JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Bioengineering

Gnager opptreden for å vurdere funksjonelle underskudd skyldes Microelectrode implantasjon i rotte motorisk Cortex

Published: August 18, 2018
doi:
10.3791/57829
, , , , , ,
1Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development,Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering,Case Western Reserve University

Summary

Vi har vist at en microelectrode implantasjon i motorisk cortex rotter fører til umiddelbar og varig motor underskudd. Metoder foreslått her disposisjon en microelectrode implantasjon kirurgi og tre gnager atferdsmessige oppgaver å belyse mulige endringer i den fin eller grov motoriske funksjonen på grunn av implantasjon forårsaket skade motorisk cortex.

Abstract

Medisinsk implantert i hjernen holder enormt potensial. Som en del av en hjerne maskin grensesnitt (BMI) demonstrere intracortical microelectrodes evnen å fortegnelse handling potensialer fra individuelle eller små grupper av nerveceller. Slike innspilte signaler har vært brukt tillate pasienter å grensesnitt med eller kontrollere datamaskiner, robot lemmer og egne lemmer. Men har tidligere dyrestudier vist at en microelectrode implantasjon i hjernen ikke bare skader de omkringliggende vev, men kan også resultere i funksjonelle underskudd. Her diskuterer vi en rekke atferdsmessige tester å kvantifisere potensielle motor impairments etter implantering av intracortical microelectrodes i motorisk cortex av rotte. Metodene for åpne feltrutenettet, stigen krysset og grep styrke testing gi verdifull informasjon om mulige komplikasjoner som følge av en microelectrode implantasjon. Resultatene av atferdsmessige testing er korrelert med sluttpunktet histology, gir ytterligere informasjon om patologisk resultatene og virkningene av denne prosedyren på tilstøtende vev.

Introduction

Intracortical microelectrodes ble opprinnelig brukt til å tilordne krets av hjernen, og har utviklet seg til et verdifullt verktøy for å aktivere gjenkjenning av motor intensjoner som kan brukes til å produsere funksjonelle utganger1. Oppdaget funksjonelle utganger kan tilby personer som lider av ryggmargsskade, cerebral parese, amyotrofisk lateral sklerose (ALS) eller andre bevegelse-begrensende forhold kontrollen en datamaskin markøren2,3 eller robot arm4,5,6, eller gjenopprette funksjonen til sin egen deaktivert lem7. Derfor har intracortical microelectrode teknologi framstått som en lovende og raskt voksende felt8.

På grunn av at sett i feltet, er kliniske studier underveis for å forbedre og forstå mulighetene av BMI teknologi5,9,10. Ved å realisere det fulle potensialet i kommunikasjon med nerveceller i hjernen, oppfattes rehabilitering programmene som ubegrenset8. Selv om det er stor optimisme for fremtiden for intracortical microelectrode teknologi, er det også kjent at microelectrodes slutt mislykkes11, muligens på grunn av en akutt neuroinflammatory reaksjon etter implantasjon. Implantering av en utenlandsk materiale i hjernen fører til umiddelbar skade til omkringliggende vev og fører til ytterligere skade forårsaket av neuroinflammatory svaret som varierer avhengig av egenskapene til implantatet12. I tillegg et implantat i hjernen kan forårsake microlesion: en reduksjon i glukose metabolisme antatt å være forårsaket av akutt ødem og blødning på grunn av den enhet innsetting13. Videre er signalkvaliteten og tiden som nyttig signaler inkonsekvent, uansett dyremodell11,14,15,16. Flere studier har vist forbindelsen mellom neuroinflammation og microelectrode ytelse17,18,19. Konsensus av samfunnet er derfor at betennelsesreaksjon i nevrale vevet som omgir microelectrodes, minst delvis kompromisser elektrode pålitelighet.

Mange studier har undersøkt lokal betennelse11,20,21,22 eller utforsket metoder for å redusere skade på hjernen skyldes innsetting11,23, 24,25, med et mål om å forbedre innspillingen ytelsen over tid14,26. I tillegg har vi nylig vist at iatrogenic skade forårsaket av en microelectrode innsetting i motorisk cortex rotter forårsaker en umiddelbar og varig fine motor underskudd27. Derfor formålet med protokollene som presenteres her er å gi forskerne en kvantitativ metode for å vurdere mulig motor underskudd som følge av hjernen traumer etter implantasjon og vedvarende tilstedeværelse av intracortical enheter (microelectrodes i den tilfelle av dette manuskriptet). Virkemåten testene beskrevet her ble utformet å tease ut både brutto- og motorikk impairments, og kan brukes i mange modeller av hjerneskade. Disse metodene er enkel, reproduserbare, og kan enkelt implementeres i en gnager modell. Videre gi metodene presenteres her en sammenheng motor atferd til histologiske utfall, en fordel som inntil nylig forfatterne ikke har sett publisert i feltet BMI. Til slutt, som disse metodene ble utviklet for å teste fin funksjon28, grov motoriske funksjoner29og stress og angst atferd29,30, metodene presenteres her kan også implementeres i en rekke hodeskade modeller der forskerne ønsker å styre ut (eller inn) alle motorikk underskudd.

Protocol

Alle prosedyrer og dyr omsorg praksis ble godkjent av og utført i henhold til Louis Stokes Cleveland Institutt for Veteraner saker Center institusjonelle dyr helsetjenester og bruk komiteer. Merk: For å utdanne forskere på avgjørelsen om bruk av stikk skade modell som en kontroll, er det anbefalt å vurdere arbeidet gjort av Potter et al. 21. 1. microelectrode implantasjon kirurgisk prosedyre Pre kirurgisk dyr …

Representative Results

Ved hjelp av metodene som presenteres her, er en microelectrode implantasjon kirurgi i motorisk cortex fullført følgende etablerte prosedyrer39,40,41,42, etterfulgt av åpen rutenettet testing for å vurdere grov motoriske funksjoner og stige og grep fungerer styrke testing for å vurdere fine motoren27. Funksjonstesting var fullført 2…

Discussion

Protokollen skissert her har brukt effektivt og reproduserbar måle både fin og grov motoriske underskudd i en modell av gnager hjerneskade. I tillegg gir det korrelasjon av fine motor virkemåten til histologiske utfall etter en microelectrode implantasjon i motorisk cortex. Metodene er enkle å følge, rimelig å sette opp, og kan endres for å passe forskerens individuelle behov. Videre medfører atferd testing ikke mye stress eller smerte til dyrene; Snarere, forskerne mener dyrene vokste til trening og belønninger…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne studien ble støttet delvis av Merit gjennomgang Award #B1495-R (Capadona) og Presidential tidlig karriere Award for forsker og ingeniører (PECASE, Capadona) fra USA (US) Institutt for Veteraner saker rehabilitering forskning og Webområdeutvikling tjeneste. I tillegg, var dette arbeidet støttes delvis av Office for Assistant Secretary of Defense for helse saker gjennom Peer vurdert medisinsk forskningsprogrammet under prisen nr. W81XWH-15-1-0608. Innholdet representerer ikke synspunktene til det amerikanske Department of Veterans Affairs eller myndighetene i USA. Forfatterne vil gjerne takke Dr. Hiroyuki Arakawa i CWRU gnager atferd kjernen for hans veiledning i å utforme og teste gnager atferdsmessige protokoller. Forfatterne vil også gjerne takke James Drake og Kevin Talbot fra CWRU avdeling av mekanisk og luftfartsteknologi for deres hjelp i design og produksjon gnager stigen testen.

Materials

Sprague Dawley rats, male, 201-225g Charles River CD
Compac5 anesthesia system Vetequip 901812
Electric trimmers Wahl 9918-6171
Stereotaxic frame David Kopf Instruments 1760
Gaymar heated water pad and pump Braintree Scientific Inc  TP-700
Vetbond tissue adhesive 3M 07-805-5031
Dental drill Pearson Dental O60-0045
Dura pick Fine Science Tools 10064-14
Silicon shank microelectrode Made in-house at Cleveland VA Medical Center N/A
KwikCast silicone elastomer World Precision Instruments KWIK-CAST
Teets dental cement  A-M Systems 525000
Webcam HD Pro c920 Logitec 960-000764
Grip strength meter Harvard Apparatus 565084
Minitab 17 statistical software Minitab Inc
Open field grid test Made in-house at Case Western Reserve University N/A
Ladder test Made in-house at Case Western Reserve University N/A
Rabbit anti rat IgG antibody Bio-Rad 618501
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  2. McFarland, D. J., Sarnacki, W. A., Wolpaw, J. R. Electroencephalographic (EEG) control of three-dimensional movement. Journal of Neural Engineering. 7 (3), 036007 (2010).
  3. Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (51), 17849-17854 (2004).
  4. Bell, C. J., Shenoy, P., Chalodhorn, R., Rao, R. P. Control of a humanoid robot by a noninvasive brain-computer interface in humans. Journal of Neural Engineering. 5 (2), 214-220 (2008).
  5. Collinger, J. L., et al. High-performance neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia. The Lancet. 381 (9866), 557-564 (2013).
  6. Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372-375 (2012).
  7. Ajiboye, A. B., et al. Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia: a proof-of-concept demonstration. The Lancet. 389 (10081), 1821-1830 (2017).
  8. Bowsher, K., et al. Brain-computer interface devices for patients with paralysis and amputation: a meeting report. Journal of Neural Engineering. 13 (2), 023001 (2016).
  9. Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. Direct cortical control of 3D neuroprosthetic devices. Science. 296 (5574), 1829-1832 (2002).
  10. Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. Information conveyed through brain-control: cursor versus robot. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (2), 195-199 (2003).
  11. Jorfi, M., Skousen, J. L., Weder, C., Capadona, J. R. Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications. Journal of Neural Engineering. 12 (1), 011001 (2015).
  12. Anderson, D. J. Penetrating multichannel stimulation and recording electrodes in auditory prosthesis research. Hearing Research. 242 (1-2), 31-41 (2008).
  13. Pourfar, M., et al. Assessing the microlesion effect of subthalamic deep brain stimulation surgery with FDG PET. Journal of Neurosurgery. 110 (6), 1278-1282 (2009).
  14. Hermann, J. K., et al. Inhibition of the cluster of differentiation 14 innate immunity pathway with IAXO-101 improves chronic microelectrode performance. Journal of Neural Engineering. , (2018).
  15. Bedell, H. W., et al. Targeting CD14 on blood derived cells improves chronic intracortical microelectrode performance in chronic modified state of neuroinflammation. Biomaterials. 163, 163-173 (2018).
  16. Kozai, T. D. Y., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies. ACS Chemical Neuroscience. 6 (1), 48-67 (2015).
  17. Rennaker, R. L., Miller, J., Tang, H., Wilson, D. A. Minocycline increases quality and longevity of chronic neural recordings. Journal of Neural Engineering. 4 (2), 1-5 (2007).
  18. Saxena, T., et al. The impact of chronic blood-brain barrier breach on intracortical electrode function. Biomaterials. 34 (20), 4703-4713 (2013).
  19. Kozai, T. D., et al. Effects of caspase-1 knockout on chronic neural recording quality and longevity: insight into cellular and molecular mechanisms of the reactive tissue response. Biomaterials. 35 (36), 9620-9634 (2014).
  20. Biran, R., Martin, D., Tresco, P. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
  21. Potter, K. A., Buck, A. C., Self, W. K., Capadona, J. R. Stab injury and device implantation within the brain results in inversely multiphasic neuroinflammatory and neurodegenerative responses. Journal of Neural Engineering. 9 (4), 046020 (2012).
  22. Szarowski, D. H., et al. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Research. 983 (1-2), 23-35 (2003).
  23. Gunasekera, B., Saxena, T., Bellamkonda, R., Karumbaiah, L. Intracortical recording interfaces: current challenges to chronic recording function. ACS Chemical Neuroscience. 6 (1), 68-83 (2015).
  24. Villalobos, J., et al. Preclinical evaluation of a miniaturized Deep Brain Stimulation electrode lead. Conference Proceedings: Annual International Conferences of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2015, 6908-6911 (2015).
  25. Zhong, Y., Bellamkonda, R. V. Controlled release of anti-inflammatory agent alpha-MSH from neural implants. Journal of Controlled Release. 106 (3), 309-318 (2005).
  26. Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), e3565 (2012).
  27. Goss-Varley, M., et al. Microelectrode implantation in motor cortex causes fine motor deficit: implications on potential considerations to brain computer interfacing and human augmentation. Scientific Reports. 7, 15254 (2017).
  28. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: a new task to evaluate fore- and hindlimb stepping, placing, and co-ordination. Journal of Neuroscience Methods. 115 (2), 169-179 (2002).
  29. Bailey, K. R., Crawley, J. N., Buccafusco, J. J. Anxiety-related behaviors in mice. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. , (2009).
  30. Prut, L., Belzung, C. The open field as a paradigm to measure the effects of drugs on anxiety-like behaviors: a review. European Journal of Pharmacology. 463 (1-3), 3-33 (2003).
  31. Shoffstall, A. J., et al. Potential for thermal damage to the blood-brain barrier during craniotomy procedure: implications for intracortical recording microelectrodes. Journal of Neural Engineering. , (2017).
  32. Dona, K. R., et al. A novel single animal motor function tracking system using MATLAB’s computer vision toolbox to assess functional deficits. Journal of Visualized Experiments. , (2018).
  33. Ereifej, E. S., et al. Implantation of neural probes in the brain elicits oxidative stress. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. , (2018).
  34. Ereifej, E. S., et al. The neuroinflammatory response to nanopatterning parallel grooves into the surface structure of intracortical microelectrodes. Advanced Functional Materials. , (2017).
  35. Ravikumar, M., et al. The roles of blood-derived macrophages and resident microglia in the neuroinflammatory response to implanted intracortical microelectrodes. Biomaterials. 0142-9612 (35), 8049-8064 (2014).
  36. Potter-Baker, K. A., et al. A comparison of neuroinflammation to implanted microelectrodes in rat and mouse models. Biomaterials. 34, 5637-5646 (2014).
  37. Nguyen, J. K., et al. Influence of resveratrol release on the tissue response to mechanically adaptive cortical implants. Acta Biomaterialia. 29, 81-93 (2016).
  38. Ravikumar, M., et al. The effect of residual endotoxin contamination on the neuroinflammatory response to sterilized intracortical microelectrodes. Journal of Materials Chemistry B. 2, 2517-2529 (2014).
  39. Potter, K. A., Simon, J. S., Velagapudi, B., Capadona, J. R. Reduction of autofluorescence at the microelectrode-cortical tissue interface improves antibody detection. Journal of Neuroscience Methods. 203 (1), 96-105 (2012).
  40. Potter, K. A., et al. Curcumin-releasing mechanically-adaptive intracortical implants improve the proximal neuronal density and blood-brain barrier stability. Acta Biomaterialia. 10 (5), 2209-2222 (2014).
  41. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11, 056014 (2014).
  42. Potter, K. A., et al. The effect of resveratrol on neurodegeneration and blood brain barrier stability surrounding intracortical microelectrodes. Biomaterials. 34, 7001-7015 (2013).
  43. McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. Journal of Neural Engineering. 6 (5), 056003 (2009).
  44. Hamm, R. J., Pike, B. R., O’Dell, D. M., Lyeth, B. G., Jenkins, L. W. The rotarod test: an evaluation of its effectiveness in assessing motor deficits following traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 11 (2), 187-196 (1994).
  45. Teuber, H. L. Recovery of function after brain injury in man. Ciba Foundation Symposium. (34), 159-190 (1975).
  46. Carmel, J. B., Kimura, H., Martin, J. H. Electrical stimulation of motor cortex in the uninjured hemisphere after chronic unilateral injury promotes recovery of skilled locomotion through ipsilateral control. Journal of Neuroscience. 34 (2), 462-466 (2014).
  47. Hayn, L., Koch, M. Suppression of excitotoxicity and foreign body response by memantine in chronic cannula implantation into the rat brain. Brain Research Bulletin. 117, 54-68 (2015).
  48. Marklund, N. Rodent models of traumatic brain injury: methods and challenges. Methods in Molecular Biology. 1462, 29-46 (2016).
  49. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments. (28), e1204 (2009).
  50. Pajoohesh-Ganji, A., Byrnes, K. R., Fatemi, G., Faden, A. I. A combined scoring method to assess behavioral recovery after mouse spinal cord injury. Neuroscience Research. 67 (2), 117-125 (2010).
  51. Chesler, E. J., Wilson, S. G., Lariviere, W. R., Rodriguez-Zas, S. L., Mogil, J. S. Influences of laboratory environment on behavior. Nature Neuroscience. 5 (11), 1101-1102 (2002).
  52. Crabbe, J. C., Wahlsten, D., Dudek, B. C. Genetics of mouse behavior: interactions with laboratory environment. Science. 284 (5420), 1670-1672 (1999).
  53. Richter, S. H., Garner, J. P., Auer, C., Kunert, J., Wurbel, H. Systematic variation improves reproducibility of animal experiments. Nature Methods. 7 (3), 167-168 (2010).
  54. Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
  55. Osier, N. D., Dixon, C. E. The controlled cortical impact model: applications, considerations for researchers, and future directions. Frontiers in Neurology. 7, 134 (2016).
  56. Harrison, F. E., Hosseini, A. H., McDonald, M. P. Endogenous anxiety and stress responses in water maze and Barnes maze spatial memory tasks. Behavioural Brain Research. 198 (1), 247-251 (2009).
  57. Jackson, J. R., et al. Reduced voluntary running performance is associated with impaired coordination as a result of muscle satellite cell depletion in adult mice. Skeletal Muscle. 5, 41 (2015).
  58. Potter-Baker, K. A., et al. Implications of chronic daily anti-oxidant administration on the inflammatory response to intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 12 (4), 046002 (2015).
  59. Ware, T., Simon, D., Rennaker, R. L., Voit, W. Smart polymers for neural interfaces. Polymer Reviews. 53 (1), 108-129 (2013).
  60. Ecker, M., et al. Sterilization of thiol-ene/acrylate based shape memory polymers for biomedical applications. Macromolecular Materials and Engineering. 302 (2), 160331 (2017).
  61. Kozai, T., et al. Reduction of neurovascular damage resulting from microelectrode insertion into the cerebral cortex using in vivo two-photon mapping. Journal of Neural Engineering. 7 (4), 046011 (2010).

Tags

RodentBehavioral TestingFunctional DeficitsMicroelectrode ImplantationRat Motor CortexNeural EngineeringMotor FunctionSurgical ProcedureStereotaxic FrameCephalosporin AntibioticBupivacaineBetadineCyanoacrylateDental CementDuraMotor CortexForepaw Movement

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Goss-Varley, M., Shoffstall, A. J., Dona, K. R., McMahon, J. A., Lindner, S. C., Ereifej, E. S., Capadona, J. R. Rodent Behavioral Testing to Assess Functional Deficits Caused by Microelectrode Implantation in the Rat Motor Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57829, doi:10.3791/57829 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image