Method Article

Kortikal yerel alan potansiyelleri, Elektrokardiyogram, Electromyogram ve ritim serbestçe hareket bir sıçan gelen nefes eşzamanlı kayıt

DOI:

10.3791/56980

⸱

April 2nd, 2018

 ,  , 
1Graduate School of Pharmaceutical Sciences, The University of Tokyo, 2Center for Information and Neural Networks

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışmada yerel alan potansiyelleri beyin, Elektrokardiyogram, electromyograms aynı anda kayıt ve sinyalleri serbestçe hareket sıçan nefes bir yöntem sağlar. Deneysel maliyetlerini azaltır ve veri analizi kolaylaştırır, bu tekniği, beyin ve periferik organlarda arasındaki etkileşimler anlayış katkıda bulunacaktır.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Birkaç soru hakkında nasıl beyin denetimleri vücut fonksiyonları ve iç organ ritimleri hayvanların duygusal sorunları ve değişiklikler açık olduğu zaman adresleme için gerekli beyin ve periferik dokulara fizyolojik dinamikleri izleme onların yaşam ortamları. Genel olarak deneyler, sinyal--dan farklı organlar, beyin ve kalp gibi veri dosyaları işlemek için birden çok kayıt cihazları ve farklı yordamlar gerektiren bağımsız kayıt sistemleri tarafından kaydedilir. Bu çalışmada aynı anda elektrik biosignals, yerel alan potansiyelleri onlarca dahil olmak üzere birden çok beyin bölgeleri, kardiyak ritim temsil Elektrokardiyogram, uyanık temsil electromyograms izleyebilirsiniz yeni bir yöntem açıklanır / uyku ile ilgili kas kasılması ve sinyalleri, özgürce hareket fare nefes. Bu yöntemin kayıt yapılandırma elektrotlar onlarca IBM'in ve sinyalleri bu elektrotlar elde edilen tek bir entegre edilmiştir kortikal yerel alan potansiyel kayıtları için geleneksel bir mikro-sürücü dizisi dayanmaktadır elektrik panosu hayvanın kafasına monte. Burada, böylece periferik organlarda gelen sinyalleri de bir elektrik arabirimi kartına aktarılır bu kayıt sistemi geliştirildi. Tek bir ameliyatla elektrotlar ilk ayrı olarak uygun vücut parçaları ve hedef beyin bölgeleri implante edilir. Böylece tüm sinyallerin tek elektrik pano entegre edilebilir tüm bu elektrotlar açık biter sonra hayvanın başının üstünde elektrik panosunun tek tek kanalları lehimli. Tüm sinyallerin koleksiyonu içine a tek aygıt, deneysel maliyetlerini azaltır ve veri işleme, kolaylaştırır, çünkü tüm verileri aynı veri dosyasında ele alınması için bu tahta bir kayıt aygıtına bağlanmalarını sağlar. Bu teknik Merkezi ve periferik organlar arasındaki ilişkilendirmeleri nörofizyolojik ilişkilendirir anlayış yardımcı olacak.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Merkezi sinir sistemi vücudun Birleşik çeşitli çevresel değişiklikler denetler ve bu denetim genellikle kalp atışı, solunum hızı ve kas kasılmaları değişiklikler olarak temsil edilir. Ancak, birkaç çalışmalar nasıl böyle periferik fizyolojik faktörler kortikal aktivitesiyle ilişkilendirilmiş test ettik. Bu sorunu gidermek için merkezi ve periferik dokulara gelen elektrik biosignals izlemek için bir büyük ölçekli kayıt yöntemi gereklidir. Serebral korteks yerel alan potansiyel (LFP) sinyalleri extracellularly kortikal dokular1,2,3içine eklenir elektrotlar tarafından kaydedilir. Aynı anda birden fazla LFP sinyalleri sıçanlar ve fareler, gibi küçük memeliler kortikal bölgelerinden kaydetmek için çalışmalar bir dizi mikro sürücüler olarak adlandırdığı özel yapım elektrot derlemeler türleri geliştirdi. Geleneksel bir mikro sürücü metal vida (olan genellikle tetrodes) elektrotlar, vida ve elektrotlar barındıran bir çekirdek beden ve metal delik barındıran bir elektrik arabirimi yönetim kurulu (EIB), orta bölümlerine bağlı oluşan elektrotlar (Resim 1, Resim 2ve şekil 3) açık biter takın. Bu elektrot derleme birçok elektrotlar gün ile hafta boyunca beynine eklenen derinliğini kontrol için operatör sağlar ve hayvan çeşitli ile meydan gibi nöronal aktivite uzun süreli kronik kayıtları iletken sağlar davranışsal görevleri. Periferik organlarda kalp atışı sinyalleri üzerinde veya kalp alan4,5,6çevresinde implante elektrotlar bir çift tarafından Elektrokardiyogram (ECGs) kaydedilir ve kas iskelet sinyalleri kaydedilir electromyograms (EMGs) elektrotlar ile bu kas doku7,8,9içine eklenir. Olfaktör ampul elektrik sinyalleri ve nefes (BR) ritim arasındaki ilişkiyi tek birim kayıtları10,11ile çalışılmıştır. Geleneksel kayıt sistemleri, farklı dokular bu sinyalleri tarafından bağımsız kayıt cihazları, yani ek bir deneysel sistem tam olarak bu birden çok aygıt için eşitleme için gereklidir yakalanan aynı anda beyin-vücut sinyaller kayıtları. Bu sistem bu sorunu aşmak için geliştirilmiştir. Bu sistemde kaydedilen periferik organ, ECGs, EMGs ve nefes ritmini yansıtan olfaktör ampul elektrik sinyalleri dahil olmak üzere tüm elektrik sinyalleri bir tek mikro-sürücü dizisi1,2 entegre edilmiştir ,3burada bütünleştirici bir mikro-sürücü dizisi olarak adlandırdığı,. Bu sistem yalnızca bir çok kanallı kayıt cihazı gerektirir ve herhangi bir geleneksel mikro-sürücü dizisi için geçerlidir. O does değil istemek herhangi bir özel cihazlar veya birden çok aygıtın kayıt süresi eşleştirmek için tetikleyici sinyalleri, ve tüm sinyallerin benzer veri türleri olarak kaydedilir bu yana daha uygun veri işleme için sağlar Bu teknik avantajları. Bu teknik Merkezi ve periferik organlar arasındaki ilişkilendirmeleri nörofizyolojik ilişkilendirir anlayış yardımcı olacak. Bu kağıt tekniği ile ilişkili yordamlar açıklanır ve bir sıçan gelen elde temsilcisi veri kümeleri sunar.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hayvan konular içeren tüm yordamları için bakım ve kullanım hayvanlar NIH esaslarına göre yapıldı.

1. hazırlanması bütünleştirici mikro-sürücü dizisi

  1. Başka bir yerde açıklandığı gibi kortikal LFP kayıtları için bir mikro-sürücü dizisi1,2,3oluşturun. Bırak en az 6 metal delik bioflex teller için 1.2 ile açıklandığı gibi bağlı ECG/EMG/BR kanalları olarak kullanılmak üzere bir elektrot arabirimi yönetim kurulu (EIB) açın.
  2. Bioflex tel uzunlukları, 5.0 cm. Peel off politetrafloroetilin (PTFE) ile 6 parçalar halinde kesilmiş her iki ucunda da tel taşlarını uzunlukları ~5.0 mm. ile kaplama bağlanmak bir ucunu her birine açık metalik delik (ECG/EMG/BR kanalları) Tel parçaları üzerinde EIB altın iğne ile.
  3. Bir emaye kabloyu iki 5.0 cm parçalar halinde kesin. Her biri bu teller için EIB (şekil 3, bkz: Ayrıca önceki kağıtları12,13) zemin/başvuru (g/r) kanallarında bir ucunu lehim.
  4. ECG elektrotlar hazırlanması için bir bioflex kabloyu iki 16 cm parçalar halinde kesin. ~5.0 mm (kısa sonu) bir ucunda ve diğer uçtaki (uzun son) ~ 15 mm uzunluklarında bu tel parçaları öbür ucuna PTFE kaplama akasındaki.
  5. Belgili tanımlık uzun son tel bükme ve lehimleme tarafından halka şekil sabitleme tarafından 2.0 mm çapında bir tel halka oluştururlar.
  6. EMG elektrotlar hazırlanması için bir bioflex kabloyu uzunlukları, 8 cm. kabuğu PTFE kaplama bu tel parçaları her iki uçtan uzunlukları ~5.0 mm ile kapalı 2 parçaya kesin.
  7. BR elektrotlar, hazırlanması kesmek için bir bioflex tel uzunlukları, 6.0 cm. Peel off bu tel parçaları her iki ucunu ~5.0 uzunlukları ile emaye kaplama ile 2 adet içine mm. lehim paslanmaz çelik vida (kök dia kafasına bu tel parçalar bir ucunu metre: 1.0 mm, kök uzunluğu: 4.0 mm).
  8. Zemin/başvuru (gr) elektrotlar hazırlanması için kesim uzunlukları, 6.0 cm. Peel off bu tel parçaları her iki ucunda uzunlukları ~5.0 mm. ile emaye kaplama ile 2 adet içine bir emaye tel lehim kafasına bu tel parçalar paslanmaz bir St bir ucunu yılan balığı vida (kök çapı: 1.4 mm, kök uzunluğu: 3.0 mm).
  9. Gaz sterilize tüm elektrotlar ve paslanmaz vidalar ve bu temiz bir alanda tutun.

2. EKG/EMG elektrotlar implantasyonu

Not: tüm cerrahi aseptik teknik steril eldiven ve autoclaved araçlarını kullanarak adımları izleyerek. Bir kesi oluşturma içeren tüm adımları için cilt önce % 70 etanol ile sterilize ve cerrahi perdeler ile belgili tanımlık kesme kapak.

  1. Bir imzalat düzeltmek (% 1.0-3,0 isoflurane gaz) fare bir düz ısı yastık üzerinde sırtında. Buprenorfin bir analjezik vermek. Veteriner merhem sıçan gözler kuruluğu önlemek için yerleştirin. Betadin cilt yüzeyini temizlemek için kullanın.
  2. Bir kesik ~2.0 cm medial göğüs alanında olun. İnterkostal kaslara göğüs kasları ayırarak maruz. Yüzüklerin ECG elektrot interkostal kaslara dikiş.
  3. Hayvan mide ısı altlığında düzeltmek. Bir kesik ~1.0 cm dorsal boyun bölgesi içinde olun.
  4. Subkutan göğüs kesi yoluyla ECG elektrotlar yerleştirin. Uçları dorsal boyun bölgesi için slayt ve boyun kesi çekin. Göğüs kesik dikiş.
  5. Her boyun kesi yoluyla ~2.0 cm uzunluğunda subkutan için EMG elektrot bir ucunu bağlayın. EMG elektrotlar boyun kas dikiş tarafından tamir.

3. bütünleştirici mikro-sürücü dizisi ve BR elektrotları implantasyonu

  1. Fareyi üzerinde stereotaksik aygıtını düzelt. ~3.0 cm kesik baş boyun bölgesi için gözler arasında noktadan orta çizgi boyunca olun. Kafatası maruz.
  2. 0,7-1.0 mm yukarıda olfaktör ampul 11.0 mm ön ve 1 mm fan çapı iki dairesel bilgisayarçıktısı ikili bregma için yüksek hızlı bir matkapla olun. Kadar vida kaynaklanıyor ipuçları beyin yüzeyine bağlı olan iki BR elektrot kafatası içinde implant.
  3. 0,7-1.0 mm yukarıda frontal korteks 2.7 mm ön ve 2.7 mm fan çapı iki dairesel bilgisayarçıktısı ikili bregma için yapmak. Vida kök ucu beyin yüzeyine bağlı olduğu kadar iki g/r elektrot kafatası içinde implant.
  4. Altı ya da sekiz delik çapı 1.0 mm büyük kranyotomi çevresinde yapmak. Bağlantı vidaları implant (kök çapı: 1.4 mm, kök uzunluğu: 3.0 mm) kafatası içinde.
  5. Hipokampus ve 3.8 mm arka yukarıda ~2.0 mm 2.5 mm çapında büyük bir dairesel kranyotomi ikili bregma için yapmak. Öyle ki sürücü dizisi kanül ucu büyük kranyotomi yer alan bütünleştirici mikro-sürücü dizisi yer
  6. İki çözüm, i.e~ 100 µL ile kanül ucu ve beyin yüzey arasındaki boşluğu boşluğu doldurmak., 0,5 oranında (kütle) sodyum aljinat ve % 10 oranında (kütle) Kalsiyum klorür.
    Not: iki çözüm kafatasında karıştırılır sonra bu işlem şeffaf bir jel ~ 5 dk içinde oluşturur.
  7. Kapak kanül, BR elektrotlar, g/r elektrotlar ve çapa vida diş çimento ile bir kalınlık 0.5 cm. ile BR ve g/r elektrotlar bu aşamada çimento ile açık uçlarını kapatmak için dikkatli değil var olmak.
  8. Daha önce EIB için bağlı idi bireysel tel ipuçları için EKG, EMG, BR ve g/r elektrot açık biter lehim (1.2 ve 1.3 adımlara bakın).
  9. Bütünleştirici mikro-sürücü dizisi ve diş çimento ile bütün elektrot tel alt parçası kapak. Böylece fare onları sonra implantasyon çizik değil elektrot teller tamamen kaplı olduğundan emin olun.
  10. Sternal recumbency korumak için yeterli bilinci yerine sonra hayvan onun şeffaf pleksiglas ev cag dönün ve su ve yiyecek için ücretsiz erişim ile kendi başına tutmak. Ameliyattan sonra hayvan antibiyotik (gentamisin) ile tedavi.
  11. Ameliyattan sonra günlük gözlem hayvanlarla izlemek. Onlar düzgün yürüyüş ve deneyci mikro-sürücü dizisi dokunduğunda onlar squeak değil olduğunu kontrol edin.

4. Vivo kayıtları

Not: Tüm sinyaller, 2 kHz örneklenmiş güçlendirilmiş ve filtre uygulanmış (0.1 - 500 Hz) (30 kHz örneklenmiş ve bant geçiren Filtre uygulanmış (500-6 kHz)) birim faaliyetleri dışında bant geçiren.

  1. Bütünleştirici mikro-sürücü dizisi EIB bir kayıt cihazı headstage için bağlayın.
  2. Tetrodes ameliyat sonrası birkaç hafta için vidaları çevirerek ilerlemek. Bir kez tetrodes beyin alanları hedef bitişik olan, tetrodes da alanlarına istikrarlı kayıtları için birkaç gün belirli bir süre yerleşmek.
  3. Hayvan özgürce bir kayıt odasında hamle yaparken elektrik sinyallerini izleyin.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu yöntem aynı anda, beyin, kalp hızı, ritim ve iskelet kas kasılma (şekil 1)nefes nöronal aktivite gösteren birden çok organları biyoelektrik sinyaller yakalayabilirsiniz. Şekil 4 temsilcisi kayıt veri serbestçe bir dikdörtgen kutu (25 x 40 cm2) yiyecek arama ispiyoncu serbestçe hareket sağlar. Örnek veri kümesi taşıma ve Birleşik dinlenme arasında tipik davranış geçişleri içerir. Bir güç spektrumu Hi...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nasıl beyin periferik aktivite düzeyleri ve Yardımcısı modüle anlamak için çok yönlü, aynı anda birden çok vücut alanları elektrik biosignals yakalamak için yöntemler kayıt büyük ölçekli gerekli. Bu çalışmada açıklanan bir cerrahi işlem ve izleme serebral yerel alan potansiyelleri, kalp hızı, kas inşaat ve için kullanılan kayıt sistemi üzerinde geliştirilmiş solunum fiyatlar, büyüklüğü için bir kayıt sistemi beyin dokusu içinde ekstraselüler kayıtları. Bu sistem elektrik sinyalleri hem beyin hem de çevre organlara tek bi...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu eser Kaken-Merhaba tarafından desteklenmiştir (17 H 05939; 17 H 05551), Nakatomi Vakfı ve Suzuken Anıtı Vakfı.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
FEP Bağlantı Teli Örgülü Paslanmaz Çelik Cooner Tel Şirketi, Chatsworth, CAAS 633Bioflex tel
EIB-36-PTBNeuralynx, Inc., Bozeman, MTEIB-36-PTBEIB
Cereplex ve nbsp; M Blackrock  Microsystems, Salt Lake City, UTDigital headstage
Cereplex Direct Kara kaya  Microsystems, Salt Lake City, UTVeri toplama sistemi
UEW poliüretan mıknatıslı telOyaide.com, Tokyo, JaponyaUEW 0.14mm 20m Emaye tel
SD-102Narishige, Tokyo, JaponyaSD-102Yüksek hızlı matkap
Minimo ONE SERİSİ ver.2Minitor Co., Ltd, Tokyo, JaponyaC2012Yüksek işeli matkap Güç Kaynağı 
Provinice 250 mLShofu Inc., Kyoto, Japonya213620136Diş çimentosu
Küçük Hayvan Anestezizatörü Biomachinery, Chiba, JaponyaTK-7Anestezizyon 
Buprenorfin hidroklorürSigma-Aldrich, St. Louis, MOB7536-1MLAnaljezik
İzofluranDS Pharma Hayvan Sağlığı, Osaka, Japonya Isoflu 250mL
Vazelin, Beyaz Wako Saf Kimya Sanayi, Ltd., Osaka, Japonya224-00165 Veteriner merhem 
  Sodyum aljinatNacalai tesque, Kyoto, Japonya31131-85
Kalsiyum Klorür DihidratWako Saf Kimya Endüstrileri, Ltd., Osaka, Japonya031-00435 & nbsp;
Paslanmaz çelik vida M1.0 ve kez; 4.0 MonotaRO, Hyogo, Japonya42617504BR elektrotlar için paslanmaz çelik
vida Paslanmaz çelik vida M1.4 & kez; 3.0MonotaRO, Hyogo, Japonya42617687G/r elektrotları ve ankrajlar için paslanmaz çelik vida

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kloosterman, F., et al. Micro-drive Array for Chronic in vivo Recording: Drive Fabrication. JoVE. (26), e1094(2009).
  2. Nguyen, D. P., et al. Micro-drive Array for Chronic in vivo Recording: Tetrode Assembly. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (26), e1098(2009).
  3. Jog, M. S., et al. Tetrode technology: advances in implantable hardware, neuroimaging, and data analysis techniques. J Neurosci Methods. 117 (2), 141-152 (2002).
  4. Fenske, S., et al. Comprehensive multilevel in vivo and in vitro analysis of heart rate fluctuations in mice by ECG telemetry and electrophysiology. Nat Protoc. 11 (1), 61-86 (2016).
  5. Rossi, S., et al. The effect of aging on the specialized conducting system: a telemetry ECG study in rats over a 6 month period. PLoS One. 9 (11), 112697(2014).
  6. Cesarovic, N., Jirkof, P., Rettich, A., Arras, M. Implantation of radiotelemetry transmitters yielding data on ECG, heart rate, core body temperature and activity in free-moving laboratory mice. JoVE. (57), (2011).
  7. Zeredo, J. L., Kumei, Y., Shibazaki, T., Yoshida, N., Toda, K. Measuring biting behavior induced by acute stress in the rat. Behav Res Methods. 41 (3), 761-764 (2009).
  8. Young, G. A., Khazan, N. Electromyographic power spectral changes associated with the sleep-awake cycle and with diazepam treatment in the rat. Pharmacol Biochem Be. 19 (4), 715-718 (1983).
  9. Oishi, Y., et al. Polygraphic Recording Procedure for Measuring Sleep in Mice. JoVE. (107), e53678(2016).
  10. Chaput, M. A. Respiratory-phase-related coding of olfactory information in the olfactory bulb of awake freely-breathing rabbits. Physiol Behav. 36 (2), 319-324 (1986).
  11. Ravel, N., Pager, J. Respiratory patterning of the rat olfactory bulb unit activity: Nasal versus tracheal breathing. Neurosci Lett. 115 (2-3), 213-218 (1990).
  12. Okada, S., Igata, H., Sakaguchi, T., Sasaki, T., Ikegaya, Y. A new device for the simultaneous recording of cerebral, cardiac, and muscular electrical activity in freely moving rodents. J Pharmacol Sci. 132 (1), 105-108 (2016).
  13. Sasaki, T., Nishimura, Y., Ikegaya, Y. Simultaneous Recordings of Central and Peripheral Bioelectrical Signals in a Freely Moving Rodent. Biol Pharm Bull. 40 (5), 711-715 (2017).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Cortical Local Field PotentialsElectrocardiogram RecordingElectromyogram MonitoringBreathing Rhythm AnalysisFreely Moving RatSimultaneous Signal RecordingMicro drive Array ImplantationMulti channel Data IntegrationWavelet Analysis ApplicationCentral Peripheral Correlation

Related Articles