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.
Een nieuwe methode om niet-invasief opnemen meerkanaals EEG in een bepaalde preklinisch model van focale epilepsie wordt beschreven. De gegevens voor de registratie en analyse procedures, met specifieke experimentele tips, worden verstrekt. Er waren de belangrijkste factoren om te overwegen het bereiken van succesvolle resultaten. Ten eerste, voor EEG-registraties, het verkrijgen van de kwaliteit signalen hoog is essentieel. Juiste viscositeit van de EEG pasta moet worden toegepast op elke elektrode tijdens de mini-cap voorbereiding, en de rat het hoofd en oor haar moet volledig worden verwijderd tijdens het scheren. Impedantiecontrole is de belangrijkste stap om de kwaliteit van EEG-registraties bevestigen. Ten tweede, voor de hersenen bron imaging, het genereren van de juiste volume dirigent model is cruciaal. Elk oppervlak moet mede worden geregistreerd. Ook moet de gegenereerde elektrodeposities minimumafstand fout van de werkelijke elektrodenlocaties op de hoofdhuid van de rat hebben.
Hoewel dit manuscript introduceert bronanalyseprocedures gebruikt Brainstorm 12, kunnen deze worden uitgevoerd met andere open software 16,17 en commerciële producten 18,19. Ook naast sLORETA 13, inverse andere oplossingen zoals multiple dipool modellen bundelvormende schakeling 4 kan worden toegepast.
Een beperking van deze benadering is dat gedragsanalyse niet kan worden uitgevoerd omdat de EEG-registratie onder sedatie wordt uitgevoerd. In vergelijking met andere werkwijzen voor het EEG-registratie bij ratten 5,6 is deze aanpak noninvasive.
Onze voorlopige resultaten ondersteunen het van belang is een nauwkeurige classificatie van IED markers van EEG-registraties het irriterende zones in een rat met focale epilepsie bepalen, alsmede hun verhouding tot de onderliggende mechanismen tot beslag opening 11 te evalueren. Bovendien is aangetoond dat EEG bronlokalisatietechnieken betreffende bijzondere IED een goede overeenkomst vertoonde met de respecterende BOLD activeren en deactiveren regio's 20.
Onze studie zal het gebruik van preklinische modellen stimuleren om bed-bank-bed strategieën ontwikkeld door biomedische ingenieurs evalueren. Zo wordt IED extractie tegenwoordig in ziekenhuizen handmatig, waarbij een aanzienlijke menselijke inspanning vereist. De in deze studie voorgestelde methode doet het automatisch. We veronderstellen dat het gebruik van deze methode vergelijkbare resultaten zullen produceren wanneer toegepast op patiënten met FCD. Wij bereiden IRB protocollen voor de evaluatie van deze en andere aspecten van de methodiek menselijke dataset.
Bovendien zal het gebruik van preklinische modellen helpen ons te begrijpen de mogelijkheden en beperkingen van de EEG bron lokalisatie bij epilepsie 21. Nauwkeurige schatting van de hersenen en benadrukt dat bronnen epileptogenese is cruciaal voor therapeutische strategieën en chirurgische planning. Ook heeft standaardplatform voor EEG-registratie bij ratten zal nuttig zijn voorde evaluatie van de effectiviteit van een aantal anti-epileptica in preklinische studies. Dit is het eerste onderzoek waarin epileptische ratten niet-invasief onder sedatie worden opgenomen, waardoor nieuwe deuren openen voor de evaluatie van EEG biomarkers voor epilepsie. De gehele in dit onderzoek methodologie uit te breiden tot andere experimentele condities en hersenaandoeningen. De EEG mini-cap kan ook gebruikt worden in andere types knaagdier.
In het verleden heeft een voorpoot stimulatie paradigma in Wistar-ratten werden gebruikt om de kwaliteit en de reproduceerbaarheid van de gegevens die met de EEG mini-cap 2 evalueren. Bovendien hebben validaties voor de hersenen bron reconstructie uitgevoerd van een hoge resolutie schedel EEG gelijktijdig opgenomen met laminaire lokale veld potentials uit Wistarratten onder een snorhaar stimulatie paradigma 22. Deze methode is ontwikkeld voor Wistar ratten door het bestaan van een MRI atlas voor deze specifieke rat strein. Het kan echter worden toegepast op andere soorten knaagdieren met hun standaard formaat atlas waaronder muis 23, Sprague-Dawley ratten 24 en Paxinos en Watson ratten 25. Bovendien zou de fundamentele procedures van ons voorgestelde methode wordt gebruikt in een knaagdier preklinische modellen waarvoor EEG een belangrijke bepaling. Veel aspecten van deze methodologie is bijzonder epilepsie, in het bijzonder die met betrekking tot EEG voorverwerking (IED detectie en classificatie). Ook moeten onderzoekers zich bewust zijn van de juiste middelen voor sedatie in verschillende gevallen. Het gebruik van isofluraan en DEXDOMITOR in onze studie is zorgvuldig overwogen te wijten aan de verminderde impact op IED's. Wat EEG opnames bij muizen, de relatief kleine hoofdhuid oppervlaktegebied zou het aantal kanalen aanzienlijk.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen graag Pedro A. Valdes Hernandez, Francois Tadel en Lloyd Smith bedanken voor hun waardevolle adviezen en vruchtbare discussie. We danken ook Rafael Torres voor het proeflezen.
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 |