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.
फोकल मिर्गी के एक विशेष क्लिनिक पूर्व मॉडल में गैर invasively रिकॉर्ड मल्टीचैनल ईईजी करने के लिए एक नई पद्धति में वर्णित है। रिकॉर्डिंग और विश्लेषण प्रक्रियाओं के लिए विवरण, विशिष्ट प्रयोगात्मक सुझावों के साथ प्रदान की जाती हैं। सफल परिणाम प्राप्त करने पर विचार करने के लिए महत्वपूर्ण कारक थे। सबसे पहले, ईईजी रिकॉर्डिंग के लिए, उच्च गुणवत्ता वाले संकेतों को प्राप्त करने के लिए आवश्यक है। ईईजी पेस्ट का उचित चिपचिपापन छोटा-कैप की तैयारी के दौरान प्रत्येक इलेक्ट्रोड के लिए लागू किया जाना चाहिए, और चूहे के सिर और कान के बाल पूरी तरह से शेविंग के दौरान हटा दिया जाना चाहिए। विरोध की जांच ईईजी रिकॉर्डिंग की गुणवत्ता की पुष्टि करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण कदम है। दूसरा, मस्तिष्क स्रोत इमेजिंग के लिए, उचित मात्रा कंडक्टर मॉडल पैदा करने के लिए महत्वपूर्ण है। प्रत्येक सतह सह पंजीकृत किया जाना चाहिए। इसके अलावा, उत्पन्न इलेक्ट्रोड पदों चूहे की खोपड़ी पर वास्तविक इलेक्ट्रोड स्थानों से न्यूनतम दूरी त्रुटि होना चाहिए।
यहां तक कि इस पांडुलिपि स्रोत का परिचय यद्यपिमंथन 12 का उपयोग कर विश्लेषण प्रक्रियाओं, वे अन्य खुले सॉफ्टवेअर 16,17 और वाणिज्यिक उत्पादों 18,19 का उपयोग किया जा सकता है। इसके अलावा, sLORETA 13 के अलावा, इस तरह के कई द्विध्रुवीय मॉडल और Beamformer के रूप में अन्य उलटा समाधान 4 लागू किया जा सकता है।
इस दृष्टिकोण की एक सीमा ईईजी रिकॉर्डिंग बेहोश करने की क्रिया के तहत किया जाता है के बाद से व्यवहार विश्लेषण का आयोजन नहीं किया जा सकता है। हालांकि, चूहों 5,6 में ईईजी रिकॉर्डिंग के लिए अन्य तरीकों की तुलना में, इस दृष्टिकोण से noninvasive है।
हमारी प्रारंभिक परिणाम फोकल मिर्गी के साथ एक चूहे में चिड़चिड़ा क्षेत्रों का निर्धारण करने के लिए, साथ ही जब्ती दीक्षा 11 के लिए अंतर्निहित तंत्र के साथ अपने संबंधों का मूल्यांकन करने के लिए ईईजी रिकॉर्डिंग से आईईडी मार्कर का एक सटीक वर्गीकरण के लिए महत्व का समर्थन है। इसके अलावा, यह एक ऐसी विशिष्ट आईईडी के लिए ईईजी स्रोत स्थानीयकरण resp के साथ एक अच्छा पत्राचार से पता चला है कि दिखाया गया हैective बोल्ड सक्रियण और क्रियाशीलता छोड़ना क्षेत्रों में 20।
हमारे अध्ययन से जैव चिकित्सा इंजीनियरों द्वारा विकसित बिस्तर-बेंच-बिस्तर रणनीति का मूल्यांकन करने के लिए पूर्व नैदानिक मॉडल के उपयोग को प्रोत्साहित करेंगे। उदाहरण के लिए, आईईडी निकासी आजकल काफी मानव प्रयास की आवश्यकता है जो मैन्युअल रूप से अस्पतालों में किया जाता है। इस अध्ययन में प्रस्तावित कार्यप्रणाली स्वचालित रूप से यह करता है। हम FCD के साथ रोगियों के लिए आवेदन किया है जब इस पद्धति का उपयोग इसी तरह के परिणाम का उत्पादन होगा कि परिकल्पना। हम इस बात का मूल्यांकन और मानव डाटासेट में कार्यप्रणाली के अन्य पहलुओं के लिए आईआरबी प्रोटोकॉल तैयारी कर रहे हैं।
इसके अलावा, क्लिनिक पूर्व मॉडल के उपयोग हमें मिर्गी 21 में ईईजी स्रोत स्थानीयकरण की क्षमताओं और सीमाओं को समझने में मदद मिलेगी। Epileptogenesis अधीनस्थ मस्तिष्क स्रोतों का सही आकलन चिकित्सीय रणनीतियों और शल्य चिकित्सा योजना बनाने के लिए महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, चूहों में ईईजी रिकॉर्डिंग के लिए एक मानक मंच होने के लिए उपयोगी हो जाएगापूर्व नैदानिक परीक्षण में कई विरोधी मिरगी दवाओं के प्रभाव का मूल्यांकन। इस मिर्गी के लिए ईईजी बायोमार्कर के मूल्यांकन के लिए नए दरवाजे खुल जाएगा जो मिरगी चूहों गैर invasively बेहोश करने की क्रिया के तहत दर्ज की गई हैं, जिसमें पहला अध्ययन है। हालांकि, इस अध्ययन में प्रस्तुत पूरी कार्यप्रणाली अन्य प्रयोगात्मक शर्तों और मस्तिष्क विकारों के लिए बढ़ाई है। ईईजी छोटा-कैप भी अन्य कृंतक के प्रकार में उपयोग किया जा सकता है।
अतीत में, Wistar चूहों में एक forepaw उत्तेजना प्रतिमान ईईजी छोटा-कैप 2 के साथ दर्ज आंकड़ों की गुणवत्ता और reproducibility मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। इसके अलावा, मस्तिष्क स्रोत पुनर्निर्माण के लिए सत्यापन समवर्ती एक गलमुच्छा उत्तेजना प्रतिमान 22 के तहत Wistar चूहों से लामिना स्थानीय क्षेत्र क्षमता के साथ दर्ज की उच्च संकल्प खोपड़ी ईईजी से प्रदर्शन किया गया है। इस पद्धति है क्योंकि यह विशेष रूप से चूहे के लिए एक एमआरआई एटलस के अस्तित्व का Wistar चूहों के लिए विकसित किया गया हैट्रेन। हालांकि, यह माउस के 23, Sprague-Dawley चूहों 24, और Paxinos और वाटसन चूहों 25 सहित एटलस के अपने मानक प्रारूप के साथ अन्य कृंतक प्रकार के लिए लागू किया जा सकता है। इसके अलावा, हमारे प्रस्तावित कार्यप्रणाली के मौलिक प्रक्रियाओं ईईजी एक महत्वपूर्ण साधन है, जिसके लिए किसी भी कृंतक मॉडल preclinical में इस्तेमाल किया जा सकता है। हालांकि, इस पद्धति के कई पहलुओं ईईजी preprocessing (आईईडी का पता लगाने और वर्गीकरण) से संबंधित है, खासकर उन मिर्गी के लिए विशेष रूप से कर रहे हैं। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने अलग-अलग मामलों में बेहोश करने की क्रिया के लिए इस्तेमाल उचित दवाओं के बारे में पता होना चाहिए। हमारे अध्ययन में isoflurane और dexdomitor का उपयोग सावधानी के कारण आईईडी पर कम प्रभाव को माना गया है। ईईजी रिकॉर्डिंग के बारे में, माउस के मामले में अपेक्षाकृत छोटे खोपड़ी की सतह के क्षेत्र में काफी चैनलों की संख्या कम होगी।
The authors have nothing to disclose.
लेखकों को उनके बहुमूल्य सलाह और उपयोगी चर्चा के लिए पेड्रो ए वाल्डेस हर्नांडेज़, फ्रेंकोइस Tadel, और लॉयड स्मिथ को धन्यवाद देना चाहूंगा। हम यह भी सबूत पढ़ने के लिए राफेल टोरेस धन्यवाद।
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 |