低成本脑电图记录系统结合毫米级线圈，在体内经颅刺激小鼠大脑
Summary
提出了一种低成本的脑电图记录系统，结合毫米尺寸的线圈来驱动体内 小鼠大脑的经颅磁刺激。使用具有定制、柔性、多电极阵列基板的传统螺旋电极，可以从小鼠大脑响应经颅磁刺激进行多位点记录。
Abstract
这里提出了一种低成本的脑电图（EEG）记录系统，利用毫米大小的线圈 驱动 体内小鼠大脑的经颅磁刺激（TMS）。使用传统的螺旋电极与定制的、灵活的多电极阵列基板相结合，可以从小鼠大脑进行多位点记录。此外，我们还解释了如何使用实验室中常见的低成本设备生产毫米尺寸的线圈。还介绍了制造柔性多电极阵列基板的实用程序和螺杆电极的手术植入技术，这是产生低噪声脑电信号所必需的。尽管该方法对于从任何小动物的大脑中记录是有用的，但本报告侧重于麻醉小鼠头骨中的电极实施。此外，这种方法可以很容易地扩展到清醒的小动物，它通过公共适配器 与 系留电缆连接，并在录制过程中用TMS设备固定在头部。描述了当前版本的EEG-TMS系统，其最多可以包括32个EEG通道（具有16个通道的设备作为具有较少通道的示例）和一个TMS通道设备。此外，简要报告了通过将EEG-TMS系统应用于麻醉小鼠获得的典型结果。
Introduction
经颅磁刺激（TMS）因其非/低侵入性而成为人脑科学，临床应用和动物模型研究的有前途的工具。在TMS应用的早期阶段，人类和动物对单脉冲和配对脉冲TMS的皮质效应的测量仅限于运动皮层;易于测量的输出仅限于涉及运动皮层的运动诱发电位和感应肌电位1,2。为了扩展可以通过TMS调制测量的大脑区域，将脑电图（EEG）记录与单脉冲和配对脉冲TMS集成在一起，作为直接检查整个大脑区域的兴奋性，连通性和时空动力学的有用方法3,4,5。因此，同时将TMS和脑电图记录（TMS-EEG）应用于大脑已被用于探测人类和动物的各种浅表皮质大脑区域，以研究皮层内神经回路（见Tremblay等人6）。此外，TMS-EEG系统可用于检查其他皮质时空特征，包括信号传播到其他皮质区域和振荡活动的产生7,8。
然而，由于TMS的非侵入性，TMS在大脑中的作用机制仍然是推测性的，这限制了我们对TMS应用期间大脑功能的知识。因此，从啮齿动物到人类的动物的侵入性转化研究对于了解TMS对神经回路及其活性的影响机制至关重要。特别是，对于动物的TMS-EEG组合实验，尚未为小动物密集开发同步刺激和测量系统。因此，实验者需要根据其特定的实验要求，通过试错来构建这样的系统。此外，小鼠模型在其他 体内 动物物种模型中是有用的，因为许多转基因和品系分离的小鼠品系可作为生物资源使用。因此，对于许多神经科学研究人员来说，为小鼠构建TMS-EEG组合测量系统的便捷方法是可取的。
本研究提出了一种TMS-EEG组合方法，可用于同时刺激和记录小鼠大脑，小鼠大脑是研究中使用的主要转基因动物类型，可以在典型的神经科学实验室中轻松构建。首先，描述了使用常规螺旋电极和柔性基板的低成本脑电图记录系统，以在每个实验中可重复地分配电极阵列位置。其次，磁刺激系统是使用毫米尺寸的线圈构建的，可以在典型的实验室中轻松定制。第三，TMS-EEG组合系统记录对声音和磁刺激的神经活动。本研究中提出的方法可以揭示在小动物中产生特定疾病的机制，并且可以翻译在动物模型中获得的结果以了解相应的人类疾病。
Protocol
Representative Results
Discussion
这项研究涉及多点脑电图记录系统与为小动物（包括小鼠）设计的磁刺激系统相结合。构建的系统成本低，易于在生理实验室中构建，并且可以扩展其现有的测量设置。如果这些实验室以前有标准电生理实验的经验，那么从小鼠记录系统获取数据所需的外科手术非常简单。
使用这种方法的一个优点是电极放置在单个动物的头部和头皮上的良好可重复性。用于将螺旋电极分配?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了村田科学基金会、铃轩纪念基金会、中谷生物医学工程测量技术促进基金会以及探索性研究（批准号21K19755，日本）和科学研究（B）（批准号23H03416，日本）的资助。
Materials
| 3D printer | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | FFD-101 | The printer used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| ATROPINE SULFATE 0.5 mg | NIPRO ES PHARMA CO., LTD. | – | Atropine sulfate |
| Bipolar amplifier | NF Corp. | KIT61380 | For amplifying waveforms for coil input |
| Butorphanol | Meiji Seika Pharma Co., Ltd., Tokyo, Japan |
– | For anathesis of animals |
| Commercial manufacturer of flexible 2D array | p-ban.com Corp. | – | URL: https://www.p-ban.com/ |
| Computer prograom to analyze output signals | Natinal Instruments | NI-DAQ and NI-DAQmx Python | To analyze output signals from the hall-effect sensor |
| Connector | Harwin Inc. | G125-FV12005L0P | For connector to conect to the measuring system |
| Copper pad | p-ban.com Corp. | copper | Copper pad on each substrate |
| Copper wire | Kyowa Harmonet Ltd. | P644432 | The windings of the coil |
| DAQ board | National Instruments Corp. | USB-6343 | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| Dental cement | SHOFU INC. | Quick Resin | Self-Curing Orthodontic Resin |
| ECoG electrode | NeuroNexus Inc. | HC32 | For reference to design of the flexible 2D array |
| Epoxy resin | Konishi Co. Ltd. | #16123 | For coil construction |
| Ethyl Carbamate | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 050-05821 | For urethan anesthesia |
| Flat ribbon cable | Oki Electric Cable Co., Ltd. | FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m | For cable to connect between surface-mount connector and measuring sysytem |
| flexible substrate | p-ban.com Corp. | polyimide | Baseplate of flexible substrate |
| Function generator | NF Corp. | WF1947 | For generating waveforms for coil input |
| Hall-effect sensor | Honeywell International Inc. | SS94A2D | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| IDC crimping tool | Pro'sKit Industries Co. | 6PK-214 | To crimp the IDC and one end of the flat ribbon cable; Flat cable connector crimping tool |
| Instant glue | Konishi Co. Ltd. | #04612 | For coil construction |
| Insulation-displacement connector (IDC ) | Uxcell Japan | B07GDDG3XG | 2 × 10 pins and a 1.27 mm pitch |
| LCR meter | NF Corp. | ZM2376 | For measuring the AC properties of the coil |
| Manipulator | NARISHIGE Group. | SM-15L | For manipulating the coil |
| Medetomidine | Kobayashi Kako, Fukui, Japan | – | For anathesis of animals |
| Midazolam | Astellas Pharma, Tokyo, Japan | – | For anathesis of animals |
| Miniature screw | KOFUSEIBYO Co., Ltd. | S0.6*1.5 | For EEG-senseing and reference electrode |
| Mouse | Japan SLC, Inc. | C57BL/6J (C57BL/6JJmsSlc) | Experimental animal |
| Permalloy-45 rod | The Nilaco Corp. | 780544 | The core of the coil |
| Recording system | Plexon Inc. | OmniPlex | For EEG data acquisition |
| Stainless wire | Wakisangyo Co., Ltd. | HW-136 | For grasp by manipulator |
| Stereotaxic apparatus | NARISHIGE Group. | SR-5M-HT | To fix a mouse head |
| Surface-mount connector | Useconn Electronics Ltd. | PH127-2x10MG | For connector to mount on the flexible 2D array |
| Testing equipment (LCR meter) | NF Corp. | ZM2372 | Contact check and impedance measurements |
| White PLA filament | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | PLA-F13 | The material used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| Xylocaine Jelly 2% | Sandoz Pharma Co., Ltd. | – | lidocaine hydrochloride |
References
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