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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |