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.
מתודולוגיה חדשה לרב-ערוצי שיא הלא פולשני EEG במודל פרה-קליני מסוים של אפילפסיה מוקד מתוארת. הפרטים על נהלי ההקלטה וניתוח, עם טיפים ניסוי ספציפיים, מסופקים. היו גורמים מרכזיים לשקול השגת תוצאות מוצלחות. ראשית, להקלטות EEG, קבלת אותות באיכות גבוהה היא חיונית. צמיגות תקין של דבק EEG יש להחיל כל אלקטרודה במהלך תקופת הכנת מיני כובע, ושיער הראש ואוזנו של העכברוש יש להסיר לחלוטין במהלך גילוח. בדיקת עכבה היא הצעד החשוב ביותר כדי לאשר את האיכות של הקלטות EEG. שנית, להדמיה מקור המוח, יצירת מודל מנצח נפח ראוי היא קריטית. כל משטח צריך להיות שותף רשום. כמו כן, צריכה להיות עמדות אלקטרודה יצרו שגיאת מרחק מינימאלית ממקומות אלקטרודה בפועל על הקרקפת של החולדה.
למרות שכתב היד הזה מציג מקורנהלי ניתוח באמצעות 12 סיעור מוחות, שהם יכולים להתנהל באמצעות תוכנות אחרות פתוחות 16,17 ומוצרים מסחריים 18,19. כמו כן, מלבד 13 sLORETA, ניתן ליישם פתרונות הפוך אחרים כגון דגמי דיפול מרובים וBeamformer 4.
מגבלה אחת של גישה זו היא שניתוח התנהגות לא ניתן נערך מאז הקלטת EEG מבוצעת תחת הרדמה. עם זאת, בהשוואה לשיטות האחרות להקלטת EEG בחולדות 5,6, גישה זו אינה פולשני.
התוצאות הראשוניות שלנו תומכות בחשיבות לסיווג מדויק של סמני מטען מהקלטות EEG כדי לקבוע את אזורי irritative בחולדה עם אפילפסיה מוקדי, כמו גם להעריך את יחסיהם עם המנגנונים לייזום תפיסה 11. בנוסף, הוכח שלוקליזציה מקור EEG למטענים ספציפיים כגון הראתה התכתבות טובה עם השו"תאזורי קפה, פועלים BOLD הפעלה וכיבוי 20.
המחקר שלנו יעודד את השימוש במודלים פרה להעריך אסטרטגיות המיטה-ספסל-מיטה שפותחו על ידי מהנדסים ביו-רפואיים. לדוגמא, חילוץ מטען מתבצע בימים אלה בבתי חולים באופן ידני, אשר נדרשו מאמץ אנושי רב. המתודולוגיה המוצעת במחקר זה עושה את זה באופן אוטומטי. אנו משערים כי השימוש במתודולוגיה זו יפיק תוצאות דומות כאשר חלים על חולים עם FCD. אנחנו מכינים פרוטוקולי IRB להערכת זו והיבטים אחרים של המתודולוגיה בבסיס נתונים אנושיים.
יתר על כן, השימוש במודלים פרה-קליניים יעזור לנו להבין את היכולות ומגבלות של לוקליזציה מקור EEG באפילפסיה 21. הערכה מדויקת של מקורות המוח זוטר epileptogenesis היא חיונית לאסטרטגיות טיפוליות ותכנון ניתוח. כמו כן, יש פלטפורמה סטנדרטית להקלטת EEG בחולדות יהיה שימושי עבורהערכה האפקטיביות של מספר תרופות אנטי-אפילפטי בניסויים פרה-קליניים. זהו המחקר הראשון שבה חולדות אפילפסיה נרשמות הלא פולשני תחת הרדמה, שייפתח דלתות חדשות להערכת סמנים ביולוגיים EEG לאפילפסיה. עם זאת, כל מתודולוגיה המוצגת במחקר זה היא להארכה לתנאי ניסוי אחרים והפרעות במוח. מיני כובע EEG יכול לשמש גם בסוגים של מכרסמים אחרים.
בעבר, הפרדיגמה גירוי בכפו בחולדות Wistar נעשתה שימוש כדי להעריך את האיכות ושחזור של הנתונים שנרשמו עם EEG מיני כובע 2. יתר על כן, אימותים לשיקום מקור המוח בוצעו מEEG גולגולת ברזולוציה גבוהה שנרשם במקביל לפוטנציאלי מינרית מקומיים שדה מחולדות Wistar תחת הפרדיגמה גירוי זיף 22. מתודולוגיה זו פותחה עבור חולדות Wistar בגלל קיומו של אטלס MRI לים עכברוש המסוים הזהרכבת. עם זאת, זה יכול להיות מיושם על סוגים אחרים של מכרסמים בפורמט הסטנדרטי שלהם אטלס כולל עכבר 23, Sprague-Dawley חולדות 24, וחולדות פקסינוס ווטסון 25. בנוסף, הנהלים הבסיסיים של המתודולוגיה המוצעת שלנו יכולים לשמש בכל מודלים פרה מכרסמים שEEG הוא שיטה חשובה. עם זאת, היבטים רבים של מתודולוגיה זו הם בעיקר לאפילפסיה, במיוחד אלה הקשורים לעיבוד מקדים EEG (גילוי מטען חבלה וסיווג). כמו כן, חוקרים חייבים להיות מודעים לתרופות המשמשות להרגעה נכונה במקרים שונים. השימוש בisoflurane וdexdomitor במחקר שלנו כבר לשקול בזהירות בשל צמצום ההשפעה על מטעני חבלה. לגבי הקלטות EEG, במקרה של עכבר, את פני שטח הקרקפת הקטן יחסית יפחית את מספר הערוצים במידה ניכרת.
The authors have nothing to disclose.
המחברים מבקשים להודות לפדרתי א אלדס הרננדז, פרנסואה Tadel, וויד סמית לייעוץ היקר שלהם ודיון פורה. אנו מודים גם רפאל טורס לקריאת ההוכחה.
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 |