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.
ووصف منهجية جديدة لسجل غير جراحية متعددة EEG في نموذج ما قبل السريرية معين من الصرع البؤري. ، مع نصائح تجريبية محددة، يتم توفير تفاصيل عن إجراءات تسجيل وتحليل. هناك عوامل رئيسية للنظر في تحقيق نتائج ناجحة. أولا، لتسجيلات EEG، والحصول على إشارات عالية الجودة أمر ضروري. وينبغي تطبيق اللزوجة المناسبة من معجون EEG إلى كل قطب كهربائي أثناء إعداد مصغرة كأب، والرأس والأذن شعر فأر يجب إزالتها تماما خلال الحلاقة. الاختيار مقاومة هو أهم خطوة لتأكيد جودة التسجيلات EEG. ثانيا، لتصوير مصدر الدماغ، وتوليد السليم نموذج حجم موصل أمر بالغ الأهمية. وينبغي أن تشارك في تسجيل كل السطح. أيضا، يجب أن يكون مواقف القطب ولدت الحد الأدنى بعد خطأ من المواقع القطب الفعلية على فروة الرأس الفأر.
على الرغم من هذه المخطوطة يقدم المصدر، فإنها يمكن أن تجرى إجراءات التحليل باستخدام العصف الذهني 12 باستخدام برامج أخرى مفتوحة 16،17 والمنتجات التجارية 18،19. أيضا، إلى جانب sLORETA 13، حلول عكسية أخرى مثل نماذج متعددة ثنائي القطب وBeamformer يمكن تطبيق 4.
واحد الحد من هذا النهج هو أن تحليل السلوك لا يمكن أن تتم منذ يتم تسجيل EEG تحت التخدير. ومع ذلك، بالمقارنة مع الطرق الأخرى لتسجيل EEG في الفئران 5،6، وهذا النهج هو موسع.
النتائج الأولية لدينا الدعم على أهمية تصنيف دقيق للعلامات العبوات الناسفة من تسجيلات EEG لتحديد مناطق مهيجة في الفئران يعانون من الصرع البؤري، وكذلك لتقييم علاقتها مع الآليات الكامنة وراء الاستيلاء بدء 11. بالإضافة إلى ذلك، فقد تبين أن ترجمة مصدر EEG لمثل هذه العبوات الناسفة محددة أظهر المراسلات جيدة مع التركيبتفعيل والتعطيل المناطق BOLD ective 20.
ودراستنا تحفيز استخدام نماذج ما قبل السريرية لتقييم استراتيجيات سرير مقاعد البدلاء السرير وضعت من قبل المهندسين الطب الحيوي. على سبيل المثال، يتم تنفيذ استخراج العبوات الناسفة في الوقت الحاضر في المستشفيات يدويا، الأمر الذي يتطلب جهدا إنسانيا كبيرا. المنهجية المقترحة في هذه الدراسة يفعل تلقائيا. نحن نفترض أن استخدام هذه المنهجية إلى نتائج مماثلة عند تطبيقها على المرضى الذين يعانون من FCD. نحن نستعد بروتوكولات IRB لتقييم هذه وغيرها من جوانب منهجية في مجموعة البيانات البشري.
وعلاوة على ذلك، فإن استخدام نماذج ما قبل السريرية تساعدنا على فهم قدرات وحدود EEG مصدر التعريب في الصرع 21. تقدير دقيق لمصادر الدماغ تلميذه epileptogenesis أمر بالغ الأهمية لاستراتيجيات علاجية والتخطيط الجراحي. أيضا، وجود منصة موحدة لتسجيل EEG في الفئران سيكون مفيدا للتقييم فعالية العديد من العقاقير المضادة للصرع في التجارب ما قبل السريرية. هذه هي الدراسة الأولى التي تسجل الفئران صرع غير جراحية تحت التخدير، والذي سيفتح أبوابا جديدة لتقييم المؤشرات الحيوية EEG لعلاج الصرع. ومع ذلك، فإن منهجية كاملة المعروضة في هذه الدراسة هي قابلة للتمديد لظروف تجريبية أخرى واضطرابات الدماغ. وEEG ميني كاب يمكن أن تستخدم أيضا في أنواع القوارض الأخرى.
في الماضي، وقد استخدم نموذج التحفيز forepaw في فئران ويستار لتقييم جودة واستنساخ البيانات المسجلة مع EEG ميني كاب 2. وعلاوة على ذلك، تم تنفيذها التصديقات لإعادة إعمار مصدر الدماغ من الجمجمة عالية الدقة EEG سجلت بالتزامن مع الصفحي امكانات الحقل المحلية من فئران ويستار تحت نموذج التحفيز الطولي 22. وقد تم تطوير هذه المنهجية بالنسبة للفئران ويستار بسبب وجود أطلس MRI لهذه الصورة الفئران معينقطار. ومع ذلك، فإنه يمكن تطبيقها على أنواع القوارض الأخرى مع شكل موحد من أطلس بما في ذلك الماوس 23 والجرذان سبراج داولي 24، وPaxinos واتسون الفئران 25. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تستخدم الإجراءات الأساسية للمنهجية المقترحة لدينا في أي القوارض نماذج ما قبل السريرية التي EEG هو طريقة هامة. ومع ذلك، فإن العديد من جوانب هذه المنهجية بشكل خاص لعلاج الصرع، وخاصة تلك المتعلقة EEG تجهيزها (كشف العبوات الناسفة والتصنيف). أيضا، يجب أن يكون الباحثون على علم العقاقير المناسبة المستخدمة في التخدير في حالات مختلفة. وقد اعتبر استخدام الأيزوفلورين وdexdomitor في دراستنا بعناية نظرا لتأثير انخفاض على العبوات الناسفة. وفيما يتعلق تسجيلات EEG، في حالة من الماوس، فإن مساحة فروة الرأس صغيرة نسبيا تقلل من عدد من القنوات إلى حد كبير.
The authors have nothing to disclose.
فإن الكتاب أود أن أشكر بيدرو A. فالديس هرنانديز، فرانسوا Tadel، ولويد سميث لنصائحهم القيمة ومناقشات مثمرة. كما نشكر رافائيل توريس للقراءة واقية.
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 |