this study, we also provide evidence about the need of an analgesic to preserve IED frequency. Therefore, although fixation of EEG mini-cap was performed under isoflurane, EEG recordings were obtained with rats only under sedation (dexdomitor)7. The method proposed in this study can be used in any preclinical rat model of focal epilepsy. To illustrate the capabilities of this methodology, we apply it to understand the correlates between irritative and seizure-onset zones in focal cortical dysplasia (FCD). To that end, we use a “double-hit” model of FCD8 in Wistar rats.
To perform brain source analysis, it is required to: a) accurately extract IEDs from EEG raw data and b) obtain a volume conductor model for the individual animal head. To generate a practical volume conductor model, we use an in vivo rat MRI atlas, comprising average images of intensity/shape and obtained via non-linear registration of T2 images of 31 Wistar rats9. The forward model for the generated volume conductor was computed by boundary element method (BEM)10. As in the case of humans, two typical patterns of IEDs (sharp-waves and spikes) were detected and sub-classified into different clusters through an intelligent feature extraction, feature selection, and classification process11. These sub-classified signals are used to estimate the brain source localizations associated with different types of irritative zones. We present the source analysis steps using a well-known public software called Brainstorm12. The EEG source localizations for each IED sub-type and the seizure onset time frames were performed using standardized low-resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA)13, which is available in Brainstorm.
En ny metode til ikke-invasivt rekord multikanal EEG i en bestemt præklinisk model af fokal epilepsi er beskrevet. Oplysningerne for optagelsen og analyseprocedurer, med specifikke eksperimentelle tips, er forudsat. Der var vigtige faktorer til at overveje at opnå succesfulde resultater. Først for EEG optagelser, er afgørende at opnå høj kvalitet signaler. Korrekt viskositet af EEG pasta bør anvendes på hver elektrode under mini-cap forberedelse, og rottens hoved og øre hår skal fjernes helt under barbering. Impedans kontrol er det vigtigste skridt til at bekræfte kvaliteten af EEG optagelser. For det andet, for hjernens kilde billeddannelse, genererer ordentlig volumen dirigent model er afgørende. Hver overflade bør være co-registreret. Desuden bør de genererede elektrodernes placering har minimumsafstand fejl fra de faktiske elektrodeområder steder på rottens hovedbund.
Selvom dette manuskript introducerer kildeanalyse procedurer ved hjælp Brainstorm 12, kan de udføres ved anvendelse af andre åbne programmel 16,17 og kommercielle produkter 18,19. Også, foruden sLORETA 13, andre inverse løsninger såsom multiple dipol modeller og stråleformeren kan anvendes 4.
En begrænsning ved denne fremgangsmåde er, at der ikke kan udføres opførsel analyse, da EEG optagelse udføres under sedation. Men sammenlignet med de andre fremgangsmåder til EEG-optagelse i rotter 5,6, er denne fremgangsmåde noninvasive.
Vores foreløbige resultater understøtter vigtigheden af en præcis klassificering af IED markører fra EEG-optagelser til at bestemme de irritative zoner i en rotte med fokal epilepsi, samt til at vurdere deres forhold til de underliggende mekanismer for beslaglæggelse initiering 11. Desuden er det blevet vist, at EEG kilde lokalisering til sådanne specifikke IED'er viste en god korrespondance med hhvektive BOLD aktivering og deaktivering regioner 20.
Vores undersøgelse vil stimulere brugen af prækliniske modeller til evaluering bed-bænk-sengs strategier udviklet af biomedicinske ingeniører. For eksempel er IED ekstraktion dag udføres på hospitaler manuelt, hvilket krævede en betydelig menneskelig indsats. Det foreslås i denne undersøgelse metode gør det automatisk. Vi hypotesen, at anvendelsen af denne metode vil give lignende resultater, når de anvendes til patienter med FCD. Vi forbereder IRB protokoller til evaluering af dette og andre aspekter af metoden i menneskelig datasæt.
Desuden vil brugen af prækliniske modeller hjælpe os med at forstå de muligheder og begrænsninger EEG kilde lokalisering i epilepsi 21. Præcis estimering af hjernen kilder slave epileptogenese er afgørende for terapeutiske strategier og kirurgisk planlægning. Desuden vil have en standard platform for EEG-optagelse i rotter være anvendelige tilevaluering af effektiviteten af flere antiepileptika i prækliniske forsøg. Dette er den første undersøgelse, hvor epileptiske rotter registreres non-invasivt under sedation, som vil åbne nye døre til vurdering af EEG biomarkører for epilepsi. Men hele præsenteres i denne undersøgelse metode kan udvides til andre eksperimentelle betingelser og hjernesygdomme. EEG mini-cap kan også bruges i andre gnavere er typer.
I fortiden, har en forepaw stimulation paradigme i Wistar rotter blevet brugt til at evaluere kvaliteten og reproducerbarheden af data optaget med EEG mini-cap 2. Desuden har valideringer til hjernen kilde genopbygning blevet udført fra høj opløsning kranium EEG samtidig optaget med laminare lokale feltpotentialer fra Wistar rotter under en knurhår stimulation paradigme 22. Denne metode er udviklet til Wistar rotter på grund af eksistensen af en MRI atlas for denne særlige rotte stog. Den kan imidlertid anvendes til andre gnaver typer med deres standard format atlas herunder mus 23, Sprague-Dawley-rotter 24 og Paxinos og Watson rotter 25. Desuden kunne de grundlæggende procedurer for vores foreslåede metode anvendes i alle gnaver prækliniske modeller for hvilke EEG er en vigtig modalitet. Men mange aspekter af denne metode er særligt for epilepsi, især dem, der vedrører EEG forbehandling (IED detektion og klassifikation). Desuden skal man være opmærksom på korrekt lægemidler, der anvendes til sedation i forskellige tilfælde. Brugen af isofluran og DEXDOMITOR i vores undersøgelse er blevet nøje overvejet på grund af den reducerede effekt på IED. Vedrørende EEG optagelser, i tilfælde af mus, vil det forholdsvis lille hovedbund overfladeareal reducere antallet af kanaler betydeligt.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke Pedro A. Valdes Hernandez, Francois Tadel, og Lloyd Smith for deres værdifulde råd og frugtbar diskussion. Vi takker også Rafael Torres for korrekturlæsning.
Data Qcquisition Computer | Hewlett-Packard | Z210 Workstation | |
Dexdomitor | Orion Pharma | 6295000 | Dexmedetomidine hydrochloride |
EEG Analysis Software | The Mathworks Inc. | MATLAB R2011b | |
Brainstorm | Sylvain et al. 2001 | ||
OpenMEEG | Bramfort et al. 2010 | ||
EEG Data Streamer | Tucker-Davis Technologies | RS4 Data Streamer | |
EEG Electrode Paste | Biotach | YGB 103 | |
EEG Preamplifier | BioSemi | Active Two | |
Brain Products | BrainAmp | ||
Tucker-Davis Technologies | PZ3 Low Impedance Amplifier | ||
EEG Processor | Tucker-Davis Technologies | RZ2 BioAmp Processor | |
EEG Recording Software | Tucker-Davis Technologies | OpenEx – OpenDeveloper | |
EEG SCSI Connector | BioSemi | Active Two SCSI Connector | |
Brain Products | D-sub Connector | ||
Tucker-Davis Technologies | Zif-Clif Digital Headstage | ||
High Resolution EEG Mini-cap | Cortech Solutions | DA-AR-ELRCS32 | US patent Application No. 13/641,834 |
Isoflurane, USP | VedcoPiramal Healthcare | NDC 66794-013-25 | |
Isopropyl Alcohol | Aqua Solutions | 3112213 | 90% v/v solution |
Lubricant Ophthalmic Ointment | Rugby | NDC 0536-6550-91 | Sterile |
NaCl | Abbott | 2B8203 | Vaterinary 0.9% Sodium Chroride Injection USP |
Physiology Recording Software | ADInstruments | LabChart 7.0 | |
Physiology Recording System | ADInstruments | PowerLab 8/35 | |
Syringe | Monoject | 200555 | 12cc |