Sistema de registro electroencefalográfico de bajo costo combinado con una bobina de tamaño milimétrico para estimular transcranealmente el cerebro del ratón in vivo
Summary
Se propone un sistema de registro electroencefalográfico de bajo costo combinado con una bobina de tamaño milimétrico para impulsar la estimulación magnética transcraneal del cerebro del ratón in vivo. Utilizando electrodos de tornillo convencionales con un sustrato de matriz de múltiples electrodos flexible hecho a medida, se puede llevar a cabo la grabación multisitio desde el cerebro del ratón en respuesta a la estimulación magnética transcraneal.
Abstract
Aquí se propone un sistema de registro electroencefalográfico (EEG) de bajo costo para impulsar la estimulación magnética transcraneal (TMS) del cerebro del ratón in vivo, utilizando una bobina de tamaño milimétrico. Utilizando electrodos de tornillo convencionales combinados con un sustrato de matriz de múltiples electrodos flexible hecho a medida, se puede llevar a cabo la grabación de múltiples sitios desde el cerebro del ratón. Además, explicamos cómo se produce una bobina de tamaño milimétrico utilizando equipos de bajo costo que generalmente se encuentran en los laboratorios. También se presentan procedimientos prácticos para fabricar el sustrato flexible de matriz multielectrodo y la técnica de implantación quirúrgica para electrodos de tornillo, que son necesarios para producir señales de EEG de bajo ruido. Aunque la metodología es útil para registrar desde el cerebro de cualquier animal pequeño, el presente informe se centra en la aplicación de electrodos en un cráneo de ratón anestesiado. Además, este método se puede extender fácilmente a un animal pequeño despierto que está conectado con cables atados a través de un adaptador común y fijado con un dispositivo TMS a la cabeza durante la grabación. Se describe la versión actual del sistema EEG-TMS, que puede incluir un máximo de 32 canales EEG (un dispositivo con 16 canales se presenta como un ejemplo con menos canales) y un dispositivo de canal TMS. Además, se informan brevemente los resultados típicos obtenidos por la aplicación del sistema EEG-TMS a ratones anestesiados.
Introduction
La estimulación magnética transcraneal (EMT) es una herramienta prometedora para la ciencia del cerebro humano, la aplicación clínica y la investigación de modelos animales debido a su no / baja invasividad. Durante la etapa temprana de las aplicaciones de TMS, la medición del efecto cortical en respuesta a TMS de pulso simple y pareado en humanos y animales se restringió a la corteza motora; La salida fácilmente medible se limitó a potenciales evocados motores y potenciales mioeléctricos inducidos que involucran la corteza motora 1,2. Para expandir las regiones cerebrales que pueden ser medidas por modulación TMS, el registro electroencefalográfico (EEG) se integró con TMS de pulso simple y pareado como un método útil para examinar directamente la excitabilidad, conectividad y dinámica espaciotemporal de áreas en todo el cerebro 3,4,5. Por lo tanto, la aplicación simultánea de TMS y registro de EEG (TMS-EEG) al cerebro se ha utilizado para sondear varias áreas superficiales del cerebro cortical de humanos y animales para investigar los circuitos neuronales intracorticales (ver Tremblay et al.6). Además, los sistemas TMS-EEG pueden ser utilizados para examinar características espaciotemporales corticales adicionales, incluyendo la propagación de señales a otras áreas corticales y la generación de actividad oscilatoria 7,8.
Sin embargo, el mecanismo de acción de TMS en el cerebro sigue siendo especulativo debido a la no invasividad de TMS, lo que limita nuestro conocimiento de cómo funciona el cerebro durante las aplicaciones de TMS. Por lo tanto, los estudios traslacionales invasivos en animales que van desde roedores hasta humanos son de crucial importancia para comprender el mecanismo de los efectos de TMS en los circuitos neuronales y su actividad. En particular, para experimentos combinados TMS-EEG en animales, no se ha desarrollado intensivamente un sistema simultáneo de estimulación y medición para animales pequeños. Por lo tanto, se requiere que los experimentalistas construyan dicho sistema por ensayo y error de acuerdo con sus requisitos experimentales específicos. Además, los modelos de ratón son útiles entre otros modelos de especies animales in vivo porque muchas cepas de ratones transgénicos y aislados están disponibles como recursos biológicos. Por lo tanto, un método conveniente para construir un sistema de medición combinado TMS-EEG para ratones sería deseable para muchos investigadores de neurociencia.
Este estudio propone un método combinado TMS-EEG que se puede aplicar para la estimulación y el registro simultáneos del cerebro del ratón, que es el principal tipo de animal transgénico utilizado en la investigación, y que se puede construir fácilmente en laboratorios típicos de neurociencia. Primero, se describe un sistema de registro de EEG de bajo costo utilizando electrodos de tornillo convencionales y un sustrato flexible para asignar de manera reproducible una posición de matriz de electrodos en cada experimento. En segundo lugar, un sistema de estimulación magnética se construye utilizando una bobina de tamaño milimétrico, que se puede hacer fácilmente a medida en laboratorios típicos. En tercer lugar, el sistema combinado TMS-EEG registra la actividad neuronal en respuesta al sonido y la estimulación magnética. El método presentado en este estudio puede revelar los mecanismos que generan trastornos específicos en animales pequeños, y los resultados obtenidos en los modelos animales se pueden traducir para comprender los trastornos humanos correspondientes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este estudio aborda un sistema de registro de EEG multisitio combinado con un sistema de estimulación magnética diseñado para animales pequeños, incluidos ratones. El sistema construido es de bajo costo y fácil de construir en laboratorios fisiológicos, y puede ampliar sus configuraciones de medición existentes. El procedimiento quirúrgico necesario para obtener datos del sistema de registro del ratón es profundamente simple si dichos laboratorios tienen experiencia previa con experimentos electrofisiológicos e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Ciencias Murata, la Fundación Suzuken Memorial, la Fundación Nakatani para el Avance de las Tecnologías de Medición en Ingeniería Biomédica, y una Subvención de Ayuda para Investigación Exploratoria (número de subvención 21K19755, Japón) y para Investigación Científica (B) (número de subvención 23H03416, Japón) a T.T.
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).
