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 nuova metodologia per non invasivo multicanale registrare EEG in un particolare modello preclinico di epilessia focale è descritta. Le indicazioni per le procedure di registrazione e di analisi, con specifiche punte sperimentali, sono forniti. Ci sono stati i fattori chiave da considerare raggiungere risultati di successo. In primo luogo, per le registrazioni di EEG, ottenendo segnali di alta qualità è essenziale. La corretta viscosità della pasta EEG dovrebbe essere applicata a ciascun elettrodo durante la preparazione mini-cap, e la testa e l'orecchio capelli del ratto dovrebbe essere completamente rimosso durante la rasatura. Controllo impedenza è il passo più importante per confermare la qualità delle registrazioni di EEG. In secondo luogo, per l'imaging fonte cervello, generando corretto modello di volume conduttore è fondamentale. Ogni superficie deve essere co-registrato. Inoltre, le posizioni degli elettrodi generati devono avere un errore minima distanza dalle posizioni degli elettrodi reali sul cuoio capelluto del ratto.
Anche se questo manoscritto presenta fonteprocedure di analisi che utilizzano Brainstorm 12, possono essere effettuate utilizzando altri software aperti 16,17 e prodotti commerciali 18,19. Inoltre, oltre sLORETA 13, altre soluzioni inverse come molteplici modelli dipolo e Beamformer possono essere applicati 4.
Una limitazione di questo approccio è che l'analisi del comportamento non può essere condotta in quanto la registrazione EEG è effettuata sotto sedazione. Tuttavia, rispetto agli altri metodi di registrazione EEG nel ratto 5,6, questo approccio è invasivo.
I nostri risultati preliminari supportano l'importanza, per una precisa classificazione di IED marcatori da registrazioni EEG per determinare le zone irritativi in un ratto con epilessia focale, nonché per valutare il loro rapporto con i meccanismi alla base di sequestro iniziazione 11. Inoltre, è stato dimostrato che la localizzazione della sorgente EEG per tali IED specifici ha mostrato una buona corrispondenza con la respective attivazione e disattivazione regioni BOLD 20.
Il nostro studio stimolerà l'utilizzo di modelli preclinici per valutare le strategie bed-panca-letto sviluppati da ingegneri biomedici. Ad esempio, l'estrazione IED è oggi eseguita in ospedali manualmente, che ha richiesto un notevole sforzo umano. La metodologia proposta in questo studio fa automaticamente. Noi ipotizziamo che l'uso di questa metodologia produrrà risultati simili quando applicato ai pazienti con FCD. Ci stiamo preparando protocolli IRB per la valutazione di questo e di altri aspetti della metodologia nel set di dati umano.
Inoltre, l'uso di modelli preclinici ci aiuterà a capire le capacità ei limiti di localizzazione della sorgente EEG nell'epilessia 21. La stima accurata delle fonti cerebrali subalterno epilettogenesi è cruciale per le strategie terapeutiche e pianificazione chirurgica. Inoltre, avendo una piattaforma standard per la registrazione EEG in ratti sarà utile perla valutazione dell'efficacia di diversi farmaci antiepilettici in studi preclinici. Questo è il primo studio in cui ratti epilettici sono registrati in modo non invasivo sotto sedazione, che aprirà nuove porte per la valutazione di biomarcatori EEG per l'epilessia. Tuttavia, l'intera metodologia presentata in questo studio è estendibile ad altre condizioni sperimentali e disturbi cerebrali. L'EEG mini-tappo può essere utilizzato anche in altri tipi di roditori.
In passato, un paradigma stimolazione zampa in ratti Wistar è stato utilizzato per valutare la qualità e la riproducibilità dei dati registrati con il mini-tappo EEG 2. Inoltre, convalide per la ricostruzione di origine cerebrale sono stati condotti da alta risoluzione cranio EEG concomitanza registrato con potenzialità laminari campo locale di ratti Wistar sotto un paradigma stimolazione baffo 22. Questa metodologia è stata sviluppata per ratti Wistar a causa dell'esistenza di un atlante MRI per questo particolare ratto streno. Tuttavia, può essere applicato ad altri tipi di roditori con il loro formato standard di atlas compreso il mouse 23, Sprague-Dawley 24 e Paxinos e Watson ratti 25. Inoltre, le procedure fondamentali della nostra metodologia proposta potrebbero essere utilizzati in qualsiasi roditori modelli preclinici che EEG è una modalità importante. Tuttavia, molti aspetti di questa metodologia sono particolarmente per l'epilessia, in particolare quelle relative alla pre-elaborazione EEG (rilevamento IED e classificazione). Inoltre, i ricercatori devono essere consapevoli di farmaci adeguati utilizzati per la sedazione in diversi casi. L'uso di isoflurano e DEXDOMITOR nel nostro studio è stato considerato con attenzione a causa del ridotto impatto IED. Per quanto riguarda le registrazioni EEG, nel caso del mouse, l'area relativamente piccola superficie del cuoio capelluto ridurrebbe il numero di canali considerevolmente.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori desiderano ringraziare Pedro A. Valdes Hernandez, Francois Tadel, e Lloyd Smith per il loro preziosi consigli e fruttuosa discussione. Ringraziamo anche Rafael Torres per la correzione di bozze.
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 |