Billig elektroencefalografisk opptakssystem kombinert med en millimeterstor spole for å transkranielt stimulere musehjernen in vivo
Summary
Et billig elektroencefalografisk opptakssystem kombinert med en millimeterstor spole foreslås for å drive transkraniell magnetisk stimulering av musehjernen in vivo. Ved hjelp av konvensjonelle skrueelektroder med et skreddersydd, fleksibelt, multielektrode array-substrat, kan multi-site opptak utføres fra musehjernen som respons på transkraniell magnetisk stimulering.
Abstract
Et billig elektroencefalografisk (EEG) opptakssystem foreslås her for å drive transkraniell magnetisk stimulering (TMS) av musehjernen in vivo, ved hjelp av en millimeterstor spole. Ved hjelp av konvensjonelle skrueelektroder kombinert med et spesiallaget, fleksibelt, multielektrode array-substrat, kan multi-site opptak utføres fra musehjernen. I tillegg forklarer vi hvordan en millimeterstor spole produseres ved hjelp av billig utstyr som vanligvis finnes i laboratorier. Praktiske prosedyrer for fremstilling av det fleksible multielektrode-array-substratet og den kirurgiske implantasjonsteknikken for skrueelektroder blir også presentert, som er nødvendige for å produsere støysvake EEG-signaler. Selv om metodikken er nyttig for opptak fra hjernen til ethvert lite dyr, fokuserer denne rapporten på elektrodeimplementering i en bedøvet museskalle. Videre kan denne metoden enkelt utvides til et våkent lite dyr som er koblet til bundet kabler via en vanlig adapter og festet med en TMS-enhet til hodet under opptak. Den nåværende versjonen av EEG-TMS-systemet, som kan inkludere maksimalt 32 EEG-kanaler (en enhet med 16 kanaler presenteres som et eksempel med færre kanaler) og en TMS-kanalenhet, er beskrevet. I tillegg rapporteres typiske resultater oppnådd ved anvendelse av EEG-TMS-systemet på bedøvede mus.
Introduction
Transcranial magnetisk stimulering (TMS) er et lovende verktøy for menneskelig hjernevitenskap, klinisk anvendelse og dyremodellforskning på grunn av sin ikke-/ lave invasivitet. I det tidlige stadiet av TMS-applikasjoner var måling av den kortikale effekten som respons på enkelt- og parpuls TMS hos mennesker og dyr begrenset til motorbarken; Lett målbar output var begrenset til motoriske fremkalte potensialer og induserte myoelektriske potensialer som involverte den motoriske cortex 1,2. For å utvide hjernegruppene som kan måles ved TMS-modulasjon, ble elektroencefalografisk (EEG) opptak integrert med enkelt- og parpuls TMS som en nyttig metode for direkte å undersøke eksitabilitet, tilkobling og spatiotemporal dynamikk av områder gjennom hele hjernen 3,4,5. Dermed har samtidig anvendelse av TMS og EEG-opptak (TMS-EEG) til hjernen blitt brukt til å undersøke ulike overfladiske kortikale hjerneområder hos mennesker og dyr for å undersøke intrakortikale nevrale kretser (se Tremblay et al.6). Videre kan TMS-EEG-systemer brukes til å undersøke ytterligere kortikale spatiotemporale egenskaper, inkludert forplantning av signaler til andre kortikale områder og generering av oscillatorisk aktivitet 7,8.
Imidlertid forblir virkningsmekanismen for TMS i hjernen spekulativ på grunn av den ikke-invasive effekten av TMS, noe som begrenser vår kunnskap om hvordan hjernen fungerer under TMS-applikasjoner. Derfor er invasive translasjonsstudier hos dyr som spenner fra gnagere til mennesker av avgjørende betydning for å forstå mekanismen for effekten av TMS på nevrale kretser og deres aktivitet. Spesielt for kombinerte TMS-EEG-eksperimenter på dyr er det ikke utviklet et samtidig stimulerings- og målesystem for små dyr. Derfor er eksperimentalister pålagt å konstruere et slikt system ved prøving og feiling i henhold til deres spesifikke eksperimentelle krav. I tillegg er musemodeller nyttige blant andre in vivo dyreartsmodeller fordi mange transgene og stammeisolerte musestammer er tilgjengelige som biologiske ressurser. Dermed vil en praktisk metode for å bygge et TMS-EEG-kombinert målesystem for mus være ønskelig for mange nevrovitenskapsforskere.
Denne studien foreslår en TMS-EEG-kombinert metode som kan brukes til samtidig stimulering og registrering av musehjernen, som er den viktigste typen transgene dyr som brukes i forskning, og som lett kan konstrueres i typiske nevrovitenskapslaboratorier. Først beskrives et billig EEG-opptakssystem ved hjelp av konvensjonelle skrueelektroder og et fleksibelt substrat for reproduserbart å tildele en elektrode-array-posisjon i hvert eksperiment. For det andre konstrueres et magnetisk stimuleringssystem ved hjelp av en millimeterstor spole, som lett kan skreddersys i typiske laboratorier. For det tredje registrerer TMS-EEG-kombinert system nevral aktivitet som respons på lyd og magnetisk stimulering. Metoden som presenteres i denne studien kan avsløre mekanismene som genererer spesifikke lidelser hos små dyr, og resultatene oppnådd i dyremodellene kan oversettes for å forstå de tilsvarende menneskelige lidelsene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne studien tar for seg et multi-site EEG-opptakssystem kombinert med et magnetisk stimuleringssystem designet for små dyr, inkludert mus. Det konstruerte systemet er billig og enkelt konstruert i fysiologiske laboratorier, og kan utvide sine eksisterende måleoppsett. Den kirurgiske prosedyren som er nødvendig for å skaffe data fra museopptakssystemet, er svært enkel hvis slike laboratorier har tidligere erfaring med standard elektrofysiologiske eksperimenter.
En fordel ved å bruke den…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Murata Science Foundation, Suzuken Memorial Foundation, Nakatani Foundation for Advancement of Measuring Technologies in Biomedical Engineering, og et stipend i hjelp for utforskende forskning (stipendnummer 21K19755, Japan) og for vitenskapelig forskning (B) (stipendnummer 23H03416, Japan) til TT
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
- Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
- Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
- Thut, G., Pascual-Leone, A. Integrating TMS with EEG: How and what for. Brain Topography. 22 (4), 215-218 (2010).
- Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topograpy. 22 (4), 233-248 (2010).
- Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Radhu, N., Fitzgerald, P. B. Combined transcranial magnetic stimulation and electroencephalography: its past, present and future. Brain Research. 1463, 93-107 (2012).
- Tremblay, S., et al. Clinical utility and prospective of TMS-EEG. Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).
- Pellicciari, M. C., Veniero, D., Miniussi, C. Characterizing the cortical oscillatory response to TMS pulse. Frontiers in Cellular Neuroscience. 11, 38 (2017).
- Lin, Y. J., Shukla, L., Dugue, L., Valero-Cabre, A., Carrasco, M. Transcranial magnetic stimulation entrains alpha oscillatory activity in occipital cortex. Scientific Reports. 11 (1), 18562 (2021).
- Takahashi, S., et al. Laminar responses in the auditory cortex using a multielectrode array substrate for simultaneous stimulation and recording. IEEJ Transactions Electrical and Electronic Engineering. 14 (2), 303-311 (2019).
- Yoshikawa, T., Higuchi, H., Furukawa, R., Tateno, T. Temporal and spatial profiles of evoked activity induced by magnetic stimulation using millimeter-sized coils in the mouse auditory cortex in vivo. Brain Research. 1796, 148092 (2022).
- Tang, A. D., et al. Construction and evaluation of rodent-specific rTMS coils. Frontiers in Neural Circuits. 10, 47 (2016).
- Li, L. Controlling annealing and magnetic treatment parameters to achieve high permeabilities in 55 Ni-Fe toroid cores. IEEE Transactions on Magnetics. 37 (4), 2315-2317 (2001).
