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Bioengineering

설치류 쥐 모터 피 질에서 Microelectrode 주입으로 인 한 기능적 적자를 평가 하기 위해 테스트 행동

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

우리는 쥐의 모터 피 질에서 microelectrode 주입 하면 즉각적이 고 지속적인 모터 적자는 나타났습니다. Microelectrode 이식 수술 및 3 설치류 행동 작업 모터 피 질에 주입 한 손상 때문에 또는 총 모터 기능에 잠재적인 변화를 명료 하 게 하는 방법 여기 개요 제안.

Abstract

뇌에 이식 하는 의료 기기는 엄청난 잠재력을 만요. 두뇌 기계 인터페이스 (BMI) 시스템의 일환으로, intracortical microelectrodes 신경의 개인 또는 작은 그룹에서 활동 전위를 기록 하는 기능을 보여 줍니다. 이러한 기록 된 신호를 환자를 허용 하거나 컴퓨터, 로봇 팔 다리, 그리고 그들의 자신의 사지를 제어 성공적으로 사용 되었습니다. 그러나, 이전 동물 연구는 두뇌에 있는 microelectrode 주입 주변 조직 손상 뿐만 아니라 기능적인 적자 발생 시킬 수 있습니다 나타났습니다. 여기, 우리는 일련의 행동 테스트 intracortical microelectrodes 이식 쥐의 모터 피 질에 따라 잠재적인 모터 장애 척도를 논의. 오픈 필드 그리드, 사다리 교차점, 및 그립 강도 테스트 메서드 microelectrode 이식에서 발생 하는 잠재적인 합병증에 관한 귀중 한 정보를 제공 합니다. 행동 테스트의 결과 병 적인 결과 인접 한 조직에서이 절차의 영향에 추가 정보를 제공 하는 끝점 조직학와 상관 된다.

Introduction

원래 intracortical microelectrodes 지도, 두뇌의 회로 그리고 기능 출력1을 생산 하기 위해 사용 될 수 있는 모터 의도의 탐지를 가능 하 게 하는 유용한 도구도 개발에 사용 되었다. 감지 기능 출력 제어 로봇 또는 컴퓨터 커서2,3 의 척수 상해, 뇌성 마비, 루 경화 증 (ALS), 또는 다른 운동 제한 조건에서 고통 개인을 제공할 수 있습니다. 4,,56, 팔 또는 그들의 자신의 장애 사지7기능을 복원 합니다. 따라서, intracortical microelectrode 기술 유망 하 고 신속 하 게 성장 하는 분야8로 떠오르고 있다.

때문에 분야에 성공, 임상 연구 진행 향상 BMI 기술5,,910의 가능성을 이해 하는. 뇌의 신경 세포와의 커뮤니케이션의 모든 잠재력을 실현 하 여 재활 응용 프로그램은 무한 한8로 인식 됩니다. Intracortical microelectrode 기술의 미래에 대 한 좋은 낙관론은, 비록 그것은 또한 유명한 microelectrodes 결국11, 이식 다음 급성 neuroinflammatory 응답으로 인해 실패. 두뇌에 있는 외국 물자의 주입 즉시 손상 주변 조직에 발생 하 고 이식12의 속성에 따라 달라 집니다 neuroinflammatory 응답으로 인 한 추가 피해를 연결. 더하여, 두뇌에 있는 임 플 란 트 microlesion 효과 발생할 수 있습니다: 포도 당 대사 감소 급성 부 종 및 출혈 때문에 장치 삽입13에 의해 발생할 수 생각. 또한, 신호 품질 및 유용한 신호는 기록 될 수 있는 시간의 길이 동물 모델11,14,,1516에 일치 하지 않습니다. 여러 연구 결과 neuroinflammation와 microelectrode 성능17,,1819사이 연결을 설명 했다. 따라서, 공동체의 일치 microelectrodes, 주변 신경 조직의 염증 반응 적어도 부분적으로, 전극 신뢰성 타협 이다.

많은 연구 조사 지역의 염증11,20,,2122 또는 삽입11,23, 으로 인 한 뇌 손상을 줄이기 위해 방법을 탐험 24,25시간14,26동안 녹음 성능 개선의 목표. 또한, 우리는 최근 쥐의 모터 피 질에서 microelectrode 삽입으로 인 한 의원 성 상해는 즉각적이 고 지속적인 좋은 모터 적자27발생 표시는. 따라서, 여기에 제시 된 프로토콜의 목적은 주고 연구자 주입 및 intracortical 장치의 영구 존재 하는 뇌 외상 결과로 가능한 모터 적자를 평가 하기 위해 양적 방법 (microelectrodes에는 이 원고의 경우)입니다. 여기 설명 하는 동작 테스트 모두 그로스와 잘 모터 기능 장애, 애타게 하도록 설계 되었습니다 그리고 뇌 손상의 많은 모델에서 사용할 수 있습니다. 이러한 방법 간단, 재현성, 및 설치류 모델에서 쉽게 구현 될 수 있습니다. 또한, 여기에 제시 된 방법 조직학 결과 모터 동작의 상관 관계에 대 한 혜택을까지 최근, 저자 안 본 BMI 필드에 게시 된 수 있습니다. 마지막으로,이 방법 괜 찮 모터 기능28, 총 모터 기능29, 그리고 스트레스와 불안 행동29,30, 테스트 하도록 설계 되었습니다으로 여기에 제시 된 방법을 구현할 수도 있습니다에 연구원은 밖으로 (또는)을 지배 하 고 머리 부상 모델의 다양 한 모든 모터 함수 적자.

Protocol

모든 절차 및 동물 관리 관행에 의해 승인 되었고 루이 스톡 클리블랜드 학과의 재향 군인 담당 센터 기관 동물 의료 및 사용 위원회 수행. 참고: 컨트롤 자상 부상 모델의 사용에 대 한 결정에 연구원 교육, 것이 좋습니다 외. 포터 의해 수행 하는 작업을 검토 하 21. 1. microelectrode 이식 수술 미리 수술 동물 준비…

Representative Results

여기에 제시 하는 방법을 사용 하 여, 모터 피 질에서 microelectrode 이식 수술은 완료 된 다음 설립된 절차39,40,41,42, 오픈 필드 그리드 테스트 하 여 다음 총 모터 기능 및 사다리 그립을 평가 강도 정밀한 모터를 평가 하기 위해 테스트 기능27. 모터 기능 테스트?…

Discussion

여기에 설명 된 프로토콜을 효과적으로 그리고 reproducibly 측정 벌금과 총 모터 적자의 설치류 뇌 손상 모델에서 사용 되었습니다. 또한, 모터 피 질에서 microelectrode 주입 다음 조직학 결과 괜 찮 모터 동작의 상관 관계에 대 한 수 있습니다. 메서드는 따라 하기 쉽고, 설정, 저렴 하 고 연구원의 개별 요구에 맞게 수정할 수 있습니다. 또한, 동작 테스트 발생 하지 않습니다 큰 스트레스 나 통증 동물; …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구 지원 부분에서 장점을 검토 수상 #B1495-R (Capadona)과 대통령 이른 경력 포상에 의해 과학자와 엔지니어 (PECASE, Capadona)에서 미국 (미국) 학과의 재향 군인 담당 재활 연구 및 개발 서비스입니다. 또한,이 작품 일부 사무실의 길잡이 국방 장관의 피어 검토 의료 연구에서 프로그램 수상 번호를 통해 건강 문제에 의해 지원 되었다 W81XWH-15-1-0608입니다. 내용을 미국 재향 군인 담당 부서 또는 미국 정부의 의견을 대표 하지 않는다. 저자 박사 히로유키 아라카와 CWRU 쥐 행동 코어 설계 및 테스트 설치류 행동 프로토콜에 대 한 그의 감사 하 고 싶습니다. 저자 또한 제임스 드레이 크와 케빈 탤벗 CWRU 부 기계 및 항공 우주 공학에서 설계 하 고 제조 설치류 사다리 테스트에 그들의 도움에 감사 하 고 싶습니다.

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
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References

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