Lågt elektriskt elektroencefalografiskt inspelningssystem kombinerat med en millimeterstor spole för att transkraniellt stimulera mushjärnan in vivo
Summary
Ett billigt elektroencefalografiskt registreringssystem kombinerat med en millimeterstor spole föreslås för att driva transkraniell magnetisk stimulering av mushjärnan in vivo. Med hjälp av konventionella skruvelektroder med ett skräddarsytt, flexibelt multielektrodmatrissubstrat kan inspelning på flera platser utföras från mushjärnan som svar på transkraniell magnetisk stimulering.
Abstract
Ett billigt elektroencefalografiskt (EEG) inspelningssystem föreslås här för att driva transkraniell magnetisk stimulering (TMS) av mushjärnan in vivo, med hjälp av en millimeterstor spole. Med hjälp av konventionella skruvelektroder i kombination med ett skräddarsytt, flexibelt multielektrodmatrissubstrat kan inspelning på flera platser utföras från mushjärnan. Dessutom förklarar vi hur en millimeterstor spole produceras med hjälp av billig utrustning som vanligtvis finns i laboratorier. Praktiska procedurer för tillverkning av det flexibla multielektrodmatrissubstratet och den kirurgiska implantationstekniken för skruvelektroder presenteras också, vilka är nödvändiga för att producera EEG-signaler med lågt brus. Även om metoden är användbar för inspelning från hjärnan hos alla små djur, fokuserar denna rapport på elektrodimplementering i en bedövad musskalle. Dessutom kan denna metod enkelt utvidgas till ett vaket litet djur som är anslutet med bundna kablar via en gemensam adapter och fixeras med en TMS-enhet till huvudet under inspelning. Den nuvarande versionen av EEG-TMS-systemet, som kan innehålla maximalt 32 EEG-kanaler (en enhet med 16 kanaler presenteras som ett exempel med färre kanaler) och en TMS-kanalenhet, beskrivs. Dessutom rapporteras kortfattat typiska resultat som erhållits genom applicering av EEG-TMS-systemet på bedövade möss.
Introduction
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är ett lovande verktyg för mänsklig hjärnvetenskap, klinisk tillämpning och djurmodellforskning på grund av dess icke-/låga invasivitet. Under det tidiga stadiet av TMS-applikationer begränsades mätningen av den kortikala effekten som svar på TMS med en och parad puls hos människor och djur till motorcortex; Lätt mätbar effekt begränsades till motoriska framkallade potentialer och inducerade myoelektriska potentialer som involverade motorcortex 1,2. För att expandera hjärnregionerna som kan mätas med TMS-modulering integrerades elektroencefalografisk (EEG) inspelning med TMS med enkel- och parad puls som en användbar metod för att direkt undersöka excitabilitet, anslutning och spatiotemporal dynamik i områden i hela hjärnan 3,4,5. Således har samtidig applicering av TMS- och EEG-inspelning (TMS-EEG) på hjärnan använts för att undersöka olika ytliga kortikala hjärnområden hos människor och djur för att undersöka intrakortikala neurala kretsar (se Tremblay et al.6). Dessutom kan TMS-EEG-system användas för att undersöka ytterligare kortikala spatiotemporala egenskaper, inklusive utbredning av signaler till andra kortikala områden och generering av oscillerande aktivitet 7,8.
Verkningsmekanismen för TMS i hjärnan förblir dock spekulativ på grund av TMS icke-invasivitet, vilket begränsar vår kunskap om hur hjärnan fungerar under TMS-applikationer. Därför är invasiva translationella studier på djur som sträcker sig från gnagare till människor av avgörande betydelse för att förstå mekanismen för effekterna av TMS på neurala kretsar och deras aktivitet. I synnerhet för kombinerade TMS-EEG-experiment på djur har ett simultant stimulerings- och mätsystem inte utvecklats intensivt för små djur. Därför krävs experimentalister för att konstruera ett sådant system genom försök och fel enligt deras specifika experimentella krav. Dessutom är musmodeller användbara bland andra in vivo-djurartsmodeller eftersom många transgena och stamisolerade musstammar är tillgängliga som biologiska resurser. Således skulle en bekväm metod för att bygga ett TMS-EEG-kombinerat mätsystem för möss vara önskvärt för många neurovetenskapsforskare.
Denna studie föreslår en TMS-EEG-kombinerad metod som kan tillämpas för samtidig stimulering och inspelning av mushjärnan, som är den huvudsakliga typen av transgena djur som används i forskning, och som lätt kan konstrueras i typiska neurovetenskapliga laboratorier. Först beskrivs ett billigt EEG-inspelningssystem med konventionella skruvelektroder och ett flexibelt substrat för att reproducerbart tilldela en elektrodarrayposition i varje experiment. För det andra konstrueras ett magnetiskt stimuleringssystem med hjälp av en millimeterstor spole, som lätt kan skräddarsys i typiska laboratorier. För det tredje registrerar det TMS-EEG-kombinerade systemet neural aktivitet som svar på ljud och magnetisk stimulering. Metoden som presenteras i denna studie kan avslöja de mekanismer som genererar specifika störningar hos små djur, och resultaten som erhållits i djurmodellerna kan översättas för att förstå motsvarande mänskliga störningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie behandlar ett EEG-registreringssystem med flera platser kombinerat med ett magnetiskt stimuleringssystem utformat för små djur, inklusive möss. Det konstruerade systemet är billigt och enkelt konstruerat i fysiologiska laboratorier och kan utöka sina befintliga mätinställningar. Det kirurgiska ingrepp som krävs för att erhålla data från musinspelningssystemet är mycket enkelt om sådana laboratorier har tidigare erfarenhet av vanliga elektrofysiologiska experiment.
En …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Murata Science Foundation, Suzuken Memorial Foundation, Nakatani Foundation for Advancement of Measuring Technologies in Biomedical Engineering och ett bidrag för undersökande forskning (bidragsnummer 21K19755, Japan) och för vetenskaplig forskning (B) (bidragsnummer 23H03416, Japan) till 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).
