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.
Una nueva metodología para registro multicanal no invasiva EEG en un modelo preclínico particular de epilepsia focal se describe. Los datos para los procedimientos de registro y análisis, con consejos experimentales específicos, se proporcionan. Hubo factores clave a tener en cuenta el logro de resultados exitosos. En primer lugar, para los registros de EEG, la obtención de señales de alta calidad es esencial. Viscosidad apropiada de la pasta de EEG se debe aplicar a cada electrodo durante la preparación mini-tapa, y la cabeza y el oído pelo de la rata debe ser eliminado completamente durante el afeitado. Cheque Impedancia es el paso más importante para confirmar la calidad de los registros de EEG. En segundo lugar, para la imagen de origen cerebral, generando el modelo conductor de volumen adecuado es crucial. Cada superficie se debe a registrar co. Además, las posiciones de los electrodos generados deben tener error de distancia mínima desde las ubicaciones de los electrodos reales sobre el cuero cabelludo de la rata.
A pesar de que este manuscrito introduce fuenteprocedimientos de análisis utilizando Brainstorm 12, pueden llevarse a cabo utilizando otros softwares abiertos 16,17 y productos comerciales 18,19. También, además de sLORETA 13, otras soluciones inversas como varios modelos de dipolo y Beamformer se pueden aplicar 4.
Una limitación de este enfoque es que el análisis del comportamiento no puede llevarse a cabo desde el registro del EEG se lleva a cabo bajo sedación. Sin embargo, en comparación con los otros métodos para la grabación de EEG en ratas 5,6, este enfoque no es invasiva.
Nuestros resultados preliminares apoyan la importancia para una clasificación precisa de los marcadores de IED de los registros de EEG para determinar las zonas irritativos en una rata con epilepsia focal, así como para evaluar su relación con los mecanismos subyacentes para la iniciación convulsión 11. Además, se ha demostrado que la localización de la fuente EEG para tales IEDs específicos mostró una buena correspondencia con el respactivación y desactivación regiones BOLD caces 20.
Nuestro estudio estimulará el uso de modelos preclínicos para evaluar las estrategias cama-banco-cama desarrollados por ingenieros biomédicos. Por ejemplo, la extracción de IED se realiza en la actualidad en los hospitales de forma manual, lo que requería un gran esfuerzo humano. La metodología propuesta en este estudio lo hace automáticamente. Se postula que el uso de esta metodología producirá resultados similares cuando se aplica a pacientes con FCD. Estamos preparando protocolos IRB para la evaluación de este y otros aspectos de la metodología en el conjunto de datos humano.
Por otra parte, el uso de modelos preclínicos nos ayudará a entender las capacidades y limitaciones de la localización de la fuente de EEG en la epilepsia 21. Estimación precisa de las fuentes cerebrales que subyacen a epileptogénesis es crucial para las estrategias terapéuticas y la planificación quirúrgica. Además, tener una plataforma estándar para la grabación de EEG en ratas será útil parala evaluación de la eficacia de varios fármacos anti-epilépticos en ensayos preclínicos. Este es el primer estudio en el que ratas epilépticas se registran de forma no invasiva bajo sedación, que abrirá nuevas puertas para la evaluación de los biomarcadores de EEG para epilepsia. Sin embargo, toda la metodología presentada en este estudio es extensible a otras condiciones experimentales y los trastornos cerebrales. El mini-cap EEG puede también ser utilizado en los tipos de otros roedores.
En el pasado, un paradigma de estimulación pata en ratas Wistar se ha utilizado para evaluar la calidad y reproducibilidad de los datos grabados con la mini-tapa EEG 2. Por otra parte, las validaciones para la reconstrucción de origen cerebral se han realizado a partir de alta resolución EEG cráneo simultáneamente grabado con potenciales de campo locales laminares de ratas Wistar bajo un paradigma de estimulación de la barba 22. Esta metodología ha sido desarrollada para ratas Wistar, debido a la existencia de un atlas de resonancia magnética para esta rata s particular,tren. Sin embargo, se puede aplicar a otros tipos de roedores con su formato estándar de atlas incluyendo ratón 23, ratas Sprague-Dawley, 24 y Paxinos y Watson ratas 25. Además, los procedimientos fundamentales de nuestra metodología propuesta podría ser utilizado en cualquiera de los modelos preclínicos de roedores para el que el EEG es una modalidad importante. Sin embargo, muchos aspectos de esta metodología son particularmente para la epilepsia, especialmente los relacionados con EEG preprocesamiento (detección y clasificación IED). Además, los investigadores deben estar al tanto de los medicamentos adecuados utilizados para la sedación en los distintos casos. El uso de isoflurano y DEXDOMITOR en nuestro estudio se ha considerado cuidadosamente debido al impacto reducido sobre IED. En cuanto a los registros de EEG, en el caso de ratón, el área relativamente pequeña superficie del cuero cabelludo reduciría el número de canales considerablemente.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer a Pedro A. Valdés Hernández, Francois Tadel, y Lloyd Smith por su valioso asesoramiento y debate fructífero. También queremos agradecer a Rafael Torres para la corrección de pruebas.
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 |