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Bioengineering

ラット皮質運動野の微小電極注入による機能的障害を評価するためにテスト行動の齧歯動物

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

我々 はラットの運動皮質の微小電極注入が即時かつ持続的な運動障害を引き起こすことを示しています。方法が提案電極注入手術と罰金または総モーター機能の運動野への注入による損傷のための潜在的な変化を明らかにする 3 つの齧歯動物行動タスク概要本。

Abstract

脳に移植医療機器は、大きな可能性を保持します。脳機械インターフェース (BMI) システムの一環として、皮質内微小電極は個人や小グループのニューロンの活動電位を記録する機能を示しています。そのような記録された信号は、患者とのインタ フェースを可能にするまたはコンピューター ロボット手足の手足を制御する正常に使用されています。ただし、以前の動物研究では、脳内電極注入だけでなく周囲の組織を損傷、障害にもつながるを示しています。ここでは、一連の次の皮質内微小電極の注入ラットの大脳皮質に潜在的な運動障害を定量化する行動テストをについて説明します。オープン フィールド グリッド、はしご交差グリップ強度テストのメソッドでは、電極の注入から生じる潜在的な合併症に関する貴重な情報を提供します。行動実験の結果は、エンドポイントの組織学、病理学的成果と隣接する組織にこの手順の影響に関する追加情報を提供するのに関連付けられます。

Introduction

皮質内微小電極は、脳の回路をマップし、機能出力1を生成する使用ことができるモーターの意図の検出を有効にするための貴重なツールに発展したに使用されていた。検出された機能の出力がコンピューターのカーソル2,3やロボット制御脊髄損傷、脳性麻痺、筋萎縮性側索硬化症 (ALS)、または他の動きが制限された条件で苦しんでいる個人を提供できます。腕を4,5,6、または自分の障害のある上肢7に機能を復元します。したがって、皮質内微小電極技術は有望なフィールド8急速に浮上しました。

中での成功のため臨床研究は改善し、BMI 技術5,9,10の可能性を理解する進行中が。脳のニューロンとの通信の完全な可能性を実現することで、再生アプリケーションは無限8として認識されます。皮質内微小電極技術の将来の偉大な楽観が、またよく知られている電極が11、次の注入急性アミロイド応答に起因を最終的に失敗することです。脳における異物の注入は、周囲の組織への直接的被害の結果し、インプラント12のプロパティに応じて異なりますアミロイドの応答によって引き起こされるそれ以上の損傷に 。さらに、頭脳のインプラントは、microlesion 効果を引き起こす可能性が: グルコース代謝の減少は急性肺水腫とデバイス挿入13による出血によって引き起こされると考えられています。さらに、信号品質と有用な信号を記録できる時間の長さに関係なく、動物モデル11,14,,1516一貫性がないです。いくつかの研究は、neuroinflammation と電極性能17,18,19の間の接続を示しています。したがって、社会のコンセンサスが、電極を囲む神経組織の炎症反応が少なくとも部分的に、電極の信頼性を妥協します。

多くの研究が, 局所炎症11,20,21,22または挿入11,23,による脳へのダメージを軽減する方法を模索24,25日時間14,26記録の性能改善を目標とします。さらに、ラットの運動皮質の微小電極挿入による医原性損傷が即時および不変の微細運動障害27を引き起こすことを最近示しました。したがって、ここに示すプロトコルの目的は移植と皮質内のデバイスの永続的な存在の脳外傷の結果として可能な限りの運動障害を評価するために定量化の研究を与える、(の電極、この原稿の場合)。ここで説明した動作テストは両方の総体および良いモーター機能障害を引き出すように設計された、脳損傷の多くのモデルで使用することができます。これらのメソッドは、簡単で、再現し、齧歯動物モデルで簡単に実装することができます。さらに、紹介した方法、組織成果にモータ挙動の相関まで最近、著者を見ていない利点が bmi 値フィールドに公開できます。最後に、これらのメソッドは、微細運動機能28、29総運動機能とストレスや不安行動29,30をテストする設計されていた、ここに提示されたメソッドも実装できますに、様々 な研究者がアウト (または) を支配する頭部外傷モデル運動機能欠損。

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Protocol

すべてのプロシージャと動物ケアの実践された承認、ルイ ストークス クリーブランド部のベテラン事務センター機関動物医療および使用委員会に従って実行されます。

メモ: コントロールとして刺す傷害モデルの使用に関する決定についての研究者を教育するには、勧め陶工らによって行われた作業を確認するには21。

1. 電極注入手術

  1. 動物の術前準備
    1. イソフルラン (2-4%) を用いた誘導室で動物を麻酔します。麻酔、動物の心拍数、血中酸素濃度を監視する重要な測定システムを使用して継続的に監視します。
    2. 動物を麻酔を継続する鼻の円錐形に移動します。皮下 (SQ) セファロスポリン系抗生物質、例えばセファゾリン (25 mg/kg) と非ステロイド系抗炎症、感染症を防ぎ、痛みをそれぞれ管理する例えばカルプロフェン (5 mg/kg) を注入します。
    3. 乾燥を防ぐために動物の目に眼軟膏を寛大に適用されます。
    4. 小さな動物爪切りを使用すると、動物の創傷治癒過程における縫合糸に傷を防ぐために足指の爪をトリミングします。その爪クリップされていない小さすぎ、これは動物のため出血や痛みにつながる可能性を確認します。
    5. 電気かみそりトリマーを使用して目の間に耳の後ろから徹底的に動物の頭を剃る。
    6. 切開部の動物の頭の上部にブピバカイン (原液から希釈 0.125% ブピバカインの 0.3 mL) の SQ の注入のローカル麻酔を提供します。
    7. 動物を手術中に移動から頭を保つために耳バーを使用して、固定フレームにマウントします。動物の内部温度を維持するために動物の下にパッドを加熱循環水を配置します。
    8. 滅菌ドレープなど制度的承認滅菌ラップ、手術野を分離するを適用します。
    9. スクラブ交互 betadine ソリューションを使用して外科領域とイソプロパノール スクラブ。
    10. 動物が手術の平面の下でことを確認する機関のプロトコルに従ってつま先ピンチを実行します。
  2. 注入用動物を準備します。
    1. 正中線番 10 メス刃を使用して頭蓋骨を公開するダウンの約 1 の切開を作成します。ぶっきらぼう、綿棒を使用して骨膜を削除し、出血、ガーゼのパッドの使用を停止します。ワニ口クリップを使用して周囲の組織を撤回し、きれい過酸化水素と頭蓋骨を脱水します。
    2. 後の手順で接着歯科用セメントを改善するために露出の頭蓋骨にシアノアクリ レート系組織接着剤を数滴を配置します。
    3. 選ばれた半球で前足の動き約 3 mm の正中線と前の前方 2 mm 外側に骨の中のニックネームを作成することによって対応する運動野の領域をマークします。
    4. 1.75 mm の丸みを帯びた先端歯科用ドリルを使用して、余りにすぐにまたは余りに深く、ドリルダウンしていない特別な考慮と脳定位固定装置のフレームに 1 つの手を支持の頭蓋骨の一部を削除します。ドリルは、31の過熱を避けるために断続的に頭蓋骨に適用必要があります。
    5. 高級フック 45 ° 硬ピックを使用して硬膜を反映してください。
    6. 綿棒、生理食塩水、脳の表面に直接タッチする世話を使用して、出血をきれい。
  3. 運動皮質の微小電極の挿入
    1. 慎重にバンプ電極のシャンクしないように注意を取って脳定位固定装置のフレームにユニバーサル ホルダーで滅菌電極をマウントします。ホルダー主催しっかりパッチアンプ用アダプター インターフェイス コネクタ電極のことを確認します。
      注: ここでは、2 mm x 123 μ x 15 μ m の測定非機能的なミシガン州スタイル シリコン シャンク電極を使用した、シャンクは微細鉗子を使用して挿入されました。
    2. オープン開頭に電極の先端を置きます脳定位固定装置のフレームのマニピュレーターを使用して、慎重に。
    3. 測定ガイドとしてマニピュレーターを使用して脳に約 2 mm の電極をゆっくりと下ろします (電極の選択は、によって制御された速度で自動挿入が必要)。可能な限り、目に見える血管を避けるために注意してください。電極は、場所には、慎重にユニバーサル ホルダーからコネクタを外します、挿入腕を撤回します。
    4. 慎重にきれいに綿棒と生理食塩水を用いた電極周りから任意の出血します。
    5. シリコーン ・ エラストマーを用いた注入電極周り開頭術を封印します。
    6. 歯科用セメントを使用して頭蓋骨に電極を修正します。
    7. セメントが完全に乾燥しては、前面と背面セメント headcap と縫合してシャット ダウンに切開部の端を一緒に持参しています。
  4. 手術後のケア
    1. そのバイタル サインを監視しながらパッドを加熱循環水で回復する動物を許可します。ランプの温度はコントロールが難しく、動物がオーバーヒート、熱ランプを使用しないでください。
    2. 動物は完全に目を覚まし、一度は、食料や水に簡単にアクセスと清潔なケージに動物を移動します。
    3. 術後 1-3 日の間に平方セファロスポリン系抗生物質 (25 mg/kg) と感染症を防ぎ、彼らの痛みを管理する非ステロイド性抗炎症 (5 mg/kg) と動物を提供します。
    4. 痛みや不快感、出血、体重変化、または少なくとも術後 5 日目から縫合問題の兆候を毎日動物を監視します。

2. 行動テスト

  1. すべて動作テスト、テスト 2 の動物テスト電極注入手術の手術前の基準スコアを計算する前に週に 1 回。手術の後、テストごとに週 2 x をテストして動作を開始する前に 1 週間の残りの部分に動物を許可します。前と手術後、ストレスが不安の測定される可能性がありますパフォーマンスに及ぼす影響を最小限に抑えるためのテストの研究を通じて使用される一貫性のあるテスト条件。
    1. 初めに塩素ガスによる滅菌剤各動物の前後各テスト セッションのすべてのテスト装置をクリーニングします。
    2. 映画オープン フィールド グリッドとラダーのテストします。これらのテストは、ビデオカメラ (1080 p, 15 fps、ビューの 78 ° 斜めフィールドの最小値) を必要とするラップトップ、およびビデオのデータを格納する部屋。
    3. 各試験日の初めには、テストの部屋に動物を持って来るとテストを開始する前に、少なくとも 20 分間順応させることができます。部屋は光と温度制御をする必要があります、同じ人員をすべてのテスト完了する必要があります。理想的には、同じ部屋は部屋を変更せずにテストのコース全体ですべての動物のために適用されます。
    4. ラダー トレーニング、特に中に、タスクを完了する動物を奨励する使用食糧報酬。穀物やバナナチップやクラッカーの小片は、良い報酬を確認します。
    5. それぞれの個々 の動物 (式 1) の手術前のスコアにすべての週テスト公演を正規化します。
      式 1:Equation 1
  2. フィールド グリッド テストを開く
    注: オープン フィールド グリッド試験は社内に建てられ、約 40 cm 高不透明なそで壁付け 1 m2の実行している表面があります。走行面グリッドの下部は、テープ (図 1A) を使用して下側から等しい正方形 9 に分かれています。カメラの記録は、足場にグリッドの中心の上永久にマウントされます。
    1. オープン フィールド グリッドのテストを開始するには、テスターから離れて直面してグリッドの中心に動物を配置します。
    2. ビデオを記録しながら自由に 3 分間実行する動物を許可します。
    3. 動物のテストが完了すると、グリッドから削除して、動物とケージに戻ります。塩素ガスによる滅菌を徹底的にグリッドをクリーンアップします。
    4. それぞれの動物 1 のテスト テスト初日あたりの倍。
    5. ビデオのトラッキング ソフトウェアを使用して総運動機能の指標として動物の最大速度、総距離目盛線の交差の数を分析します。
      注: ここに示すデータは手動で訓練を受けた研究者が定量化されたが、最近開発された社内を使用することが好ましいアルゴリズム32を追跡します。
  3. ラダーのテスト
    注: はしごテストは社内に建てられ、2 アクリル クリア側壁、長さ、直径 3 mm 段間隔 2 cm 離れて (図 2A) によって接続されている各 1 m で構成されています。はしごテスト熟練したテストは、したがって手術前基準スコアを記録する前に訓練の 1 週間が必要です。訓練のためのプロトコルと同じです。
    1. ラダーのテストを開始する一時的な清潔保持ケージに動物を移動します。
    2. 2 ケージをブリッジするように梯子をセットアップします。きれいなケージにかかっている梯子の始点と終点が実行を完了する動機として機能する動物の家のケージにかかっています。
    3. はしごの中央に三脚の同じ (または類似の) カメラを配置します。カメラの位置がラングの高さで、見られるように全体のはしごできます。
    4. 実行するビデオ カメラ、最初のラングに触れる彼らの前部足をできるように、はしごのスタート ・ ラインに動物を保持します。
    5. 自分のペースではしごを横断する動物を許可します。動物の前足に触れる最初のラング ラングは最後に 3 分でフィニッシュ ラインを横断する動物の時間を決定する瞬間までの経過時間。
    6. 動物の梯子の上回る 20 の期間は移動しませんか s、実行に失敗したと動物をご検討ください。ペナルティ スコアを実行失敗ごとに動物を割り当てます。手術前検査27の間に記録された最も遅いパフォーマンスのペナルティ時間を決定します。
    7. 5 はしごを横断する各動物の許可それぞれの実行の間に約 1 分残りのテストあたり x。
    8. 微細運動機能の指標として 1 日あたり最速 3 実行を平均します。さらに、ビデオのトラッキング ソフトウェアを使用して段に伝票・足前面の各回数を記録します。
      注: ここに示すデータは手動で訓練を受けた研究者が定量化されたが、ドナらを使用して最近開発された社内追跡アルゴリズムを使用することが好ましい32。
  4. グリップ強度試験
    1. 各テストのセッションの前にグリップ強度メーターを調整し、グラムの強さを測定します。
    2. カウンターの端に床わたって延長グリップ ハンドルバーとグリップ強度メーターを配置します。
    3. (図 3A) の尾の根元で動物を押しながら、両方の前足でハンドルをつかむには、動物を許可します。
    4. 動物が各足でしっかりしたグリップと、ゆっくりと着実な力で尾の根元でメーターから動物を引き出します。
    5. グリップ強度計による出力デジタルに表示される動物によって出される最大握力を記録します。
    6. それぞれの動物 3 をテスト各テストの間に約 2 分間の休息のテストあたり x。
    7. 微細運動機能の指標として記録し、3 回の試行のそれぞれから出力最大握力の平均します。

3. 後行動プロトコル

  1. ケタミン (160 mg/kg) を使用して深く動物を麻酔すべて行動実験 (例えば移植後 8-16 週間)、後、キシラジン (20 mg/kg)、transcardially それらを灌流、頭脳とクライオ スライスを収穫、それら組織を染色免疫組織化学的マーカーを使用して、注入33,34,35,36,37,38のサイトの周りの細胞応答を定量化します。

4. 統計解析

注: 将来電力解析は特定の研究の質問に答えるしようとすると、任意の研究を強くお勧め。力の分析は、特定の研究デザインの統計的有意性を達成するために必要な動物の数を通知するは、特定研究仮説、実験、推定効果サイズの可変性の設計に基づく必要があります。目的のトリートメントは、臨床的または科学的な妥当性を達成するために必要な効果のサイズも。

  1. 一般的な統計ソフトウェアを使用して統計分析を行います。
  2. 記述統計を集計し、平均 ± 標準誤差として表示します。
  3. 2 標本の t 検定を使用してグループ対注入コントロールを比較する各週の時点でオープン フィールド グリッド (手順 2.2)、はしご (ステップ 2.3)、およびグリップ強度試験 (ステップ 2.4)] [行動のパフォーマンスを分析します。各週時点の独立した基準を検討してください。
  4. 混合効果線形モデルを使用して縦のパフォーマンスを定量化します。週およびグループの要因は固定、実験動物は、ランダムな効果としてグループ内で入れ子になっています。分散分析 (ANOVA) は、 p < 0.05 の有意水準と効果因子を決定するために使用されます。
  5. 線形回帰分析を使用して immunoglobin G (IgG) 強度とはしごパフォーマンスを比較します。によるピアソンの相関係数を計算します。

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Representative Results

ここで紹介する方法を使って、運動皮質の微小電極注入手術は完了次確立された手順39,40,41,42, オープン フィールド グリッド テストが続く総運動機能とはしごとグリップを評価する良いモーターを評価するテストの強さは27を機能します。運動機能テストは完了した 2 週 16 週コントロールとしてない手術非移植動物と注入の動物の手術後の x。手術後のすべてのスコアは、週平均され、それぞれ個々 の動物の手術前の基準スコアを正規化します。すべてのエラーは、平均 (SEM) の標準エラーとして報告されます。

総体モーター機能測定、ストレス行動するには、動物は 3 分 (図 1A) のオープン フィールド グリッド試験で自由に実行を許されました。グリッド線が交差、総距離および動物によって達成した最大速度の数を含む、このテストからさまざまなメトリックスを記録できます。この以前に報告されたデータは、グリッド線の交差の数は27にされます。回復期間に続く最初の 1 週間 (2 週 timepoint) オープン フィールド グリッド パフォーマンス 2 グループ間で有意差が見られました。しかし、さらに意義研究 (図 1B) の残りの部分はありませんでした。テストの期間をとおして制御と電極を注入した動物と同様に得点され動物の両方のセットで比較的高いパフォーマンスの差異。全体の実験時間をまたいで動物の両方のセットのオープン フィールド グリッドのパフォーマンスを比較するとき意義は認められなかった。動物の 2 つのグループのパフォーマンスに違いがなかったので、この結果は総運動障害や運動野27電極注入によって引き起こされる深刻な制限圧力がないことを示すに解釈されました。データを解釈するときグリッド線の数の減少は、総距離を交差またはすべての動物が達成した最大速度を示すその総運動機能 (表 1) の減少。

協調的把握と微細運動機能を測定するには、動物に参加した水平ラダー テスト (図 2A) はしごと足のスリップの周波数を横断する動物をかかった時間が記録されました。手術後はしご所要時間は、それぞれの個々 の動物の手術前のスコアそれぞれの動物の正規化されました。したがって、正のパーセント値は、はしごとパフォーマンスを向上させるを横断する時間の減少と一致してはしごとパフォーマンスの低下 (図 2B,を横断する時間の増加と一致する負のパーセント値表 1)。

この以前に報告されたデータは、インプラントを受けた対照動物は術後回復相27直後後のテストの最初の週の間に遅く (82.6 ± 26.0%) 時を表示されます。テスト手術後の梯子の第 2 週に始まり、対照動物は、ベースライン パフォーマンス時間を再開し、非常に小さな差異とスコアの基準スコアに匹敵する研究のコース上に維持されます。

皮質内微小電極を受ける動物見たパフォーマンスが低下のすぐ次の手術です。これらの動物は、手術後のテストの最初の週で 199.1 ± 61.4% の彼らのベースラインと比較して時間を渡る高められたはしごを示した。注入された動物は研究の期間のパフォーマンスが低下を表示され、彼らのパフォーマンスを基準スコアを返しませんでした。最悪の場合、注入された動物でパフォーマンスのベースライン パフォーマンスに比べて 526.9 ± 139.4% の平均に 11 週の間に減少しました。さらに、注入された動物は対照群と比較して高い分散を示した。テストの最初の週の間にコントロールと注入された動物の大きな違いはありませんでした。ただし、ベースライン時と比較して変化率に有意差は、研究 (p < 0.05) で後続のすべての週でグループ間見られた (図 2B)。

動物の 2 つのグループの間の右の前足スリップの周波数によって微細運動機能に障害のさらなる証拠を示した。右の前足のパフォーマンスは、電極が前足管理責任の運動野の領域では、脳の左半球に移植されたので特に関心のだった。細心のビデオ解析による足のスリップは記録にとどめていたし、(図 2C) を定量化します。注入された動物が対照群と比較してかなり多くの右の前足スリップを経験したことがわかった左足スリップの頻度に有意差は見られなかった中、(週平均 0.54 ± 0.07 フロント右前足のスリップ、0.32 ± 0.02 正面の平均と比較して注入動物足スリップ制御動物週)。データの解釈、はしごを横断する時間の増加や足のスリップの数の増加は良いモーター機能 (表 1) の低下を示します。

協調的把握と微細運動機能の二次的な対策としては、動物は、動物によって出される最大握力が記録されたグリップ強度試験 (図 3A) を完了しました。個々 の動物の毎週のグリップのスコアは、自分の手術前のベースラインの握力に正規化されました。注入の動物の手術後の握力はだった制御動物のほぼすべての手術後の時点でに比べて格段に低減が見られました。(図 3B)。対照動物の握力が改善手術前テスト、トレーニング効果による可能性が高い。さらに、対照動物の握力だった (p < 0.05) 研究コース全体で基準を大幅に超えて。興味深いことに、注入された動物のグリップ耐力性能大幅復旧フェーズを次のテストの最初の週の基準 (0.01 <p ) よりも悪いが、徐々 に返されましたのベースライン パフォーマンス。注記のうち、動物により最大握力の減少は、微細運動機能 (表 1) の減少を示します。

様々 な組織学的マーカーは、頭脳のインプラントは、神経核、アストロ サイト、血液脳関門の安定性などに近い微小環境を可視化する使用ことができます。ここでは、IgG、通常見られない脳の一般的な血液の蛋白の免疫染色を行った.以前の仕事は、igg 抗体、抗体、血液で発見され、通常脳16,18, その周囲の脳組織の IgG の存在の提示だ血液脳関門の整合性の有用な指標を示しています。43血液脳関門の整合性に関連付けることができます。ここでは、IgG 蛍光強度は背景脳組織と定量化された電極植穴の境界から始まると IgG は組織内に存在しなくなるまで、同心の箱に退去に正規化されました。注入された動物は対照群と比較して 150 μ m の穴を近く IgG 強度の大幅な増加を示した。注入電極の穴から放射距離バック グラウンド強度に徐々 に返される注入された動物の IgG の強さ。、電極を移植されて決して持ってコントロール動物では、血液脳関門にこれらの動物に破損はなく、正規化された IgG 強度を背景強度の上大量に存在しませんでした。

2 つは有意にはしごパフォーマンスと IgG 強度の両方で有意差が見られたので (図 4)。ここでは、それぞれの動物の組織-電極界面から 0-50 μ m から曲線下 IgG 領域の正規化された蛍光強度と相関していた各動物のはしごパフォーマンスの平均研究のコース上。0.90 の相関係数を求めた、微細運動パフォーマンスと血液-脳関門の損傷の間非常に強い相関関係を示します。

Figure 1
図 1.代表的なオープン フィールド テスト結果のグリッド。(A) このパネル (総モーターおよび不安テスト) 用オープン フィールド グリッドの行動テストのセットアップのテストを示しています。オープン フィールド グリッド試験は 1 m2のアクリル シートの高さ、40 cm の 4 つの不透明な壁と約 33 cm の正方形の一番下のセクションで構成されます。パフォーマンスの基準値と比較して、総運動機能パフォーマンス測定グリッド ラインの数によってこのパネル (B) ショーを渡った。コントロールのパフォーマンスに大きな違いが見られた (n = 10) と植え付けられた (n = 17) 手術後 2 週間 (p < 0.05) のグループ。すべてのエラーは、SEM. として報告されます。この図はゴス ヴァーレーらから転載します。性質の出版のグループの許可を得て27 。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2.代表的な梯子テスト結果。(A) このパネル (微細運動機能テスト用) 梯子のため行動テストのセットアップ テストを示しています。はしごは 2 クリア 1 m のアクリルの側面の長さと、高さ 25 cm ステンレス段直径 3 mm の 2 cm 間隔によって結合で構成されています。(B) このパネルは、パフォーマンスの基準値と比較して、はしごを横断する時間によって測定の巧緻動作パフォーマンスを示しています。破線以下の結果は、パフォーマンスの基準値と比較してパフォーマンスが低下を示します。コントロール間のパフォーマンスに差が発見された (n = 10) と植え付けられた (n = 17) 手術後週間 3 16 グループ (* p < 0.05 = * * = p < 0.01) 縦方向全体にわたって研究 (# = < p 0.05)。(C) このパネルは、右前足のスリップの定量化されたインスタンスを示しています。週の右前足のスリップの発生に差が発見されたコントロールおよび注入のグループを比較するとき (* = < p 0.05)。(D) これは足のスリップの例です。すべてのエラーは、SEM. として報告されます。この図はゴス ヴァーレーらから転載します。性質の出版のグループの許可を得て27 。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3.代表的なグリップ強度試験結果。(A) このパネル握力 (微細運動機能テスト) のためのセットアップの行動テストを示しています。グリップ強度計は、グリップ ハンドルに接続されてマウントされた強度計と加重ベースで構成されます。(B) このパネル発揮最大のグリップ力を用いて、微細運動機能パフォーマンスのベースライン パフォーマンスを比較を示しています。破線以下の結果は、パフォーマンスの基準値と比較してパフォーマンスが低下を示します。コントロールとの間に有意差が見られた (n = 5) と植え付けられた (n = 6) ほぼすべて手術後数週間のための動物 (* p < 0.05 = * * = p < 0.01 * * * p < 0.001 =)。対照動物の毎週、ベースライン パフォーマンス間さらに有意差は認め (# = < p 0.05) と注入された動物の毎週、ベースライン パフォーマンス (## p < 0.01)。コントロールと注入された動物大幅に異なる縦全体で実行全体の研究 (@ @@ = < p 0.001)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4.IgG とはしごのパフォーマンスの相関関係します。注入の場所のまわりの正規化された IgG 蛍光強度ははしごパフォーマンスの変化との相関し、0.901 の相関係数 (p < 0.001) が見つかりました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Table 1
表 1.全体を示す代表的な動作データを増やすし、各テスト メトリックの基準スコアと比較してパフォーマンスが低下します。緑色のボックスは低い、運動障害になるパフォーマンスの向上を表し、赤い箱は運動機能障害を可能性があります、パフォーマンスの低下を。

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Discussion

ここで説明されているプロトコルは、齧歯動物の脳損傷モデルにおける罰金と粗大運動障害を効果的に再現性をもって測定に使用されています。さらに、運動皮質の微小電極注入の組織学的転帰に細かい運動行動の相関が可能です。メソッドは、従うことは簡単、安価で、設定して、研究者の個々 のニーズに合わせて変更することができます。さらに、動作テストを発生させない大きなストレスや痛み動物;むしろ、研究者は、動物が運動とテストに付属している報酬を気に入っていたと考えています。以前の研究では、モーター、メモリ、および機能障害44,45大脳皮質運動野の損傷を引き起こす可能性を示唆しています。ただし、この知識は、にもかかわらず、患者の予後に悪影響がある運動野27に、電極の注入によって引き起こされる機能影響の限られた情報があります。

プロトコル、手術の手順と動作テストの両方で変更することができます。このプロトコルは、前足に影響を与える領域で動物の運動皮質の微小電極を移植する手順を説明します。この手順は、簡単に異なる46電気刺激用電極やカニューレ薬配信47、または TBI モデル48を含む損傷の種類など、インプラントに適応できます。オープン フィールド グリッド試験において得点の指標に、試験装置のはしごをさらに変更も可能です。目盛線の交差の数に加えて合計距離と動物により最大速度、時間が停滞していると右と左の回転数は、モータ32の追加のパラメーターとして記録することも.はしごテスト段49を削除または傾斜50にはしごをかけて増やすことができます難易度は、現在のインプラントの著者を見つけられませんでしたこれこのアプリケーションで微細運動障害を引き出す必要が。最後に、ここに示す試験装置がラットで使用される設計されていますが、単位にスケーリングされること上下齧歯動物の様々 な大きさとされます。動物が一貫してテスト前の手術を完了することは問題が発生した場合は、研究から動物を削除する必要があります注意してくださいすることが重要です。

すべて行動テストと同様、研究の過程で可能な限り整合性を維持する重要です。これはテスト結果が異なることが示されている研究者の動物51仕事に基づいて、テストは、場所実行52、および動物住宅と飼育手順53を含む環境要因。さらに、研究では、頭蓋骨を開頭手術手順31と重錘落下モデル54と皮質制御の力学的変化を含む TBI のモデルの中に暖房を経由して脳損傷の生産に大きな変動を示しています。モデル55に影響を与えます。研究者では、手術の手順、テストおよび住宅条件と試験の人材一貫性を維持するために特別な注意を取る必要があります、したがって。

これらの動作は、試験方法の今後の方向性は、テストの詳細な結果を提供するためにここで紹介時に展開が可能します。たとえば、水迷路試験またはローター ロッド テストはさらに運動機能57赤字をそれぞれ総不安56を抽出したり組み込むことができます。また、今後の作業は、脳におけるデバイスの挿入によって引き起こされる組織損傷を抑える狙いもあるかも知れない。この分野で現在作業は抗酸化治療42,58を通じて炎症軽減に焦点を当てた、機械的に準拠したインプラント41,59、60、生得の抑制免疫シグナル伝達経路14,15, とデバイス注入31,61中に血管損傷を軽減させます。

最後に、必ずしも頭脳のインプラントを受け取る典型的な人間の患者の特性を体現して健康、少年、オスのラットを用いた現在の作業が完了したことが考慮されなければなりません。さらに特徴的な疾患モデルに罰金と粗大運動機能タスクの探索研究は成果をここで発表を批准する必要があります。さまざまな疾患モデルに注入され非移植の偽の動物の違いはテスト条件に上記の変更を必要があります。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

本研究は科学者およびエンジニア (PECASE、Capadona) から、アメリカ合衆国 (米国) 退役軍人庁リハビリテーション研究部のレビュー賞 #B1495-R (Capadona) と大統領早いキャリア賞によって一部に支持されたと開発サービス。さらに、この作品は、ピア レビュー医療研究プログラムを通じて賞号下健康担当アシスタント長官の防衛のオフィスによって部分で支えられましたW81XWH-15-1-0608。内容は、米国退役軍人局やアメリカ合衆国政府の見解を表していません。著者らは、設計および齧歯動物の行動プロトコルをテストに彼の指導のため CWRU 齧歯動物の動作コアの荒川博之を感謝したいです。著者も感謝したいジェームズ ・ ドレイクとケビン タルボット CWRU 機械科・航空宇宙工学から設計および製造齧歯動物のラダーのテストで彼らの助けのため。

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

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References

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バイオ エンジニア リング、問題 138、動作、ラット、医原性損傷、脳の外傷、脳外傷、はしご、オープン フィールド グリッド、握力
ラット皮質運動野の微小電極注入による機能的障害を評価するためにテスト行動の齧歯動物
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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).

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