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 metod för att icke-invasivt rekord flerkanalig EEG i en viss preklinisk modell av fokal epilepsi beskrivs. De uppgifter om de förfaranden inspelning och analys, med särskilda experimentella tips, tillhandahålls. Det var viktiga faktorer att tänka på att uppnå goda resultat. Först för EEG-inspelningar, få högkvalitativa signaler är viktigt. Lämplig viskositet hos EEG pastan bör tillämpas på varje elektrod under minilocket preparatet, och råttans huvud och öron hår bör avlägsnas fullständigt under rakning. Impedans kontroll är det viktigaste steget för att bekräfta kvaliteten på EEG-inspelningar. För det andra, för hjärnans källavbildning, generera tillräcklig mängd ledarmodell är avgörande. Varje yta skall samtidigt registreras. Dessutom bör de alstrade elektrodpositioner har minsta avstånd felet från de faktiska elektrodplaceringar på råttans hårbotten.
Trots detta manuskript introducerar källaanalysförfaranden som använder Brainstorm 12, kan de genomföras med hjälp av andra öppna programvaror 16,17 och kommersiella produkter 18,19. Dessutom, förutom sLORETA 13, andra omvända lösningar såsom flera dipol modeller och lobformare kan användas 4.
En begränsning med denna metod är att beteendeanalys inte kan genomföras eftersom EEG inspelning utförs under sedering. Men jämfört med andra metoder för EEG inspelning hos råttor 5,6, är denna metod icke-invasiv.
Våra preliminära resultat stöder vikten av en exakt klassificering av IED markörer från EEG-inspelningar för att fastställa de irriterande zoner i en råtta med fokal epilepsi, samt att utvärdera deras relation med de bakomliggande mekanismerna för beslag inledande 11. Dessutom har det visat sig att EEG källa lokalisering för sådana specifika IED: er visade en god överensstämmelse med respektiva BOLD aktivering och deaktivering regionerna 20.
Vår studie kommer att stimulera användningen av prekliniska modeller för att utvärdera säng-bänk-bädd strategier som utvecklats av biomedicinska ingenjörer. Till exempel IED extraktion numera utförs på sjukhus manuellt, vilket krävde en avsevärd mänskliga ansträngningar. Den metod som föreslås i denna studie gör det automatiskt. Vår hypotes är att användningen av denna metod kommer att ge liknande resultat när de appliceras på patienter med FCD. Vi förbereder IRK protokoll för utvärdering av denna och andra aspekter av metoden i mänskliga dataset.
Dessutom kommer användningen av prekliniska modeller hjälper oss att förstå de möjligheter och begränsningar av EEG källa lokalisering i epilepsi 21. Noggrann uppskattning av hjärnkällor huggare epileptogenes är avgörande för behandlingsstrategier och kirurgisk planering. Dessutom, kommer att ha en standardplattform för EEG-registrering hos råttor vara användbara förutvärdering av effektiviteten av flera antiepileptiska läkemedel i prekliniska studier. Detta är den första studien där epileptiska råttor registreras icke-invasivt under sedering, vilket kommer att öppna nya dörrar för utvärdering av EEG biomarkörer för epilepsi. Emellertid är hela metod som presenteras i denna studie kan förlängas till andra experimentella förhållanden och sjukdomar i hjärnan. EEG Mini locket kan också användas i andra gnagare s typer.
Förr i tiden, har en framtassarna stimulans paradigm i Wistar råttor använts för att utvärdera kvaliteten och reproducerbarhet av data som registrerats med EEG mini-cap 2. Dessutom har valideringar för hjärnan källa rekonstruktion den utförts av hög upplösning skallen EEG samtidigt som spelats in med laminära lokala fält potentialer från Wistar råttor under en morrhår stimulans paradigm 22. Denna metod har utvecklats för Wistar råttor på grund av förekomsten av en MRI atlas för just denna råtta ståg. Emellertid, kan den tillämpas på andra typer av gnagare med deras standardformat av atlas, inklusive mus 23, Sprague-Dawley-råttor 24 och Paxinos och Watson-råttor 25. Dessutom kan de grundläggande förfarandena i vår föreslagna metoden kan användas i alla gnagare prekliniska modeller för vilka EEG är ett viktigt inslag. Men många aspekter av denna metod är särskilt mot epilepsi, särskilt de som rör EEG förbehandling (IED detektering och klassificering). Dessutom måste forskare vara medveten om lämpliga läkemedel som används för sedering i olika fall. Användningen av isofluran och Dexdomitor i vår studie har noga övervägt på grund av minskad påverkan på IED. Beträffande EEG inspelningar, i fallet med mus, skulle den relativt lilla hårbotten ytarea minska antalet kanaler avsevärt.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka Pedro A. Valdes Hernandez, Francois Tādēļ, och Lloyd Smith för deras värdefulla råd och givande diskussion. Vi vill också tacka Rafael Torres för korrekturläsning.
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 |