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.
Eine neue Methode zur nichtinvasiven Rekordmehrkanal-EEG in einer bestimmten präklinischen Modell der fokalen Epilepsie beschrieben. Die Angaben für die Aufzeichnungs- und Analyseverfahren, mit bestimmten experimentellen Tipps, vorgesehen. Es gab wichtige Faktoren zu berücksichtigen, die Erreichung erfolgreiche Ergebnisse. Erstens, für EEG-Aufzeichnungen, um hohe Qualitätssignale ist unerlässlich. Die richtige Viskosität des EEG Paste sollte während der Mini-cap Vorbereitung an jede Elektrode angelegt werden, und Kopf- und Ohrhaar der Ratte sollte während der Rasur vollständig entfernt werden. Impedanzprüfung ist der wichtigste Schritt, um die Qualität der EEG-Aufzeichnungen bestätigen. Zweitens, für Hirnquelle Bildgebung, ist von entscheidender Bedeutung Erzeugung richtigen Volumenleitermodell. Jede Oberfläche sollten zusammen registriert werden. Auch sollten die erzeugten Elektrodenpositionen haben minimale Abstand Fehlers von den tatsächlichen Elektrodenstellen auf der Kopfhaut der Ratte.
Obwohl diese Handschrift stellt QuelleAnalyseverfahren unter Verwendung von Brainstorm 12, können sie mit anderen Open-Software 16,17 und 18,19 kommerzielle Produkte durchgeführt werden. Auch neben sLORETA 13, andere inverse Lösungen wie mehrere Dipol-Modelle und Beamformer angewendet 4 werden.
Eine Einschränkung dieses Ansatzes ist, dass die Verhaltensanalyse nicht durchgeführt werden, da die EEG-Aufzeichnung wird unter Sedierung. Im Vergleich zu den anderen Verfahren zur Registrierung des EEG bei Ratten 5,6 Allerdings ist dieser Ansatz nicht invasiv.
Unsere vorläufigen Ergebnisse bestätigen, wie wichtig für eine genaue Klassifizierung der IED-Marker aus EEG-Aufzeichnungen, um die Reizzonen in einer Ratte mit fokalen Epilepsie zu bestimmen, sowie ihre Beziehung mit den zugrunde liegenden Mechanismen für die Beschlagnahme Einleitung 11 zu bewerten. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass EEG Quellenlokalisierung für solche spezifischen IEDs zeigten eine gute Übereinstimmung mit dem bzw.ective BOLD Aktivierung und Deaktivierung Bereiche 20.
Unsere Studie wird die Verwendung von präklinischen Modellen zu stimulieren, um durch biomedizinische Ingenieure entwickelt Bett-Sitzbank-Bett-Strategien zu bewerten. Beispielsweise wird IED Extraktion heutzutage in Krankenhäusern von Hand, was eine erhebliche menschliche Aufwand durchgeführt. Die in dieser Studie vorgeschlagenen Methodik tut es automatisch. Wir vermuten, daß die Verwendung dieser Methodik werden ähnliche Ergebnisse bei der Behandlung von Patienten mit FCD aufgebracht herzustellen. Wir bereiten IRB Protokolle zur Bewertung dieser und anderer Aspekte der Methodik in menschlichen Datensatz.
Darüber hinaus wird die Verwendung von präklinischen Modellen uns helfen, die Möglichkeiten und Grenzen der EEG-Quellenlokalisierung in 21 Epilepsie. Genaue Abschätzung der Gehirnquellen Gebener epileptogenesis ist für therapeutische Strategien und Operationsplanung. Auch mit einer Standardplattform für EEG-Aufzeichnung bei Ratten wird nützlich sein,die Bewertung der Wirksamkeit der verschiedenen Antiepileptika in vorklinischen Versuchen. Dies ist die erste Studie, in der epileptischen Ratten werden nicht-invasiv unter Sedierung aufgezeichnet, die neue Türen für die Auswertung von EEG Biomarker für Epilepsie eröffnen wird. Jedoch ist die gesamte Methode in dieser Studie präsentierten erweiterbar auf andere experimentelle Bedingungen und Störungen des Gehirns. Die EEG-Mini-Kappe kann auch in anderen Nagetierarten verwendet werden.
In der Vergangenheit wurde eine Vorderpfote Stimulation Paradigma in Wistar-Ratten wurde genutzt, um die Qualität und die Reproduzierbarkeit der Daten mit dem EEG Mini-Kappe 2 aufgezeichnet zu bewerten. Darüber hinaus haben Validierungen für das Gehirn Quelle Rekonstruktion von hochauflösenden Schädel EEG gleichzeitig mit laminar lokaler Feldpotentiale von Wistar-Ratten unter einer Whisker Stimulation Paradigma 22 aufgezeichnet geführt. Diese Methode wurde für Wistar Ratten wegen der Existenz eines MRI Atlas für diese besondere Ratten s entwickeltZug. Sie kann jedoch auf andere Nagerarten mit ihren Standardformat von Atlas einschließlich Maus 23, Sprague-Dawley-Ratten 24 und Paxinos und Watson Ratten 25 aufgebracht werden. Darüber hinaus könnte die Grundverfahren unserer vorgeschlagenen Methodik in irgendeinem Nagetier präklinischen Modellen für die EEG ist ein wichtiger Modalität verwendet werden. Jedoch sind viele Aspekte dieser Methode insbesondere zur Behandlung von Epilepsie, insbesondere solche EEG Vorverarbeitung (IED Detektion und Klassifikation) bezogen. Auch müssen die Forscher bewusst richtigen Medikamente zur Sedierung in verschiedenen Fällen eingesetzt werden. Die Verwendung von Isofluran und DEXDOMITOR in unserer Studie wurde sorgfältig aufgrund des verringerten Einfluss auf IEDs betrachtet. Bezug EEG-Aufzeichnungen in dem Fall von Maus, die relativ kleine Kopffläche würde die Anzahl der Kanäle erheblich reduzieren.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren bedanken sich bei Pedro A. Valdes Hernandez, Francois Tadel, und Lloyd Smith für ihre wertvollen Ratschläge und fruchtbare Diskussion danken. Wir danken auch Rafael Torres für das Korrekturlesen.
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 |