Kortikal yerel alan potansiyelleri, Elektrokardiyogram, Electromyogram ve ritim serbestçe hareket bir sıçan gelen nefes eşzamanlı kayıt
2 Nisan 2018
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.
Elektrotların bu cerrahi implantasyonunun genel amacı, serbestçe hareket eden bir sıçandan merkezi ve periferik biyoelektrik sinyalleri aynı anda kaydetmektir. Bu yöntem, hafıza, biliş, duygu ve beyin-vücut etkileşimleri gibi sinirbilim alanındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin temel avantajı, tek bir kayıt cihazının çok çeşitli vücut bölgelerinden gelen tüm biyoelektrik sinyalleri toplamasıdır.
Bu yöntem için ilk olarak, kas ve kardiyak aktivitelerin her ikisinin de beyin hücre dışı sinyallerine benzer elektrik sinyalleriyle temsil edildiğini fark ettiğimizde aklımıza geldi. Bu nedenle, tüm sinyallerin tek bir çok kanallı kayıt cihazı tarafından kaydedilebileceğini düşündük. Başlamak için, kortikal LFP kayıtları için standart bir mikro sürücü dizisi hazırlayın.
Sinyal kanalları için bir elektrot arayüz kartında en az altı metal delik açık bırakın. Ardından, sinyalleri taşımak için altı adet beş santimetre uzunluğunda Bioflex tel yapın. Her iki uçta yaklaşık beş milimetre PFTE kaplamayı soyun.
Ardından, altın bir pim kullanarak karttaki her metal deliğe bir kablo bağlayın. Ardından, beş santimetre uzunluğunda iki emaye tel yapın ve bunları kart üzerindeki iki toprak/referans kanalına lehimleyin. EKG elektrotlarını yapmak için, 16 santimetre uzunluğunda iki Bioflex tel kesin ve bir ucundan 0,5 milimetre kaplamayı ve diğer ucundan 15 milimetre kaplamayı soyun.
Ardından, her uzun soyulmuş bölümü iki milimetre çapında bir daire şeklinde oluşturun ve ilmeği lehimle sabitleyin. EMG elektrotlarını yapmak için, sekiz santimetre uzunluğunda iki Bioflex tel kesin ve her iki uçtan yaklaşık beş milimetre kaplamayı soyun. BR elektrotlarını yapmak için, altı santimetre uzunluğunda iki Bioflex tel kesin ve her bir telin her iki ucundan yaklaşık beş milimetre kaplamayı soyun.
İki BR elektrodunun her biri için, her telin bir ucunu paslanmaz çelik bir vidanın başına lehimleyin. Toprak/referans elektrotlarını yapmak için altı santimetre uzunluğunda iki emaye tel kesin. İki toprak referans elektrodunun her biri için, telin bir ucunu biraz daha büyük bir vidaya lehimleyin.
Şimdi tüm elektrotları sterilize edin ve ardından steril koşullar altında kullanın. Başlamak için, anestezi uygulanmış bir fareyi düz bir ısı yastığına sırt üstü sabitleyin. Analjezik olarak buprenorfin sağlayın ve kuruluğu önlemek için oftalmik merhem uygulayın.
Ardından, göğsü ve boynu alternatif %70 etanol ve betadin fırçalarıyla temizleyin. Ardından, sadece göğüs bölgesini açıkta bırakacak şekilde hayvanı örtün. İlk olarak, EKG elektrotlarını implante edin.
Medial göğüs bölgesine iki santimetrelik bir kesi ile başlayın. Daha sonra göğüs kaslarını ayırarak interkostal kasları açığa çıkarın. Şimdi, EKG elektrotlarının halkalarını interkostal kaslara dikin.
Bunu, elektrotların çok güvenli olması ve yüksek bir sinyal-gürültü oranı olması için sıkıca yapın. Daha sonra, dorsal boyun bölgesinde bir santimetrelik bir kesi yapın ve EKG elektrotlarını deri altından insizyona tünelleyin ve elektrottaki fiziksel stresi en aza indirmek için cilt altında bir tel gevşekliği bırakın. Daha sonra göğüs kesisi dikilerek kapatıldı.
Ardından, EMG elektrotlarını takmak için hayvanı yeniden konumlandırın ve sabitleyin. Her elektrotun bir ucunu deri altından yaklaşık bir santimetre boyun kesisine ve boyun kaslarına yerleştirin. Daha sonra bu elektrotları yerine dikin.
Elektrot implantasyonlarından sonra, fareyi stereotaksik bir cihaza sabitleyin. Daha sonra kafatasını tıraş edin ve temizleyin ve gözler arasındaki noktadan boyuna kadar orta hat boyunca üç santimetrelik bir kesi ile dizi implantasyonuna başlayın. Yüksek hızlı bir matkap kullanarak, koku alma ampulünün üzerinde çapı 0,7 ila 1,0 milimetre arasında olan bir çift dairesel kraniotomi yapın, bu da 11,0 milimetre ön ve bregmaya iki taraflı bir milimetredir.
Ardından, iki BR elektrodunu, vidaların uçlarının yaklaşık iki milimetre derinliğindeki beyinle temas etmesine yetecek kadar derine implante edin. Vidanın altı ila sekiz tam dönüşünü kullanın. Daha sonra, frontal korteksin üzerinde, 2.7 milimetre anterior ve 2.7 milimetre bilateral bregma için başka bir çift kraniotomi yapın.
Bu deliklere, iki toprak/referans elektrodu, aynı zamanda beyne yaklaşık 1,6 milimetre derinlikte temas edecek şekilde sabitleyin. Bu, vidanın dört ila beş tam dönüşünü alır. Şimdi, hipokampusun yaklaşık 2.0 milimetre üzerinde, 3.8 milimetre posterior ve bregmaya iki taraflı 2.5 milimetre çapında büyük bir dairesel kraniotomi planlayın.
Ardından, kraniyotomiyi çevreleyecek alanda altı ila sekiz adet 1.0 milimetrelik delik açın. Bu deliklerin her birine ankraj vidalarını implante edin. Daha sonra vidalar arasında planlanan kraniyotomiyi yapın.
Büyük deliğin üzerine, bütünleştirici mikro sürücü dizisini, kanül ucu büyük kraniotominin hemen üzerinde olacak şekilde konumlandırın. Kanül ucu ile beyin yüzeyi arasındaki boşluğu yaklaşık 100 mikrolitre iki parçalı epoksi ile doldurun. Önümüzdeki beş dakika boyunca, karışımın şeffaf bir jele dönüşmesine izin verin.
Ardından, kanülü, BR elektrotlarını, toprak/referans elektrotlarını ve ankraj vidalarını diş çimentosu ile kaplayın. BR veya toprak/referans elektrotlarının açık uçlarını kapatmadan yaklaşık beş milimetre çimento uygulayın. Şimdi, elektrotların tüm açık uçlarını karta bağlandıkları yere lehimleyin.
Ardından, bütünleştirici mikro sürücü dizisinin alt kısmını ve tüm elektrot tellerini diş çimentosu ile kaplayın. Elektrot tellerinin tamamen kaplanması önemlidir, böylece sıçan implantasyondan sonra onları çizemez. Şimdi, farenin iyileşmesine izin verin.
Sternal yaslanmayı sürdürmek için yeterli bilinci yeniden kazandıktan sonra, herhangi bir kafes arkadaşı olmadan tek başına barındırın ve yiyecek ve suya serbest erişim sağlayın. Ameliyattan sonra, vidaları günlük olarak ilerleterek tetrodları kademeli olarak ilerletin. Tetrodlar hedef beyin bölgelerine bitişik olduğunda, sinyallerin stabilize olacağı birkaç gün boyunca yerleşmelerine izin verin.
Açıklanan yöntemler kullanılarak beyin, kalp, akciğerler ve iskelet kaslarından gelen biyoelektrik sinyaller aynı anda yakalanabilir ve ilişkilendirilebilir. Örneğin, yiyecek arama davranışı geçiren serbestçe hareket eden bir sıçan, aktif ve dinlenme durumları arasındaki geçişleri içeren bir veri kümesi sağlar. Dalgacık analizi kullanılarak bir hipokampal LFP izinden bir güç spektrumu hesaplandı.
Koku soğancığının yüzey alanından kaydedilen BR sinyali, keşif koklama davranışı sırasında meydana gelenler gibi solunum frekanslarındaki nispi değişiklikleri kabaca tahmin etmek için kullanıldı. Bir kez ustalaştıktan sonra, bu teknik düzgün bir şekilde yapılırsa üç saat içinde yapılabilir. Geliştirilmesinden sonra bu teknik, sinirbilim alanındaki araştırmacıların kemirgenlerde yüksek zamansal çözünürlüğe sahip merkezi ve periferik organlar arasındaki ilişkiyi keşfetmelerinin yolunu açtı.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, serbestçe hareket eden bir sıçanda yerel alan potansiyelleri, elektrokardiyografik sinyaller, elektromiyografik sinyaller ve solunum sinyallerinin eşzamanlı kaydedilmesi için bir yöntem tanıtmaktadır. Bu teknik, veri analizini basitleştirir ve deneysel maliyetleri düşürürken beyin-periferik organ etkileşimlerinin anlaşılmasını artırır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Biyoelektrik sinyal kaydı
- Hayvanlarda davranış araştırması
Arka Plan
- Beyin ve vücut arasındaki etkileşimleri anlamak, nörobilim için kritik öneme sahiptir.
- Mevcut yöntemler genellikle birden fazla cihaz gerektirir, bu da veri toplamayı karmaşıklaştırır.
- Birden fazla biyoelektrik sinyalin eşzamanlı kaydı, araştırma verimliliğini artırabilir.
- Bu çalışma, çeşitli sinyaller için bütünleşik bir kayıt sistemi geliştirmeye odaklanmaktadır.
Çalışmanın Amacı
- Birden fazla biyoelektrik sinyali aynı anda kaydetmek için bir yöntem geliştirmek.
- Hafıza, biliş, duygu ve beyin-vücut etkileşimleri üzerindeki araştırmaları kolaylaştırmak.
- Nörobilimsel araştırmalarda maliyetleri düşürmek ve analizi basitleştirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Sinyal yakalama için çok kanallı bir kayıt cihazı kullanılmıştır.
- Biyolojik model, cerrahi implantasyon koşullarında serbestçe hareket eden sıçanları içermektedir.
- Bu çalışmada multiomik analiz bildirilmemiştir.
- Metodoloji, hassas elektrot yerleşimleri ve güvenli implantasyon prosedürlerini içermektedir.
- Elektrotlar, EKG, EMG ve diğer biyoelektrik sinyal toplamaları için tasarlanmıştır.
Ana Sonuçlar
- Vücuttaki çeşitli alanlardan biyoelektrik sinyallerin başarılı bir şekilde kaydedilmesi sağlanmıştır.
- Sinyallerin entegrasyonu, beyin-vücut etkileşimleri hakkında daha kapsamlı verilere izin vermektedir.
- Yöntem, sinyal kaydı sırasında gürültüyü azaltmadaki etkinliği için doğrulanmıştır.
- Hayvan davranış takibi konusunda gelecekteki çalışmalarda olası iyileştirmeler belirtilmiştir.
Sonuçlar
- Bu çalışma, eşzamanlı çok sinyal kaydı için yeni bir yaklaşımı gösterir.
- Entekre edilmiş yöntem, beyin ve vücut etkileşimlerinin daha verimli bir analizini sağlar.
- Bulgular, nöral mekanizmalar ve davranış çalışmaları hakkındaki anlayışımızı önemli ölçüde geliştirebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Simultaneous multi-organ bioelectrical signal recording enables mechanistic de-risking in target validation by clarifying brain-peripheral organ interactions. This approach supports predictive confidence in preclinical models by providing synchronized physiological readouts that reduce interpretive ambiguity in behavioral neuroscience studies. The integrated recording system enhances translational continuity from discovery to preclinical workflows through standardized, multi-parametric data capture.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through correlated central and peripheral signal dynamics.
- Operational Value: Supports biological de-risking by validating functional targets via multi-system physiological responses.
- Predictive Value: Improves portfolio triage by identifying targets with measurable effects across neural and organ systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows through stable, simultaneous signal acquisition.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility by reducing inter-device variability in signal recording.
- Scalability: Facilitates platform reuse across studies requiring coordinated brain-body monitoring.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains disease-relevant system integrity from discovery through preclinical validation via consistent signal monitoring.
- Risk-Adjusted Decisions: Supports advancement criteria by linking neural activity to peripheral organ outputs in freely moving models.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive validation of targets through real-time, correlated electrophysiological readouts.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by enabling hypothesis testing in early discovery, supporting assay readiness in screening, and informing preclinical advancement through correlated multi-system outputs.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via simultaneous LFP, ECG, EMG, and breathing signal correlation.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized, multi-channel signal capture with reduced noise and artifact.
- Analytics: Provides quantitative time-synchronized measurements enabling cross-condition comparison and statistical modeling.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by preserving physiological state in freely moving rodents during behavioral tasks.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for multi-organ physiological profiling across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in brain-body interaction studies.
- Operational Value: Improves standardization and scalability through single-device, multi-signal data collection.
- Strategic Value: Enhances go/no-go decisions by enabling capital-efficient, multi-parametric target evaluation.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization through concurrent validation of central and peripheral phenotypes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery, electrode implantation, and multi-channel electrophysiology.
- Depends on micro-drive arrays, solderable interface boards, and biocompatible electrode materials.
- Necessitates cross-team standardization for signal processing, synchronization, and behavioral correlation protocols.
- Involves adaptation considerations for different brain targets, electrode types, and animal strains.
- Includes practical limitations such as post-implant signal stability, animal recovery time, and tethering constraints in freely moving setups.
