Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

مكافحة القوارض السلوكية اختبار لتقييم العجز الوظيفي الناجم عن زرع ميكروليكترودي في القشرة الحركية الفئران

Published: August 18, 2018 doi: 10.3791/57829
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2
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

وقد أظهرنا أن غرس ميكروليكترودي في القشرة الحركية الفئران يسبب العجز الحركي فورية ودائمة. الأساليب المقترحة هنا الخطوط العريضة جراحة زرع ميكروليكترودي وثلاث مهام السلوكية القوارض توضيح التغييرات المحتملة في الدالة موتور غرامة أو الإجمالي بسبب الأضرار التي تسببت في زرع للقشرة الحركية.

Abstract

الأجهزة الطبية مزروع في المخ من إمكانات هائلة. كجزء من نظام واجهة الجهاز الدماغ (BMI)، ميكرويليكتروديس إينتراكورتيكال إثبات القدرة على تسجيل إمكانات العمل من الفئات الفردية أو الصغيرة من الخلايا العصبية. قد استخدمت بنجاح مثل هذه الإشارات المسجلة السماح للمرضى إلى الواجهة مع أو التحكم في أجهزة الكمبيوتر وأطرافه الروبوتية وأطرافه الخاصة بهم. ومع ذلك، أظهرت الدراسات السابقة على الحيوانات أن زرع ميكروليكترودي في الدماغ لا يضر الأنسجة المحيطة فحسب بل يمكن أن يؤدي أيضا إلى عجز وظيفي. وهنا، نحن نناقش سلسلة من الاختبارات السلوكية التحديد الكمي للعاهات الحركية المحتملة بعد غرس ميكروليكتروديس إينتراكورتيكال في القشرة الحركية للفئران. الأساليب للشبكة فتح الحقل وسلم عبور، واختبار قوة قبضة توفر معلومات قيمة فيما يتعلق بالمضاعفات المحتملة الناجمة عن زرع ميكرويليكترودي. نتائج اختبار سلوكية ترتبط بعلم الأنسجة نقطة النهاية، تقديم معلومات إضافية عن النتائج المرضية والآثار المترتبة على هذا الإجراء في النسيج المجاور.

Introduction

واستخدمت ميكروليكتروديس إينتراكورتيكال أصلاً لخريطة دوائر الدماغ، وتحولت إلى أداة قيمة لتمكين الكشف عن نوايا السيارات التي يمكن استخدامها لإنتاج النواتج الفنية1. يمكن أن تقدم النواتج الفنية الكشف عن الأفراد الذين يعانون من إصابات النخاع الشوكي، والشلل الدماغي، والتصلب العضلي الجانبي (المرض)، أو غيرها من الشروط التي تحد من حركة عنصر التحكم من الكمبيوتر المؤشر2،3 أو إليه (روبوت) ذراع4،،من56، أو استعادة وظيفة إلى بهم ذوي أطرافهم7. ولذلك، برزت التكنولوجيا ميكروليكترودي إينتراكورتيكال كمبشرة بالخير، وتنمو بسرعة الميدان8.

بسبب النجاحات التي ينظر إليها في هذا المجال، تجري الدراسات السريرية لتحسين وفهم أفضل لإمكانيات مؤشر كتلة الجسم التكنولوجيا5،،من910. بتحقيق الإمكانات الكاملة للاتصالات مع الخلايا العصبية في المخ، تعتبر طلبات التأهيل بلا حدود8. على الرغم من وجود قدر كبير من التفاؤل لمستقبل التكنولوجيا ميكروليكترودي إينتراكورتيكال، كما أنها معروفة جيدا أن ميكروليكتروديس تفشل في نهاية المطاف11، ربما بسبب استجابة نيوروينفلاماتوري حاد بعد زرع. غرس مادة أجنبية في الدماغ ينتج الضرر الفوري للأنسجة المحيطة، ويؤدي إلى مزيد من الأضرار الناجمة عن الاستجابة نيوروينفلاماتوري التي تختلف تبعاً لخصائص من زرع12. وباﻹضافة إلى ذلك، زرع في الدماغ يمكن أن تسبب أثرا ميكروليسيون: انخفاض الجلوكوز الأيض يعتقد أن يكون سبب بذمة الحادة ونزيف بسبب الإدراج الجهاز13. وعلاوة على ذلك، جودة الإشارة وطول الفترة الزمنية التي يمكن أن تسجل إشارات مفيدة غير متناسقة، بغض النظر عن نموذج الحيوان11،14،،من1516. أظهرت العديد من الدراسات العلاقة بين نيوروينفلاميشن وميكروليكترودي الأداء17،،من1819. ولذلك، هو توافق آراء المجتمع أن الاستجابة الالتهابية من الأنسجة العصبية التي تحيط ميكروليكتروديس، جزئيا على الأقل، يمس موثوقية القطب.

العديد من الدراسات قد فحصت التهاب المحلية11،20،،من2122 أو استكشاف أساليب للحد من الأضرار في الدماغ الناجم عن الإدراج11،23، 24،25، بهدف تحسين أداء تسجيل على مر الوقت14،26. بالإضافة إلى ذلك، نحن قد أظهرت مؤخرا أن أسباب علاجية المنشأ ضرر ناجم إدراج ميكرويليكترودي في القشرة الحركية للفئران عجز الحركي غرامة فورية ودائمة27. ولذلك غرض البروتوكولات المقدمة هنا إعطاء الباحثين أسلوب كمي لتقييم العجز الحركي ممكن نتيجة صدمات الدماغ بعد زرع والتواجد المستمر لأجهزة إينتراكورتيكال (ميكروليكتروديس في حالة هذه المخطوطة). اختبارات السلوك الموصوف هنا صممت لندف من كل العاهات الدالة الحركية الجسيمة وغرامة، ويمكن أن تستخدم في نماذج عديدة لإصابة في الدماغ. هذه الأساليب هي واضحة، واستنساخه، ويمكن تنفيذها بسهولة في نموذج القوارض. علاوة على ذلك، تسمح الأساليب المقدمة هنا لارتباط السلوك الحركي لنتائج النسيجي، استحقاقا أنه حتى مؤخرا، لم نر الكتاب المنشورة في مجال مؤشر كتلة الجسم. وأخيراً، كما تم تصميم هذه الأساليب لاختبار وظيفة الحركية الدقيقة28، الدالة السيارات الإجمالي29، والإجهاد والقلق السلوك29،30، الأساليب المعروضة هنا يمكن أيضا تنفيذها في مجموعة متنوعة من نماذج إصابة في الرأس حيث تريد الباحثون أن القاعدة بها (أو في) أي عجز وظيفة الحركة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

جميع إجراءات وممارسات رعاية الحيوان كانت وافقت عليها وتنفيذها وفقا للويس ستوكس كليفلاند الإدارة من قدامى المحاربين في الشؤون الطبية مركز الحيوان الرعاية المؤسسية واستخدام لجان.

ملاحظة: لتوعية الباحثين بشأن القرار حول الاستخدام نموذج إصابة طعنه كعنصر تحكم، ينصح باستعراض العمل الذي أنجزه بوتر et al. 21.

1-ميكروليكترودي غرس إجراء العمليات الجراحية

  1. إعداد الحيوانات قبل العمليات الجراحية
    1. تخدير الحيوان في دائرة التعريفي استخدام إيسوفلوراني (2-4%). بينما تحت التخدير، ترصد باستمرار الحيوان باستخدام نظام قياس حيوي لرصد معدل ضربات القلب ومحتوى الأكسجين الدم.
    2. نقل الحيوانات إلى مخروط الآنف مواصلة المخدر. تحت الجلد (ميدان) حقن السيفالوسبورينات المضادات الحيوية، مثل سيفازولين (25 ملغ/كغ) وغير الستيرويدية المضادة للالتهابات، مثل والايبوبروفين (5 مغ/كغ) لمنع العدوى وإدارة الألم، على التوالي.
    3. تحرر تطبيق مرهم العيون إلى العيون للحيوان لمنعها من التجفيف.
    4. باستخدام مقص أظافر الحيوانات الصغيرة، تقليم أظافر لمنع الحيوان من الخدش خياطة الجروح أثناء التئام الجرح. ضمان أن الأظافر لا يتم قص قصيرة جداً، وهذا يمكن أن يؤدي إلى الألم والنزيف للحيوان.
    5. يحلق رأس الحيوان تماما من وراء الأذنين إلى بين العينين استخدام المتقلب الكهربائية أسلاك شائكة.
    6. تقديم من تسكين محلية مع حقن مربعا من bupivacaine (0.3 مل من 0.125% bupivacaine المخفف من حل الأسهم) في الجزء العلوي من الرأس للحيوان في منطقة الشق.
    7. جبل الحيوان في إطار ستيريوتاكسيك، باستخدام أشرطة الإذن للحفاظ على الرأس من التحرك أثناء الجراحة. ضع مياه المتداولة تدفئة وسادة تحت الحيوان للحفاظ على درجة الحرارة الداخلية للحيوان.
    8. تطبيق ثني عقيمة، مثلاً، وافق مؤسسياً العقيمة من البلاستيك، لعزل ميدان العمليات الجراحية.
    9. فرك المنطقة الجراحية باستخدام حل تدين بتناوب ويدعك الايزوبروبانول.
    10. إجراء رشة إصبع القدم وفقا للبروتوكول المؤسسي للتأكد من الحيوان تحت الطائرة الجراحية.
  2. إعداد الحيوانات لغرس
    1. إنشاء شق ما يقرب من 1 في أسفل خط الوسط تعريض الجمجمة باستخدام شفرة المبضع رقم 10. إزالة السمحاق استخدام قضيب القطن ذات الرؤوس بصراحة، والتوقف عن استخدام أي النزيف وسادة شاش. التراجع عن الأنسجة المحيطة باستخدام مقاطع التمساح ونظيفة ويذوي في الجمجمة مع بيروكسيد الهيدروجين.
    2. ضع بضع قطرات من لاصق النسيج المستندة إلى cyanoacrylate في الجمجمة المكشوفة لتحسين الأسمنت الأسنان الترابط في خطوات لاحقة.
    3. في نصف الكرة الغربي الذي اخترته، علامة المنطقة القشرة الحركية المقابلة للحركة فوربو حوالي 3 مم الأفقي لخط الوسط و 2 مم عرفت بريجما عن طريق إنشاء نك في العظام.
    4. إزالة جزء من الجمجمة استخدام حفر أسنان نصيحة مدورة 1.75 ملم، ومع أخذ اعتبار خاص لا للحفر بسرعة كبيرة جداً أو عميقا جداً ودعم يدا واحدة على الإطار ستيريوتاكسيك. وينبغي تطبيق التدريبات في الجمجمة بشكل متقطع لتجنب ارتفاع درجة حرارة31.
    5. وتعكس دوراً استخدام اختر دوراً مدمن مخدرات غرامة 45°.
    6. تنظيف أي استخدام النزيف قضيب القطن ذات الرؤوس والمالحة، مع الحرص على عدم مباشرة على اتصال سطح الدماغ.
  3. إدراج ميكروليكترودي في القشرة الحركية
    1. عناية جبل ميكرويليكترودي معقمة في حامل العالمي على الإطار ستيريوتاكسيك، مع أخذ الحذر لا على نتوء عرقوب القطب. ضمان أن موصل واجهة هيدستاجي القطب إيمانا راسخا حوزة صاحب.
      ملاحظة: هنا، استخدمت غير وظيفية ميشيغان على غرار سيليكون عرقوب قطب قياس ميكرومتر µm x 15 2 مم × 123، وعرقوب كان إدراجها باستخدام الملقط غرامة.
    2. باستخدام ميكرومانيبولاتورس على الإطار ستيريوتاكسيك، بعناية ضع غيض مسرى اوديما مفتوحة.
    3. السفلي بلطف مسرى حوالي 2 مم في الدماغ باستخدام ميكرومانيبولاتورس كدليل قياس (اعتماداً على اختيار القطب، إدراج الآلي في المعدلات التي تسيطر عليها قد تكون المطلوبة.) أخذ الحيطة والحذر لتجنب أي المفرج وضوحاً كلما كان ذلك ممكناً. بمجرد مسرى في المكان، بعناية تحرير الموصل من صاحب العالمي وسحب الذراع الإدراج.
    4. بعناية قم بتنظيف أي نزيف من حولها الكهربائي باستخدام المحاليل القطن ذات الرؤوس والمالحة.
    5. إغلاق اوديما حول مسرى مزروع باستخدام سيليكون الاستومر.
    6. إصلاح مسرى في الجمجمة باستخدام الأسمنت الأسنان.
    7. مرة واحدة الأسمنت جافة تماما، تجمع حواف الشق في الجزء الأمامي والخلفي للإسمنت هيدكاب وخياطة لهم إيقاف تشغيل.
  4. الرعاية اللاحقة للعمليات الجراحية
    1. السماح للحيوان لاسترداد في مياه تعميم التدفئة لوحة مع الاستمرار في رصد العلامات الحيوية. تجنب استخدام مصابيح الحرارة درجة الحرارة من المصابيح من الصعب السيطرة عليها، ويمكن أن أسخن الحيوانات.
    2. وبمجرد الحيوان مستيقظا تماما، نقل الحيوان إلى قفص نظيف مع سهولة الوصول إلى الغذاء والماء.
    3. خلال الأيام التالية للجراحة 1-3، تزويد الحيوانات بالمضادات الحيوية السيفالوسبورينات مربعا (25 ملغ/كغ) و للالتهابات غير الستيرويدية (5 مغ/كغ) لمنع العدوى وإدارة آلامهم.
    4. مراقبة الحيوانات يوميا لعلامات الألم أو الانزعاج أو النزيف، تغير الوزن أو خياطة القضايا من خلال 5 يوم على الأقل بعد العمليات الجراحية.

2-الاختبار السلوكية

  1. لكل اختبار السلوك، اختبار الحيوانات 2 x كل اختبار في الأسبوع السابق لجراحة زرع قطب كهربائي لحساب نتائجهم الأساس قبل الجراحة. وبعد الجراحة، السماح للحيوانات للراحة لمدة أسبوع واحد قبل بدء الاختبار x 2 في الأسبوع في كل اختبار السلوك. ينبغي أن تستخدم شروط الاختبار متسقا طوال فترة الدراسة لما قبل وبعد الجراحة اختبار للتقليل من آثار الإجهاد على الأداء، مما قد يؤدي إلى مقياس للقلق على حد سواء.
    1. تنظيف المعدات كل اختبار مع المعقمات المستندة إلى ثاني أكسيد كلور في البداية كل دورة الاختبار وبعد كل الحيوانات.
    2. فيلم حقل مفتوح الشبكة وسلم الاختبار. تتطلب هذه الاختبارات كاميرا فيديو (1080p، الحد الأدنى من 15 إطارا في الثانية، مجال الرؤية قطري 78°)، كمبيوتر محمول، وغرفة لتخزين بيانات الفيديو.
    3. في بداية كل يوم الاختبار، جلب الحيوانات إلى غرفة الاختبار والسماح لهم بتأقلم لمدة 20 دقيقة على الأقل قبل بدء الاختبار. ينبغي أن تكون الغرفة الخفيفة والتحكم في درجة الحرارة، ونفس الموظفين ينبغي استكمال جميع التجارب. ومن الناحية المثالية، سيتم استخدام نفس الغرفة لجميع الحيوانات طوال فترة اختبار مع أية تغييرات إلى الغرفة.
    4. استخدام الأغذية المكافآت لتشجيع الحيوانات لإكمال المهام، لا سيما من خلال تدريب سلم. الحبوب أو قطع صغيرة من رقائق الموز أو المفرقعات تقديم مكافآت جيدة.
    5. تطبيع جميع العروض اختبار أسبوعية لعشرات قبل الجراحة لكل الحيوانات الفردية (المعادلة 1).
      المعادلة 1:Equation 1
  2. فتح حقل اختبار الشبكة
    ملاحظة: اختبار الشبكة فتح الحقل تم بناؤه داخل المنظمة وقد قيد تشغيل مساحة 1 م2 مع الجدران الجانبية كامد ارتفاع 40 سم تقريبا. أسفل تشغيل سطح الشبكة مقسمة إلى 9 مربعات متساوية من الجانب السفلي باستخدام الشريط (الشكل 1أ). الكاميرا تسجيل محمل بشكل دائم فوق مركز الشبكة على السقالات.
    1. لبدء الاختبار الميداني فتح الشبكة، وضع الحيوان في مركز الشبكة التي تواجه بعيداً عن المختبر.
    2. السماح للحيوان لتشغيل بحرية لمدة 3 دقائق أثناء تسجيل فيديو.
    3. عند اكتمال هذا الحيوان اختبار، إزالة الحيوان من الشبكة وإعادته إلى القفص. تنظيف الشبكة جيدا بالمعقمات المستندة إلى ثاني أكسيد الكلور.
    4. اختبار كل الحيوانات 1 x كل اختبار اليوم.
    5. تحليل عدد خطوط الشبكة عبر الحدود والمسافة الإجمالية سافر والسرعة القصوى للحيوان كالمقاييس الدالة السيارات الإجمالي باستخدام فيديو تتبع البرمجيات.
      ملاحظة: تم قياس كمية البيانات المعروضة هنا يدوياً من الباحثين المدربين، ولكن من المفضل استخدام وضعت مؤخرا داخل المنظمة تتبع خوارزمية32.
  3. اختبار سلم
    ملاحظة: الاختبار سلم بنيت داخل المنظمة ويتألف من الجدران الجانبية واضحة اﻷكريليك 2، كل 1 متر في الطول، متصلة بواسطة الدرجات قطرها 3 مم متباعدة في 2 سم عن بعضها البعض (الشكل 2أ). سلم الاختبار هو اختبار مهارات، ويتطلب بالتالي 1 أسبوع تدريب قبل تسجيل عشرات الأساس قبل الجراحة. البروتوكول المتعلق بالتدريب والاختبار هو نفسه.
    1. نقل الحيوانات إلى قفص عقد نظيفة مؤقت لبدء اختبار سلم.
    2. إعداد السلم حيث أنه يسد أقفاص 2. بداية نهاية السلم تقع في قفص نظيف، ونهاية النهاية تقع في قفص الحيوان المنزلية لتكون بمثابة حافز لإكمال التشغيل.
    3. ضع كاميرا الفيديو نفسه (أو ما شابه) على ترايبود في مركز للسلم. ينبغي وضع الكاميرا في ارتفاع درجة والسماح لسلم كله أن نرى.
    4. مع كاميرا الفيديو قيد التشغيل، عقد الحيوان إلى خط البداية في السلم، السماح ببراثنهم الجبهة اللمس درجة أولى.
    5. السماح للحيوان بعبور السلم في وتيرتها. في الوقت الذي انقضى بين اللحظة مخلب الحيوان يمس الدرجة الأولى وخط النهاية في الثالث إلى آخر درجة ستحدد الوقت الحيوان بالعبور.
    6. إذا كان الحيوان يستدير على السلم أو عدم التحرك لمدة 20 ثانية، النظر في الحيوان فشل التشغيل. تعيين الحيوانات عقوبة نقاط الوقت لكل فشل تشغيل. تحديد وقت عقوبة الأداء الأبطأ المسجلة خلال اختبار جراحة قبل27.
    7. السماح لكل الحيوانات عبر سلم 5 x كل يوم مع حوالي 1 دقيقة في بقية الفترات الفاصلة بين كل تشغيل اختبار.
    8. متوسط 3 يعمل أسرع يوميا كمقياس وظيفة الحركية الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، سجل عدد مرات كل من الجبهة الكفوف زلات قبالة الدرجات استخدام فيديو تتبع البرمجيات.
      ملاحظة: تم قياس كمية البيانات المعروضة هنا يدوياً من الباحثين المدربين، ولكن من المفضل استخدام خوارزمية تتبع داخلية وضعت مؤخرا استخدام دونا et al. 32.
  4. اختبار قوة قبضة
    1. معايرة مقياس قوة قبضة قبل كل جلسة الاختبار، وقياس القوة في غرام.
    2. ضع مقياس قوة قبضة على حافة منضدة مع المقاود قبضة امتدت للكلمة.
    3. السماح للحيوان للاستيلاء على المقاود مع كل آثار أقدام الجبهة بينما يمسك الحيوان بقاعدة الذيل (الشكل 3أ).
    4. مرة واحدة لدى الحيوان من أحكام قبضتهم مع كل مخلب، سحب الحيوان بعيداً عن المتر من قاعدة الذيل مع قوة بطيئا ومطردا.
    5. تسجيل الحد الأقصى من قبضة قوة تمارسها الحيوانات التي يتم عرضها على التكنولوجيا الرقمية الإنتاج من خلال مقياس قوة قبضة.
    6. اختبار كل الحيوانات 3 x كل اختبار اليوم مع حوالي 2 دقيقة في بقية الفترات الفاصلة بين كل اختبار.
    7. كمقياس وظيفة الحركية الدقيقة، تسجيل وقوة قبضة الحد الأقصى الإخراج من كل من المحاكمات 3 في المتوسط.

3-مرحلة ما بعد السلوكية البروتوكول

  1. بعد اختبار جميع السلوكية (على سبيل المثال، 8-16 أسبوعا بعد غرس)، تخدير الحيوانات شدة استخدام الكيتامين (160 ملغ/كغ) وإكسيلازيني (20 مغ/كغ)، ترانسكارديالي نتخلل لهم، والحصاد على العقول والبرد-شريحة منهم، ووصمة عار الأنسجة استخدام علامات المناعي لقياس الاستجابة الخلوية المحيطة بموقع غرس33،34،35،36،،من3738.

4. تحليل إحصائي

ملاحظة: يقترح إجراء تحليل طاقة المرتقب بشدة لأي دراسات تسعى للإجابة على سؤال معين لبحث. تحليل السلطة، التي يبلغ عدد الحيوانات اللازمة لتحقيق دلالة إحصائية لتصميم دراسة معينة، ينبغي أن يستند إلى فرضية بحثية خاصة، تصميم التجربة، وحجم الأثر المقدر وتقلب العلاجات المقصود، جيدا حجم التأثير المطلوب لتحقيق جدوى علاجية أو علمية.

  1. إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام البرامج الإحصائية المشتركة.
  2. جدولة إحصائيات وصفية وعرضها كمتوسط ± الخطأ القياسي.
  3. تحليل الأداء السلوكي [في حقل مفتوح الشبكة (الخطوة 2، 2) وسلم (الخطوة 2، 3)، وقبضة قوة الاختبار (الخطوة 2.4)] عند كل نقطة وقت التنزيلات لمقارنة مراقبة المجموعات مقابل مزروع باستخدام اختبار t عينة اثنين. النظر في كل نقطة وقت التنزيلات تدبير مستقل.
  4. قياس أداء طولية باستخدام نموذج خطي أثر مختلطة. يحدد الأسبوع والمجموعة العوامل والحيوانات تجريبية متداخلاً ضمن المجموعة كأثر عشوائي. يتم استخدام تحليل تباين (ANOVA) لتحديد مدى تأثير عامل مع مستوى الأهمية 0.05 < p .
  5. مقارنة الأداء سلم مع إيمونوجلوبين ز (IgG) كثافة استخدام تحليل انحدار خطي. حساب معامل الارتباط بطريقة بيرسون.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

باستخدام الأساليب المعروضة هنا، جراحة زرع ميكروليكترودي في القشرة الحركية هو المكتمل التالية الإجراءات المعمول بها39،40،41،42، متبوعاً بالاختبار الميداني فتح الشبكة تقييم الدالة الحركية الجسيمة وسلم وقبضة تعمل قوة اختبار لتقييم السيارات الجميلة27. كان اختبار وظيفة الحركة المكتملة 2 x أسبوعيا لجراحة بعد 16 أسبوعا في الحيوانات مزروع، مع أي الحيوانات غير مزروع الجراحة كعنصر تحكم. جميع جراحة بعد عشرات تم تطبيع للأساس عملية جراحية قبل العشرات كل الحيوانات الفردية في وبلغ في المتوسط كل أسبوع. كل خطأ يتم الإعلام عن الخطأ المعياري للوسط (SEM).

لقياس وظيفتها الحركية الجسيمة والتشديد على السلوك، سمح للحيوانات لتشغيل بحرية في اختبار شبكة حقل مفتوح لمدة 3 دقائق (الشكل 1أ). يمكن تسجيل القياسات المختلفة من هذا الاختبار، بما في ذلك العدد من شبكة خطوط عبور، المسافة الإجمالية سافر، والحد الأقصى لسرعة تحقيق بالحيوان. ويرد عدد خطوط الشبكة التي عبرت في هذه البيانات المبلغ عنها سابقا،27. في الأسبوع الأول بعد انتهاء فترة الاسترداد (تيميبوينت 2 في الأسبوع)، واعتبر فرق كبير في أداء الشبكة حقل مفتوح بين المجموعات 2. ومع ذلك، كان هناك أي دلالة أخرى في بقية أنحاء الدراسة (الشكل 1ب). سجل مراقبة والحيوانات مزروع ميكرويليكترودي وبالمثل في جميع أنحاء الاختبار، والتباين في الأداء كان مرتفعا نسبيا في كلتا المجموعتين من الحيوانات. واعتبر أي أهمية عند مقارنة أداء الشبكة الميدانية المفتوحة في كلتا المجموعتين من الحيوانات عبر الوقت تجريبي كامل. لأنه لم يكن هناك فرق في الأداء بين المجموعات 2 من الحيوانات، فسر هذه النتيجة تشير إلى أنه لا يوجد إجمالي العجز الحركي أو الحد من شدة الإجهاد الناجم عن زرع ميكروليكترودي في قشرة موتور27. عند تفسير البيانات، عبرت انخفاضا في عدد خطوط الشبكة، المسافة الإجمالية سافر، أو الحد الأقصى لسرعة حققها الحيوان جميع تشير إلى انخفاض في وظيفتها الحركية الإجمالية (الجدول 1).

لقياس فهم منسقة ووظيفة الحركة الجميلة، شارك الحيوانات في اختبار سلم أفقي (الشكل 2أ) حيث تم تسجيل الوقت الذي استغرقته الحيوان عبر السلم وتواتر كشوف مخلب. تم تطبيع مرات عبور سلم ما بعد الجراحة لكل الحيوانات كل الحيوانات الفردية لجراحة قبل عشرات. ولذلك، نسبة إيجابية تتزامن مع انخفاض في وقت عبور السلم وزيادة أداء، ونسبة مئوية سلبية يتزامن مع زيادة في الوقت لعبور السلم وأداء المنخفض (الشكل 2ب، الجدول 1).

في هذه البيانات المبلغ عنها سابقا، وعرض مراقبة الحيوانات، وقد تلقت لا زرع، أبطأ أداء مرات (82.6 ± 26.0%) خلال الأسبوع الأول من عملية جراحية بعد انتهاء الاختبار مباشرة بعد مرحلة الانتعاش27. ابتداء من الأسبوع الثاني من سلم جراحة بعد انتهاء الاختبار، مراقبة الحيوانات استأنفت أوقات الأداء الأساسية الخاصة بهم والإبقاء على عشرات شبيهة بنتائجهم خط الأساس خلال فترة الدراسة مع الفرق ضئيل جداً.

الحيوانات تلقي ميكروليكترودي إينتراكورتيكال شهدت عملية جراحية التالي تردد في انخفاض أداء. أظهرت هذه الحيوانات سلم زيادة عبور الوقت مقارنة بخط الأساس من ± 199.1 61.4% في الأسبوع الأول من عملية جراحية بعد انتهاء الاختبار. عرض الحيوانات مزروع الأداء الوظيفي المنخفض خلال مدة الدراسة وأدائها لم يعودوا إلى نتائجهم خط الأساس. في حيواناتهم أسوأ، مزروع تناقص في الأداء خلال الأسبوع 11 إلى متوسط ± 526.9 139.4% مقارنة بأدائها في الأساس. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الحيوانات مزروع تباين أعلى بالمقارنة مع الحيوانات السيطرة. كان هناك لا فرق كبير بين التحكم والحيوانات مزروع خلال الأسبوع الأول من الاختبارات. ومع ذلك، كان ينظر فرقا كبيرا في تغيير النسبة المئوية مقارنة بالأوقات الأساس بين المجموعات في الأسابيع اللاحقة كلها في الدراسة (p < 0.05) (الشكل 2ب).

وتجلى المزيد من الأدلة من الإعاقات الحركية الدقيقة تواتر كشوف مخلب الحق الجبهة بين المجموعات 2 من الحيوانات. وكان أداء مخلب الحق الجبهة أهمية خاصة نظراً لأن ميكروليكتروديس كانت مزروع في نصف الكرة الأيسر من الدماغ في منطقة القشرة الحركية المسؤولة عن مراقبة مخلب الجبهة. بتحليل الفيديو دقيق، قد أرخ كشوف مخلب وكمياً (الشكل 2-ج). حين لا توجد اختلافات كبيرة في تواتر كشوف مخلب اليسار، ووجد أن الحيوانات مزروع شهدت كشوف مخلب الحق الجبهة أكبر بكثير بالمقارنة مع الحيوانات السيطرة (متوسط مخلب الحق الجبهة 0.54 ± 0.07 ينزلق في الأسبوع الواحد الحيوانات مزروع بالمقارنة مع متوسط من 0.32 ± 0.02 الأمامي الأيمن مخلب زلات أسبوعيا في مراقبة الحيوانات). عند تفسير البيانات، يشير إلى زيادة في الوقت لعبور السلم أو زيادة في عدد كشوف مخلب انخفاضا في وظيفة الحركة الجميلة (الجدول 1).

كتدبير ثانوية فهم منسقة ووظيفة الحركة الجميلة، أكملت الحيوانات اختبار قوة قبضة (الشكل 3أ) حيث تم تسجيل قوة قبضة أقصى تمارسها الحيوانات. تم تطبيع عشرات قبضة التنزيلات الفردية للحيوان لقوتها قبضة الأساس قبل الجراحة. واعتبر أن قوة قبضة بعد جراحة الحيوانات مزروع انخفضت انخفاضا كبيرا بالمقارنة مع الحيوانات التحكم في نقطة تقريبا في كل وقت ما بعد الجراحة. (الشكل 3ب). تحسين قوة قبضة مراقبة الحيوانات في أعقاب جراحة قبل الاختبار، والمرجح أن سبب تأثير التدريب. علاوة على ذلك، كانت قبضة قوة الحيوانات تحكم أكبر بكثير من خط الأساس طوال فترة الدراسة (p < 0.05). من المثير للاهتمام، قبضة قوة الأداء الحيوانات مزروع إلى حد كبير أسوأ من خط الأساس (ف < 0.01) في الأسبوع الأول من الاختبار بعد مرحلة الانتعاش، ولكن ببطء وأعيد إلى أدائها خط الأساس. ملاحظة، انخفاضا في قوة قبضة أقصى حققها الحيوان تشير إلى انخفاض في وظيفة الحركة الجميلة (الجدول 1).

يمكن استخدام علامات نسيجية مختلفة لتصور المكروية القرب زرع الدماغ، بما في ذلك نويات الخلايا العصبية، أستروسيتيس، والاستقرار حاجز الدم في الدماغ. وهنا، أجرينا المناعي تلطيخ لمفتش، بروتين دم مشترك لا توجد عادة في الدماغ. الأعمال السابقة قد بينت أن مفتش مؤشرا مفيداً لسلامة حاجز الدم في الدماغ كما هو جسم مضاد في الدم، ويقدم عادة في ال16،الدماغ18، وبالتالي وجود مفتش في أنسجة المخ المحيطة يمكن أن تكون مرتبطة ارتباطاً بسلامة حاجز الدم في الدماغ43. هنا، كان تطبيع مفتش fluorescence كثافة أنسجة المخ الخلفية وبدءا من حدود حفرة اكسبلانتيشن القطب كمياً، ويتحرك في سلال متحدة المركز حتى مفتش لم تعد موجودة في الأنسجة. الحيوانات مزروع أظهر زيادة كبيرة في كثافة مفتش قرب الثقب الخروج إلى 150 ميكرون بالمقارنة مع الحيوانات عنصر التحكم. كثافة مفتش في الحيوانات مزروع يعود تدريجيا إلى كثافة الخلفية عبر المسافة يشع من ثقب ميكرويليكترودي مزروع. في مراقبة الحيوانات، وقد ابدأ تم زرعها مع ميكروليكترودي، مفتش كثافة طبيعية لم تكن موجودة في كميات كبيرة أعلى كثافة الخلفية كما تضررت حاجز الدم في الدماغ لا في هذه الحيوانات.

لأن تشاهد فروق هامة في سلم الأداء وكثافة مفتش، كانت ترتبط الاثنين (الشكل 4). هنا، كان يرتبط شدة الفلورسنت تطبيع مفتش المنطقة تحت المنحنى من 0-50 ميكرون من واجهة القطب الأنسجة لكل الحيوانات بمتوسط الأداء سلم كل الحيوانات خلال فترة الدراسة. تم تحديد معامل الارتباط من 0.90، مما يدل على ارتباط قوي جداً بين الأداء الحركي الدقيقة والأضرار التي لحقت حاجز الدم في الدماغ.

Figure 1
الشكل 1 . نتائج اختبار الشبكة الممثل فتح الحقل. (أ) هذا الفريق يظهر اختبار إعداد اختبار سلوكية لشبكة حقل مفتوح (للمهارات الحركية واختبار القلق). اختبار الشبكة حقل مفتوح يتكون من ورقة اﻷكريليك2 1 م 4 الجدران المعتمة من 40 سم في الارتفاع، والأجزاء السفلي مربعة حوالي 33 سم. (ب) هذا الفريق يظهر أداء وظيفة الحركية جسيمة التي تقاس بالعدد خطوط الشبكة عبرت، مقارنة بأداء خط الأساس. شوهدت فرق كبير في الأداء بين عنصر التحكم (n = 10) ومزروع (ن = 17) المجموعات في 2 أسابيع بعد الجراحة (ف < 0.05). يتم الإعلام عن كل خطأ ك sem. وهذا الرقم هو طبع من غوس-فارلي et al. 27 بإذن من مجموعة النشر الطبيعة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
الشكل 2 . نتائج اختبار سلم الممثل. (أ) هذا الفريق يظهر اختبار إعداد اختبار سلوكية لسلم (لاختبار وظيفة الحركية الدقيقة). السلم يتكون من 2 واضحة من الجانبين اﻷكريليك 1 م في الطول و 25 سم في الطول، وانضم إليهم الدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ متباعدة في 2 سم قطرها 3 ملم. (ب) يظهر هذا الفريق الدالة موتور جيد الأداء يقاس الوقت عبر السلم، مقارنة بأداء خط الأساس. وتشير نتائج تحت خط متقطع إلى انخفاض في الأداء مقارنة بأداء خط الأساس. اكتشفت فرق كبير في الأداء بين عنصر التحكم (n = 10) ومزروع (n = 17) المجموعات لأسابيع بعد الجراحة 3-16 (* = p < 0.05، * * = p < 0.01) وطوليا عبر الكامل الدراسة ( # = p < 0.05). (ج) هذا الفريق يظهر مثيل كمياً لكشوف مخلب الأمامي الأيمن. واكتشفت فرق كبير في حدوث كشوف مخلب الأمامي الأيمن في الأسبوع عند مقارنة السيطرة والمجموعات مزروع (* = p < 0.05). (د) هذا مثال من زلة مخلب. يتم الإعلام عن كل خطأ ك sem. وهذا الرقم هو طبع من غوس-فارلي et al. 27 بإذن من مجموعة النشر الطبيعة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3 . نتائج اختبار قوة قبضة الممثل. (أ) هذا الفريق يظهر اختبار سلوكية الإعداد لقوة قبضة (لاختبار وظيفة الحركية الدقيقة). مقياس قوة قبضة يتكون من قاعدة المرجحة مع مقياس قوة الخيالة متصلاً قبضة المقود. (ب) هذا الفريق يظهر أداء وظيفة الحركة الجميلة، تقاس بقوة قبضة القصوى التي تمارس بالمقارنة مع أداء خط الأساس. وتشير نتائج تحت خط متقطع إلى انخفاض في الأداء مقارنة بأداء خط الأساس. تشاهد فروق كبيرة بين عنصر التحكم (n = 5) ومزروع (ن = 6) الحيوانات لمدة أسابيع بعد الجراحة تقريبا جميع (* = p < 0.05، * * = p < 0.01، * * * = p < 0.001). كان ينظر إلى أهمية مواصلة بين العروض الأسبوعية وخط الأساس ومراقبة الحيوانات (# = p < 0.05) وبين العروض الأسبوعية والأساس الحيوانات مزروع (# # = p < 0.01). عنصر التحكم والحيوانات مزروع يؤديها اختلافاً طوليا عبر الدراسة بأكملها (@ @ @ = p < 0.001). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4 . العلاقة بين أداء مفتش وسلم. كان يرتبط كثافة fluorescence مفتش تطبيع حول موقع غرس مع تغيير في سلم الأداء، ووجد معامل ارتباط 0.901 مقابل (ف < 0.001). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Table 1
الجدول 1- عموما بيانات سلوك الممثل تظهر الزيادة والنقصان في الأداء مقارنة بعشرات خط الأساس لكل مقياس الاختبار. تمثل المربعات الخضراء تحسين أداء مما يجعل عجز الحركي من غير المحتمل، وتمثل المربعات الحمراء الأداء الوظيفي المنخفض الذي يجعل الدالة موتور العجز المحتمل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

البروتوكول الواردة هنا قد استخدمت لقياس فعالية وتكاثر العجز الحركي كل خير وإجمالي في نموذج لإصابة في الدماغ القوارض. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يسمح للترابط بين السلوك الحركي غرامة النسيجي النتائج التالية غرس ميكرويليكترودي في القشرة الحركية. الطرق سهلة لمتابعة، وغير مكلفة لإعداد، ويمكن تعديلها لتناسب الاحتياجات الفردية للباحث. علاوة على ذلك، اختبار السلوك لا تسبب ضغطاً شديدا أو الألم للحيوانات؛ بدلاً من ذلك، يعتقد الباحثون الحيوانات نما للتمتع بممارسة والمكافآت التي جاءت مع الاختبار. اقترحت دراسات سابقة أن تلف القشرة الحركية يمكن أن يسبب موتور، والذاكرة، والأضرار الوظيفية44،45. ومع ذلك، على الرغم من هذه المعرفة، هناك معلومات محدودة عن تأثير الوظيفية الناجمة غرس ميكروليكترودي في قشرة موتور27، التي يمكن أن تؤثر سلبا على النتائج السريرية في المرضى.

يمكن إجراء التعديلات في جميع أنحاء البروتوكول، سواء في إجراء العمليات الجراحية وفي اختبار السلوك. ويحدد هذا البروتوكول الداخلي زرع ميكروليكتروديس في القشرة الحركية للحيوانات في المنطقة التي تؤثر فوريباوس. هذا الإجراء يمكن تكييفها بسهولة تختلف عملية الزرع، بما في ذلك أقطاب للتحفيز الكهربائي46 أو cannulas ل إيصال المخدرات47، أو النوع من الضرر، بما في ذلك نموذج تبي48. يمكن إجراء التعديلات مواصلة التهديف المقاييس المستخدمة في اختبار الشبكة حقل مفتوح، وسلم اختبار الجهاز. بالإضافة إلى العدد من خطوط الشبكة عبرت، سافر المسافة الإجمالية، والسرعة القصوى التي حققها الحيوان، الوقت الذي يقضيه الراكدة، ويمكن أيضا تسجيل عدد المنعطفات اليمين واليسار كمعلمات إضافية لأداء المحرك32 . في الاختبار، وسلم إزالة الدرجات49 أو وضع السلم على المنحدر50 يمكن زيادة صعوبة، على الرغم من أن مع يزرع الحالية المؤلفين لم يجد هذا ضروريا لندف عليها غرامة العجز الحركي في هذا التطبيق. وأخيراً، على الرغم من أن تم تصميم جهاز الاختبار المعروض هنا ليتم استخدامها مع الفئران، الوحدات ويمكن توسيع نطاق أعلى أو لأسفل ليتم استخدامها مع القوارض مختلفة الحجم. من المهم ملاحظة أنه إذا نشأت مسائل حيث حيوان غير قادر على إكمال عملية جراحية قبل اختبار دائماً، يجب إزالة الحيوان من الدراسة.

كما هو الحال مع جميع التجارب السلوكية، من المهم أن تظل متسقة قدر الإمكان خلال فترة الدراسة. وقد ثبت أن نتائج الاختبار يمكن أن تختلف استناداً إلى الباحث العمل مع الحيوانات51، يقوم موقع فيه اختبار52، والعوامل البيئية، بما في ذلك إجراءات السكن وتربية الحيوان53. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت البحوث تقلبات كبيرة في إنتاج إصابة في الدماغ عن طريق الجمجمة تدفئة أثناء اوديما إجراء31 ونماذج من تبي بما في ذلك انخفاض الوزن النموذجي54 وتباين الميكانيكية في الخاضعة القشرية أثر نموذج55. ولذلك، أن الباحثين الرعاية الخاصة للحفاظ على الاتساق في إجراء العمليات الجراحية وإجراء التجارب وظروف السكن، وفي أفراد الاختبار، بين أمور أخرى.

ويمكن توسيع التوجهات المستقبلية للسلوك هذه أساليب الاختبار عند اختبار المقدمة هنا لتقديم نتائج أكثر دقة. على سبيل المثال، يمكن إدراج اختبار متاهة المائية أو اختبار رود دوار زيادة استخراج القلق56 أو إجمالي العجز57 وظيفة الحركة، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، العمل في المستقبل قد تهدف أيضا إلى الحد من أضرار الأنسجة إدراج جهاز في الدماغ. العمل الحالي في هذا المجال قد ركزت على تخفيف التهاب عن طريق العلاجات المضادة للأكسدة42،58، متوافقة مع ميكانيكيا يزرع41،،من5960، تثبيط فطرية الحصانة مما يشير إلى مسار14،15، وتقليل ضرر الأوعية الدموية خلال زرع جهاز31،61.

وأخيراً، أنه يجب النظر في أن العمل الحالي قد استكمل استخدام الفئران صحية، والأحداث، والذكور التي لا تجسد بالضرورة خصائص نموذجية المريض البشرية تلقي زرع المخ. مطلوب بحوث إضافية استكشاف مزيد من مهام وظيفة الحركية الدقيقة والجسيمة في نماذج المرض المميزة للتصديق على النتائج المعروضة هنا. في نماذج المرض متفاوتة، قد تتطلب الاختلافات بين الحيوانات الشام مزروع وغير مزروع بالتعديلات المشار إليها أعلاه ظروف الاختبار.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

هذه الدراسة وأيده في الجزء "استعراض جائزة الجدارة" #B1495-R (كابادونا) وجائزة الوظيفي المبكر الرئاسية للعلماء والمهندسين (بيكاس، كابادونا) من "الولايات المتحدة" (الولايات المتحدة) إدارة "المحاربين القدماء شؤون التأهيل البحوث" و خدمة التنمية. بالإضافة إلى ذلك، هذا العمل كان في الجزء التي يدعمها المكتب من مساعد وزير الدفاع "الشؤون الصحية" عن طريق "الأقران استعرض الطبية برنامج البحوث" تحت "رقم الجائزة" W81XWH-15-1-0608. المحتويات لا تمثل وجهات نظر حكومة الولايات المتحدة أو إدارة شؤون قدامى المحاربين في الولايات المتحدة. المؤلف يود أن يشكر الدكتور هيرويوكي Arakawa في "صميم سلوك القوارض كورو" لقيادته في تصميم واختبار بروتوكولات السلوكية القوارض. الكتاب أيضا يود أن يشكر جيمس دريك وكيفن تالبوت من كورو الإدارة الميكانيكية وهندسة الطيران للمساعدة في تصميم وتصنيع اختبار سلم القوارض.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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. Anxiety-related behaviors in mice. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. Buccafusco, J. J. , CRC Press. Boca Raton, FL. chapter 5 (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. , Under Review (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

الهندسة الحيوية، 138 قضية، السلوك، والفئران، وإصابة علاجية المنشأ، وصدمات الدماغ، تبي، سلم، وشبكة الحقول المفتوحة، وقوة قبضة
مكافحة القوارض السلوكية اختبار لتقييم العجز الوظيفي الناجم عن زرع ميكروليكترودي في القشرة الحركية الفئران
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Goss-Varley, M., Shoffstall, A. J.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter