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.
Uma nova metodologia para registro multicanal de forma não invasiva EEG em um modelo pré-clínico particular de epilepsia focal é descrita. As indicações para os procedimentos de registo e análise, com dicas experimentais específicos, são fornecidos. Não foram fatores-chave a considerar a obtenção de resultados bem-sucedidos. Em primeiro lugar, para as gravações de EEG, a obtenção de sinais de alta qualidade é essencial. Viscosidade adequada da pasta de EEG deve ser aplicada para cada eléctrodo durante a preparação de mini-tampão, e cabeça e o cabelo do ouvido do rato deverá ser completamente removido durante o barbear. Verificação de impedância é o passo mais importante para confirmar a qualidade de gravações de EEG. Em segundo lugar, para geração de imagens fonte cérebro, gerando adequado modelo de volume condutor é crucial. Cada superfície deve ser co-registrada. Além disso, as posições de eléctrodos gerado deve ter uma distância mínima de erro a partir das localizações dos eléctrodos reais no couro cabeludo do rato.
Mesmo que esse manuscrito introduz fonteprocedimentos de análise utilizando Brainstorm 12, que pode ser realizado utilizando outros softwares abertos 16,17 e 18,19 produtos comerciais. Além disso, além sLORETA 13, outras soluções inversas, como vários modelos de dipolo e Beamformer pode ser aplicada 4.
Uma limitação dessa abordagem é que a análise de comportamento não pode ser conduzida desde a gravação EEG é realizado sob sedação. No entanto, em comparação com os outros métodos para registo de EEG em ratos 5,6, esta abordagem é invasiva.
Nossos resultados preliminares sugerem a importância para uma classificação precisa de marcadores de IED de gravações de EEG para determinar as zonas irritativos em um rato com epilepsia focal, bem como para avaliar a sua relação com os mecanismos subjacentes para a iniciação apreensão 11. Além disso, demonstrou-se que a localização da fonte de EEG específicas para tais IED mostrou uma boa correspondência com a respativação e desativação regiões BOLD caz 20.
Nosso estudo vai estimular a utilização de modelos pré-clínicos para avaliar as estratégias cama-banco-cama desenvolvidos por engenheiros biomédicos. Por exemplo, a extração de IED hoje é realizada em hospitais manualmente, o que exigiu um esforço humano considerável. A metodologia proposta neste estudo faz isso automaticamente. Nós supomos que a utilização desta metodologia irá produzir resultados semelhantes quando aplicada a doentes com FCD. Estamos a preparar protocolos IRB para a avaliação deste e de outros aspectos da metodologia no conjunto de dados humana.
Além disso, a utilização de modelos pré-clínicos nos ajudará a entender as capacidades e limitações do EEG localização de fontes na epilepsia 21. Estimativa precisa das fontes cerebrais subalterno epileptogenesis é crucial para as estratégias terapêuticas e planejamento cirúrgico. Além disso, ter uma plataforma padrão para registo de EEG em ratos serão úteis paraa avaliação da eficácia de várias drogas anti-epilépticas em ensaios pré-clínicos. Este é o primeiro estudo no qual ratos epilépticos são registradas de forma não invasiva sob sedação, o que abrirá novas portas para a avaliação dos biomarcadores de EEG para a epilepsia. No entanto, toda a metodologia apresentada neste estudo é extensível a outras condições experimentais e distúrbios cerebrais. O mini-EEG tampão pode também ser usado em tipos de outro roedor.
No passado, um paradigma da estimulação pata em ratos Wistar foi usado para avaliar a qualidade e reprodutibilidade dos dados registados com o mini-tampão de EEG 2. Além disso, validações para a reconstrução fonte cérebro foram realizados a partir de alta resolução EEG crânio simultaneamente gravado com laminares potenciais de campo locais de ratos Wistar, sob o paradigma de estimulação suiça 22. Esta metodologia foi desenvolvida para ratos Wistar, devido à existência de um atlas de ressonância magnética para este rato, em particular strem. No entanto, ele pode ser aplicado a outros tipos de roedores com o seu formato padrão de atlas, incluindo ratinho, 23 ratos Sprague-Dawley, 24 e Paxinos e Watson ratos 25. Além disso, os procedimentos fundamentais da nossa metodologia proposta pode ser usado em qualquer de roedores modelos pré-clínicos para os quais o EEG é uma modalidade importante. No entanto, muitos aspectos desta metodologia são particularmente para a epilepsia, especialmente aqueles relacionados ao EEG pré-processamento (detecção e classificação IED). Além disso, os pesquisadores devem estar cientes de medicamentos adequados utilizados para sedação em diferentes casos. O uso de isoflurano e DEXDOMITOR em nosso estudo foi cuidadosamente considerado, devido ao impacto reduzido sobre IEDs. Quanto EEG, no caso de rato, relativamente pequena área da superfície do couro cabeludo poderia reduzir consideravelmente o número de canais.
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostariam de agradecer a Pedro A. Valdes Hernandez, Francois Tadel, e Lloyd Smith por seus valiosos conselhos e discussão frutífera. Agradecemos também a Rafael Torres para a leitura de prova.
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 |