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 for ikke-invasiv record flerkanals EEG i en bestemt preklinisk modell av fokal epilepsi er beskrevet. Opplysningene for opptaks- og analyseprosedyrer, med konkrete eksperimentelle tips, er gitt. Det var viktige faktorer for å vurdere å oppnå gode resultater. Først, for EEG opptak, få signaler høy kvalitet er avgjørende. Riktig viskositeten på EEG lim skal brukes til hver elektrode under mini-cap forberedelse, og rotta hode og ørehår bør fjernes helt under barbering. Impedanskontrollsignalet er det viktigste steget for å bekrefte kvaliteten på EEG opptak. Sekund, for hjernen kilde imaging, generere riktig volum dirigent modellen er avgjørende. Hver overflate skal være co-registrert. I tillegg bør de genererte elektrode stillingene har minimumsavstand feil fra de faktiske elektrode steder på rotte hodebunn.
Selv om dette manuskriptet introduserer kildeanalysefremgangsmåten som bruker brain 12, kan de bli utført ved bruk av andre åpne programvare 16,17 og 18,19 kommersielle produkter. Også, foruten sLORETA 13 andre inverse løsninger som flere dipol modeller og stråletilformeren kan brukes fire.
En begrensning med denne tilnærmingen er at atferd analyse ikke kan utføres ettersom EEG opptaket blir utført under bedøvelse. Men sammenlignet med de andre metodene for EEG opptak i rotter 5,6, er denne tilnærmingen ikke-invasiv.
Våre foreløpige resultater støtter viktigheten for en presis klassifisering av IED-markører fra EEG opptak som avgjør de irritative soner i en rotte med fokal epilepsi, samt å vurdere sitt forhold til de underliggende mekanismene for anfall start 11. I tillegg har det blitt vist at EEG kildelokalisering for slike spesifikke IED viste en god overensstemmelse med respektiv BOLD aktivering og deaktivering regioner 20.
Vår studie vil stimulere til bruk av prekliniske modeller for å evaluere bed-benk-sengs strategier utviklet av biomedisinske ingeniører. For eksempel er IED ekstraksjonen utføres i dag i sykehus manuelt, noe som krevde en betydelig menneskelig innsats. Metodikken foreslått i denne studien gjør det automatisk. Vi hypotese at bruken av denne metoden vil gi lignende resultater når den brukes til pasienter med FCD. Vi forbereder IRB protokoller for vurdering av dette, og andre aspekter av metodikken i menneskelig datasettet.
Videre vil bruken av prekliniske modeller hjelpe oss å forstå mulighetene og begrensningene ved EEG kilde lokalisering i epilepsi 21. Nøyaktig estimering av hjerne kilder streke epileptogenesis er avgjørende for terapeutiske strategier og kirurgisk planlegging. Dessuten vil ha en standard plattform for opptak EEG på rotter være nyttig forevaluering av effekten av flere antiepileptika i prekliniske studier. Dette er den første studien som epileptiske rotter er registrert non-invasiv etter sedasjon, som vil åpne nye dører for evaluering av EEG biomarkører for epilepsi. Men hele metodikken presentert i denne studien kan utvides til andre eksperimentelle forhold og hjernesykdommer. EEG mini-cap kan også brukes i andre gnagere er typer.
I det siste har en forepaw stimulering paradigme i Wistarrotter blitt brukt til å evaluere kvaliteten og reproduserbarhet av data tatt opp med EEG mini-cap to. Dessuten har valideringer for hjernen kilde rekonstruksjon utført av høyoppløst skallen EEG samtidig tatt opp med laminat lokale feltpotensialer fra Wistar rotter under ett whisker stimulering paradigme 22. Denne metodikken er utviklet for Wistarrotter grunn av eksistensen av en MR atlas for denne rotte stog. Det kan imidlertid anvendes på andre gnagertyper med deres standard format of Atlas, inkludert mus, 23 Sprague-Dawley rotter, og 24 i Paxinos og Watson 25 rotter. I tillegg kan de grunnleggende fremgangsmåten i vårt foreslåtte metodikk brukes i noen gnager prekliniske modeller som EEG er en viktig modalitet. Men mange aspekter av denne metodikken er spesielt for epilepsi, spesielt de som er knyttet til EEG forbehandling (IED deteksjon og klassifisering). Også forskere må være klar over riktige medisiner som brukes for sedasjon i ulike tilfeller. Bruk av isofluran og dexdomitor i vår studie har blitt nøye vurdert på grunn av redusert innvirkning på IEDer. Angå EEG opptak, i tilfelle av mus, vil den relativt lille hodebunnen flateareal redusere antall kanaler betydelig.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å takke Pedro A. Valdes Hernandez, Francois Tadel, og Lloyd Smith for deres verdifulle råd og fruktbar diskusjon. Vi takker også Rafael Torres for korrektur.
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 |