エポックワイヤレス送信機システムを用いたヒト疾患の小型げっ歯類モデルにおいて長期連続EEGモニタリング

1Department of Neurosurgery, Yale University School of Medicine, 2Department of Neurosurgery, University of Utah
Published 7/21/2015
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Neuroscience
 

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Zayachkivsky, A., Lehmkuhle, M. J., Dudek, F. E. Long-term Continuous EEG Monitoring in Small Rodent Models of Human Disease Using the Epoch Wireless Transmitter System. J. Vis. Exp. (101), e52554, doi:10.3791/52554 (2015).

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Abstract

てんかんなどのヒトでの多くの進歩的な神経疾患は、徐々に疾患プロセスの様々な段階での介入を試験するために、疾患を発症する前臨床動物モデルを必要とします。これらの動物モデルは、これらの疾患の実験室での研究のための古典的なモデル生物未熟げっ歯類において実施するのが特に困難です。発作および他の神経障害の若い動物モデルでの記録の連続EEGは小さいため、物理若いげっ歯類の大きさやダムへの依存離乳の前に技術的な課題を提示します。したがって、より良い診療所への変換だけでなく、未熟なげっ歯類で連続脳波を記録することが可能な新しいデバイスの必要性に適した治療法を識別する前臨床研究を改善するための明確な必要性だけでなく、があります。ここでは、Oの背後にある技術を説明し、新たな小型テレメータシステムの使用を示す、具体的に未成熟ラットでの使用のために設計さまた成体動物での使用のために有効であるRマウス。

Introduction

最古 - 依然として最も広く使用されている - 脳内の生体電位を記録するための技術は、脳波(EEG)です。これは、発作検出1、発作焦点2の局在化、脳震盪3,4の診断を含む、神経学的異常のために臨床的に使用されています。この技術は、広く、睡眠のメカニズムについての基本的な情報を提供し、睡眠障害5,6を診断するために使用されます。

てんかんの臨床診断のように、EEGは、両方の遺伝的および後天性てんかんの動物モデルにおけるトランスレーショナルリサーチのために不可欠となっています。現在の研究用途では、「有線」または「テザー」録音が標準であり、日常的に時間7で週間大人のげっ歯類で行われます。しかし、電気的ノイズ、モーションアーチファクト、ケーブルを引っ張って自分自身を傷つける動物をつながリスクが長いCOMPRを持っていますこれらの実験をomised。このように、実験条件と成功率を向上させるために、我々は動物や計測機器との間の有線インターフェースの排除を可能にする新技術を開発する必要があります。開発の最も明白な面積は長寿命を維持し、動物対象のための不快感を最小限に抑えながら、高品質の録音を可能にする遠隔計測システムの設計と実装です。これらのデバイスの物理的なサイズを小さくすると、神経疾患の新生児および若年げっ歯類モデルにおいてトランスレーショナルリサーチを可能にします。

ラットにおける低チャンネル数のEEG記録は、ヒトへの変換が可能なてんかん発作を抑制するための新しい治療法を開発するために広く使用されています。長期間のための1つ以上のサイトからの記録は、トランスレーショナルリサーチにおけるてんかんの齧歯類モデルを使用するための多くの可能性を開きます。この分野の現代的な研究の多くは、慢性seizの発生を阻止することを目的とURESまたはてんかんの開発( すなわち 、てんかん)、そのような研究努力が提案された治療8の有効性をアッセイするための大規模な場合はない連続EEGモニタリングを必要とします。チャンネルあたり0.1〜100 Hzの間で動作する1つ、2つ、または4つのチャネルを持つ小さな、単純な、遠隔測定システムが強くトランスレーショナルリサーチのこのタイプを推進していきます。エレクトロ発作は、しばしば行動発作に基づくアッセイの有用性を制限する(確かにけいれんを含まない)最小限の行動、で発生します。脳波記録と同時ビデオモニタリングを組み合わせる戦略は、1つをすべての発作を捕捉する可能性を可能にします。さらに、これらの分析的アプローチは、「発作」(または発作)イベント9との間のてんかん、脳で起こる間欠期スパイクの定量的評価を可能にすることができます。また、連続的な高品質の低アーチファクトEEG記録を得る能力は、対象の無線技術は、一般に優れた、かなり実験者の作業負荷を低減すること、特定の脳波波形( 例えば 、シータ、ガンマ)、ならびに発作の自動検出を研究するためのコンピュータベースのアルゴリズムを使用した開発を可能にします。

慢性てんかんが続いている一次脳損傷後の慢性てんかんを研究するための前臨床モデルでは、いずれかの化学痙攣( すなわち 、カイニン酸またはピロカルピン)を介して、成体ラットまたはマウスであるか、または電気的に誘導さてんかん重積状態(SE)、。これらの条件下では、てんかんの動物でSEまたはそれ以降の発作に関連した重篤な痙攣は、動物引き裂きから怪我につながることができ、またはテザーを引っ張るとヘッドキャップの取り付けを維持しているネジを緩め。最終的に、それは通常、これらの実験を終了し、この問題であり、まだ慢性のための新しい治療法の開発を目的とした実験の長期の高解像度EEG記録を取得するために必要てんかんは非常に重要です。さらに、ハウジングは、モニタリングは、長期移植した動物からのデータを分析すると、両方の直接費と研究者の時間にかなりの投資があります。したがって、実験の早期終結は、研究者に多大なコストをもたらす可能性があります。てんかん進行のこれらのモデルとしては、発作は、通常、新しい治療法を開発するための有用性が最大になるのと同様に、動物が負傷している可能性を増加させる、10〜12、より頻繁に、より厳しくなります。これらの動物は、日常的に頻繁にクラスター13で発生した、一日あたりの痙攣発作の数十を開発することができます。

おそらく、生物医学科学の中で最も重要な開発の1つは、マウスモデルにおいて遺伝子ターゲティングの使用でした。このアプローチは、許可された、および、実際の人間症候群に14-16を再現遺伝てんかんの動物モデルの開発を可能にしていきます。遺伝子操作は、のように行うことができますてんかん発作を抑制し、さらには脳損傷17-20後にてんかんの発症を阻止する実証の原則療法。この種の研究は、脳波のハイスループット連続録画を実行する機能から大幅に利益を得るであろう。現在、それはどちら係留または遠隔測定システムを有するマウスから記録することが可能です。しかし、高品質を得るための課題は、アーチファクトのない録音は、ラットよりも実質的に困難であり、多くの場合、これはマウスが継続的に削除しようとバックパックの様々な形態が必要です。ストレスは発作重症度、頻度及び/又は持続時間が増加する可能性があり、したがって、最終的には実験動物のてんかんを変更するだろう、このように研究を混乱させる。小、軽量、ロープロファイル小型遠隔測定システムは、ヒト疾患の遺伝的マウスモデルから長期脳波の記録を容易にするであろう。

上述の問題に加えて、未熟齧歯類モデルにおけるEEG記録病気のsが課題の独自のセットを持っています。未成熟な動物は17グラム(P6ラット)に、わずか6とG(P8マウス)を重量を量ることができます。これは、ダムによって子犬の自然な飼育を可能にするために、テザーとできないことから起因するストレスの増加にシリアルマルチ日係留EEG記録を行うことが事実上不可能です。動物が乳離れするまで、彼らはダムのケアに残っている必要があります。ダムは、子犬上の任意の外部化コネクタアセンブリを破壊する子犬を終了する傾向があり、場合によっては全体のゴミを終了します。また、未熟げっ歯類の頭蓋骨は、それが困難な機械的完全性と頭蓋骨に任意の電極台座をマウントすることができます。未熟げっ歯類に特有のこれらの課題は、堅牢、長期電子写真記録を作成するための新規な解決策を必要とします。ここでは、小型の無線遠隔測定システムを使用するための例としての新規の小型無線送信機および存在する3つの証明の原理実験を用いて、脳波の注入と記録を実証に焦点を当てる:1)イム低酸素性虚血の成熟ラット仔モデルは、2)成体マウスは、てんかん重積状態とその後の自発的な発作を誘発するためにDFPで処理し、成体マウスにおける発作と死をもたらす血管海綿状奇形の3)遺伝モデル。

小型の無線遠隔測定システムは、4つの主な要件を満たすように設計された:(1)低侵襲外科的移植。 (2)ダムと同腹仔と齧歯類の​​仔の住宅のための互換性。 (3)ユニットの低消費電力を、このように外科的に再注入することなく、継続的な監視のヶ月間を可能にします。 (4)最小の運動アーチファクトを有する高品質のEEG波形を記録する機能。無線送信機は<0.6、2.3、および4グラムの重さと、0.3 <0.8であり、1.4 cm 3簡単に頭蓋骨にマウント×7 5のフットプリント、7×9、または7×12 mmのバッテリーに応じてシアノアクリレートゲルを動物に。いいえ骨ネジアンカーを確実にデバイスを固定するために必要とされません頭蓋手術時に穿孔する必要がある穴の数を減らす頭蓋骨。デバイスは、2週間以上、2ヶ月、またはこの構成では6ヶ月のためにこのような海馬などの脳深部構造からのEEGまたはローカルフィールド電位の2つのチャネルを、増幅することができます。無線送信機の小型化は、感染の危険性を減少させる、動物の移動度を増加させ、最終的に罹患率と死亡率を増加させる他の方法で時間、お金、実験に必要な動物の数を減少させます。電子機器やバッテリーのすべてがそうでなければ、デバイスが動作しなくなる可能性があり、送信機を噛んでからダムを防止、デバイスは防水とタフになり、医療グレードのエポキシ樹脂でポッティングされています。無線周波数送信機とは異なり、遠隔測定システムは、送信機と、ユーザは、標準的なげっ歯類のハウジング内に動物を維持することができ、動物のケージの下に座っている受信アンテナとの間の容量結合を使用します。 recordiの複数のチャネルNGは、心電図や脳波などのマルチモーダル生体電位の記録を可能にします。併存疾患の動物モデルは、行動21-23の間に生体電位を記録する機能によって恩恵を受ける。脳波モニタリングと行動を組み合わせることで、研究および前臨床試験のためのより良いツールを使用して研究者に提供します。

Protocol

外科用器具の滅菌のための動物のケアのための制度ガイドラインに従ってください、とのガイドラインを遵守し、貴機関の施設内動物管理使用委員会(IACUC)により承認を得るために、必要に応じてプロトコルを変更します。

1.外科準備

  1. 清潔で安全で無菌手術を確保するための送信機を準備します。静電気防止パッケージから送信機とのいずれかのスプレーを削除するか、70%エタノールに浸します。滅菌生理食塩水に浸した滅菌綿スポンジの間に滅菌生理食塩水と場所に送信機を洗浄し、または滅菌生理食塩水の中に沈めておきます。
  2. 手術のために必要なツールを収集し、滅菌;滅菌のための蒸気オートクレーブ。手術ツールのリストについては、材料および試薬の表を参照してください。

2.外科的移植

  1. 動物を麻酔し、IACUCが承認したプロトコルに従って、麻酔を維持します。開始時とシュール中Geryのつま先ピンチ反射を15分ごとに確認してください。応答の欠如は、麻酔の十分なレベルを示します。
    1. 子犬のために、O 2(100%)とイソフルラン(4%)で麻酔を使用しています。成人は、キシラジン(10mg / kg)とケタミン(100mg / kg)を使用します。
  2. 定位フレーム内の位置を修正しました。外耳道に耳バーの先端を配置します。頭蓋骨は若い仔ラットでは非常に柔らかいように過度に耳バーを締めないでください。麻酔ノーズコーンを固定します。
    1. 37℃に設定した加熱パッドの上に置くことにより、手術中に動物を暖かく保ちます。成体動物では、動物の目に軟膏を潤滑に適用されます。
  3. 切開部位を滅菌し、無菌手術野を維持します。
    1. 70%エタノールおよびベタジンのアプリケーションを交互に頭皮スワブ。頭皮の中心にスタートし、ますます広い同心円を作ります。
    2. ドレープで動物をカバーし、ドレープ動物の上に手術を行っています。 steriを維持70%エタノールで滅菌ドレープ、スプレー装置と手術用のセットアップを裏打ちすることにより、ル·外科分野。
    3. 無菌手術用手袋とガウンを着用する(または機関で必要とされます)。無菌領域を維持するために、外科アシスタントを使用しています。
  4. 約2cm、わずかに正中線に沿って、目の後ろに、動物の頭皮に切開を行います。頭蓋骨はまだ若い仔ラットで非常に柔らかいですとしてメスを挿入する際は注意してください。切開はあまり出血、及び速く治癒するように、シングルカットを行います。
  5. 頭蓋骨を露出させます。送信機と頭蓋骨の骨との間の結合を最大化するために、清潔で乾燥した場所を準備します。頭皮を把握するために動脈瘤クリップを使用してください。
    1. ゆっくり四隅に離れて正中線から頭皮を引っ張ります。このような頭蓋内ブレグマとラムダのような解剖学的目印を探してください。頭蓋骨を覚えているが、この年齢で動物に融合されていません。穿頭孔の正しい場所を見つけるために、定位座標のPaxinosアトラスを使用してください。
    2. バリ型ドリルビットとドレメル型ツールを使用します。穴の直径がより大きい300ミクロンであると所望の記録位置に2つのバーホールを作成します。頭蓋骨のラムダの背後にある小脳の上に参照電極用のバーホールを配置します。
    3. 送信機のワイヤはバリの穴の位置が合っていることを確認してください。電極線が整列していない場合には、電極の接着剤汚染はやすく、劣悪な信号をもたらします。ワイヤの位置を調整するには、送信機の適合を確認し、静かにバーホールを目的としサイト上に並ぶように電極を曲げます。
    4. 電極リードをトリミング。所望の長さに電極をトリミングする手術用はさみを使用してください。電極の深さは、実験に必要な記録のタイプのために重要である( すなわち 、EEG記録のために硬膜上記の電極を配置するか、定義された脳構造のための定位座標を使用します)。
    5. たっぷり送信機Tのベースにシアノアクリレートを適用O電極をコーティング避けるために確認してエリアをカバーしています。シアノアクリレート接着剤は、電気絶縁体である、接着剤で電極を汚染することのない信号になります。
      1. 脳深部構造から録音する場合は、カニューレホルダに送信機を装着し、z軸制御のための定位アームに配置します。深さを適切かつ送信機の周りにシアノアクリレートゲルを配置するために、定位アームを使用して送信機を下げます。
    6. 強い接着結合を確実にするために送信機を設置する前に完全に乾燥頭蓋骨。頭蓋骨にシアノアクリレートでコーティングされた送信機を適用します。バーホールを対応する電極を位置合わせするように注意してください。
      1. 主要な血管構造の損傷を避けるようにしてください。 1分間わずかな圧力で所定の位置に送信機を保持します。送信機と頭蓋骨の間に強い結合を形成するためにわずかな圧力を使用してください。
    7. 完全トランスミッタ/頭蓋インターフェースをシールするのに十分な追加のシアノアクリレートを、適用します。 AGを確保するためにOODフィット感と強い結合は、その連絡先頭蓋骨を接着剤の表面積を最大化します。両方の頭蓋骨と送信機の壁が覆われていることを確認することは、送信機の周りに円にシアノアクリレート接着剤を適用します。
    8. 移植された送信機のベースにシアノアクリレートの周りの注射器を介して化学反応促進剤(0.1 ml)を適用します。隣接する組織には適用されないように注意しながら、慎重に促進剤を使用してください。
      注:シアノアクリレートの硬化の化学加速度は、送信機と頭蓋骨の間に強い結合を迅速に形成されることを保証します。シアノアクリレート系促進剤は、接着剤の速硬化に有用であるが、必要ではありません。
    9. 滅菌生理食塩水で十分にエリアを洗浄することにより促進剤を除去します。切開の領域から洗浄していない場合はシアノアクリレートアクセラレータは組織刺激を引き起こす可能性があります。エリアを洗浄するために、滅菌生理食塩水1.0 mlシリンジを記入し、注射針を介して面積を灌漑。一般的に生理食塩水0.5mlを洗い流すのに十分ですアクセラレータ。
    10. 送信機のベースの周りの皮膚を縫合するが、送信機をカバーしていません。送信機の上部には、効率的に神経信号を送信するために、皮膚の上でなければなりません。皮膚は、送信機と本機の周囲の接着剤の周囲に適度にタイトであるべきです。ビクリルまたは絹縫合糸(ソフト糸)を使用します。未成熟動物における皮膚が柔らかく、ソフトな縫合糸が使用されていない場合、容易に破損しています。成体動物のために、任意の縫合材料を使用しています。
    11. 定位フレームから動物を削除し、回復のための加熱毛布の上に置きます。
    12. 動物を確保ダムに戻る前に( すなわち 、完全に回復)温かい(37℃)、歩行です。動物は(動物が脱水された場合、皮膚が変形したままになります)、動物の背中の皮膚をつまんで水和されていることを確認します。動物が脱水される場合は、乳酸リンゲル緩衝液の皮下注射を投与します。それは維持するのに十分な意識を取り戻したまで無人動物を放置しないでください胸骨横臥位。
      1. 術後疼痛管理および注射部位の周囲に0.1ミリリットルブピバカインの皮下注射のために動物にブプレノルフィン(0.05ミリグラム/ kgの)を管理。
        注:最初から全体の手順を終了するには、この年齢の動物のための5〜10分(生後6日目)に完了する必要があります。外科的な時間は、より高齢の動物のために時間がかかる場合があります。

    3.ケアと住宅

    注:一部のダムは、デバイスを移植仔に耐えられない場合があります。ダムは寛容な人に選択する必要があります。ダムは、送信することによって、それらをピックアップしてケージの周りに仔を移動することが許容されます。

    1. 動物は離乳したら、それらのケージメイトからのデバイスの削除を避けるために、それらを単独で自社。
    2. 苦痛の徴候が存在する(ベルジャー内)致死ペントバルビタールの用量(25 mgの/ kg)またはイソフルランにより、動物を安楽死させます。
    3. (注)、ワイヤーインサートよい間でいくつかの動物飼育ケージ移植送信機とフェレ。動物は、ワイヤインサートの「バー」の間に挟ま送信機を得ることができないことを確認するために、ワイヤインサートの高さを確認してください。助けをあなたの獣医に相談してください。

    4.録音EEG

    1. それ自体でケージに動物を置くか同腹子とダムと同時収容しました。しかし、場所はただ1つのケージに動物を移植しました。以上2時間の録音室で一人で仔を放置しないでください。苦痛と脱水の徴候のために動物を監視します。
    2. 受信機のベースに供給される電源を接続し、電源ライトが点灯していることを確認します。 (バヨネットニール - Concelman)BNCケーブルを使用して、データ収集システムに受信機のベースを接続します。
    3. 受信機ベース( 図2)の上に動物のケージを置きます。 「信号」光が検出された送信元を示す点灯するはずです。データは現在、記録することができます。
    4. TOレコードデータは、アナログ-デジタル変換器に受信機ベースを接続し、コンピュータ( 図1)への変換器を接続します。
    5. 記録のサンプリングレートを設定します。データが適切にサンプリングされることを確認します。記録のために少なくとも250 Hzのサンプリングレート(推奨500 Hz)を選択します(送信機の帯域幅は、0.1〜100 Hzで)。
    6. デジタル化されたデータを保存し、MATLABなどの信号処理ソフトウェアパッケージを使用して分析します。

    5.脳波解析 - 全般

    1. 0〜100ヘルツから周波数領域に一時的なEEGデータを変換するためのFFT(高速フーリエ変換)を実行します。
    2. 10×10(PSD)をログに記録することによりウェルチ法に基づく256ハンウィンドウのセグメントを使用して、FFTからのパワースペクトル密度(PSDは)の推定値および正規化を行います。パワースペクトルは、所望の期間にわたってEEG信号を支配する特定の周波数を示します。
    3. 各動物からPSDの平均をとることにより、動物全体のグループデータ時間を一致させたトリートメントを超えます。 nは、動物(PSD痕跡)の数である1.96のx平均(PSD)/平方根(n)で、95%信頼区間を作成します。このような対照群対処置群を比較などの動物のコホートを横切るEEGの全周波数成分の定量的なレポートを生成するためのデータの平均値と95%信頼区間をプロットします。

    6周産期低酸素虚血(HI)モデルプロトコル

    1. P6を麻酔- 7ラットの仔(麻酔気化器からの入力にボックス)を麻酔ボックスに動物を配置することによって、イソフルラン麻酔(100%O 2と4%)を使用。開始時および手術中につま先ピンチ反射を15分ごとに確認してください。応答の欠如は、麻酔の十分なレベルを示します。
    2. その背中に子犬を置き、70%エタノール、10%ベタジンのアプリケーションを交互に首とスクラブを公開します。エタノール/ベタジンスクラブを3回繰り返します。
    3. sの首の皮膚に1cmの切開を作ります首の正中線でcissors。鉗子で皮膚を持ち上げ、ハサミでカットしてください。切開を行う際に筋組織を切断しないように注意してください。
    4. 頸動脈を露出させるために鈍的切開技術を使用してください。鈍的切開を行うために、鈍い鼻鉗子の二組を使用しています。組織内に先端を挿入し、外科用器具のバネ作用は、組織を広げてみましょう。頸動脈が露出するまで繰り返します。鮮やかな赤い色と可視パルスの存在により頸動脈を識別します。
    5. 鈍鉗子を使用して、迷走神経とは別の頸動脈。動脈と神経の間の鈍先端の鉗子を挿入します。鉗子を解放し、工具のバネ作用は、迷走神経から頸動脈を分離してみましょう。
    6. 場所の動脈瘤は、頸動脈の間隔で4〜5ミリメ​​ートルをクランプします。急速な動きを回避することによってクランプで動脈を損傷しないように注意してください。
    7. 動脈瘤クランプ間の頸動脈を焼灼。動脈を焼灼するために、ホット焼灼器先端にクランプ間の動脈をタッチします。動脈が切断された後、両端が適切に出血を避けるために焼灼されていることを確認します。
    8. クランプを外し、3縫合糸で首の切開を閉じます。唯一の筋肉組織を縫合しないように注意してください、皮膚を縫合。
    9. 動物は1時間で回復することができます。動物の呼吸を監視し、首から出血。出血がある場合は、HI(ステップ6.10)に動物を与えないでください。
    10. 37℃に温度制御されたチャンバ内に動物を配置し、連続2時間チャンバー内に8%O2 / 92%N 2の混合物を導入します。

Representative Results

我々は、 図1に図式化、単一の大人のげっ歯類から脳波を記録するという概念を開発し、実装IACUC承認プロセスでは、デザインが機関動物施設を、既存のにうまく統合する必要があります。;動物を削減するための統合ファラデーケージと受信機の内部に配置されている通常の "動物施設発行「住宅ケージに収容されている。そのため、システムを簡単​​に追加のスペースを使用することなく、標準的な動物施設に設置されるように設計されました電気的ノイズ。各受信ベースからの信号は、コンピュータ( 図1)に接続されるデジタイザーに配線することにより行われます。単一のコンピュータは、ユーザのデータ収集システムの能力に応じて、同時に記録された最大32の動物からのデータを収集するために必要とされます。このタイプのセットアップはほとんど電力を消費し、少し熱、気候制御の動物施設と互換性のある機能を生成します。データは、することができます実験的なモニタリングを可能にする、モニタ上にリアルタイムで表示され、外部ハードドライブ(10 TBの記憶装置)に長期的に保存されました。

ダムによるごみメイトと子犬の共食い現象による被害を最小限にするために、我々は様々な送信機のフォームファクタをテストしました。最終的なデザインは、ドーム状のシリンダでした。ラットはかむし、損傷しにくい形状。成体ラットの頭蓋骨上の個々の送信機は、 図2Aに示されており、標準的なげっ歯類のハウジングが配置された高濃度(32動物)レシーバベースと記録リグの初期バージョンは、 図2Bに示されています。電力効率が非常に重要な考慮事項でした。我々は、データ伝送プロトコルとして容量結合を選択しました。次のデザインは電池容量( 図2A)に応じて6ヶ月以上連続脳波を記録することができます。生後12日目(P12、 図3A)のように、若いマウスとP6のように若いラット(FIGURE 3B)は非常によく、送信機を容認します。 EEGデータの連続取得を維持しながら、シアノアクリレートと頭蓋骨に送信機を付着し、動物が成人期( 図3C)に送信機と一緒に成長することができます。

送信機と無線インタフェースのユニークな小型化されたフォームファクタは、ネオおよび周産期の状態の動物モデルでの作業に適しています。 図4のデータは、P7スプラーグ-ドーリーで低酸素性虚血性(HI)梗塞(8%O 2混合物と低酸素症の2時間、続いて頸動脈結紮)を、以下の亜急性発作活動の脳波記録の2チャネルを示していますラットの子犬13。 HI処理は、連結された頸動脈に半球同側に大きな病変を引き起こします。ここで、記録が負傷した脳の両半球の上に一般化2発作のクラスタを示しています。黒のトレースは、病変部に半球反対の脳波の活動を示しています青色のトレースは、(病変の領域にIE)同側半球に脳波を示しています。発作活動が脳の両半球に存在するが、ispilateral半球は、継続的な脳の損傷21の指標である脳波背景抑制を示しています。

てんかん重積状態は、有機リン酸エステル、DFP 22,23を動物に注射することによって、成体ラットにおいて誘導することができます。てんかん重積状態の指標である。図5に示す繰り返し脳波放電、中のデータ(時間的な展開図5A、B参照 )。サンプルトレースの下には、12時間以上のてんかん重積状態の時間経過を経時的に発作の強さを定量化し、非線形混合効果モデルを用いて分析されています。てんかん重積状態の重症度は、ガンマ帯(20〜60 Hz)でEEG力によって定義されます。ここで、上述した電力は、12匹の動物にわたって平均および95%信頼区間での12時間にわたってプロットしました。目電子データは、動物を連続的に監視された時に12時間かけて持続するDFP処理、最初の1時間内のガンマ電力の著しい増加を示しています。分析の次の方法は、急性てんかん重積状態の重症度の定量的測定を可能にする、という現象は、以前の行動対策を主に分析しました。それは古典的なEEGバンドのパワー計算を利用し、広範囲に我々の研究室24-26に抗痙攣薬の有効性を試験するための前臨床試験で使用されているので、我々は、一例として、この分析技術を含みます。おそらく無線遠隔測定で連続、途切れない無線記録を作るの最も貴重な側面は、低い発生率で発生する異常な自発的なイベントを記録する機能です。データのこれらのタイプは、無線送信機システムの広範な有用性を実証します。

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図1:生体信号を増幅する1)無線頭蓋骨に取り付けられた送信機、および標準的なげっ歯類の筐体の下に配置され2)レシーバープレート: エポック記録システムの概略無線記録システムは、2つのコンポーネントで構成されています。レシーバベースの出力は、4 Vのピーク·ツー·ピークの最大値まで増幅復調生体信号からなるアナログ信号です。この信号は、記録のためにデータ収集システムに供給することができます。

図2
図2:送信機と受信機は、この特定の無線送信機(A)は、4グラムと変位<3簡単にラットとマウスの頭蓋骨に装着されているボリュームの7×12ミリの設置面積1.4センチ重さ。送信機は、バッテリがドレインであるかを後に最大6ヶ月間の生体電位の2チャンネルを増幅することができますエド。より大きな電池は、より長い記録時間のために使用することができます。動物は、エポックレシーバ(B)の上に標準的なげっ歯類のケージ内に配置されています。右図の同時記録リグの各々の比較的小さなフットプリント( '×4' 2、約60センチメートル×120センチ)を実証する16の動物から記録することができる二つの別々の記録リグそれぞれの初期の例です。

図3
図3:ラットおよびマウスでの無線送信機を注入する送信機は、生後12日目(P12、上)のように、若いマウスでは最大6ヶ月間連続EEG記録を可能にします。中央の写真は、小型送信機を移植P7ラット仔です。動物が成熟するように、送信機は、しっかりと頭蓋骨に取り付けられたままになります。下部の動物はP280で、年齢P7で偽の送信機を移植しました。システムはSIMULTAを可能にします複数の動物からのジニアスと連続EEG記録は、前臨床、長期的、EEGモニタリング研究のために必要と同腹の数を減らすこと、離乳を通してP7歳。

図4
図4:テレメトリーシステムとのデュアルチャンネル録画低酸素虚血誘発性発作 8%O 2処理(低酸素)中頸動脈結紮後P7ラット仔(虚血)での無線遠隔測定で異常脳波のデュアルチャネル記録。 (A)及び(B)の波形の拡大図です。発作活動は、虚血性梗塞(青)と半球に存在する実質的な脳波抑制との両半球(黒、青)で存在しています。

図5
図5:録画ステータスepilepti成体ラットにおけるお客さま。表面EEG記録( すなわち 、硬膜)成体ラットにおける(DFP)処置をジイソプロピルに応答した小型無線遠隔測定システムです。上のトレース(AB)の網掛け期間は以下のトレースの波形のビューを拡大しています。無線送信機で記録したデータは、その後、動物のコホートにおいて、統計的な比較を可能にする周波数領域で分析することができます。 (C)データは、DFPの投与後12時間にわたる平均ガンマバンドパワーの95%信頼区間(20〜60ヘルツ)DFP誘発性てんかん重積状態次(N = 12)です。

図6
図6:発作及び血管海綿状奇形のトランスジェニックマウスモデルにおける脳波の変化の記録ここでは、我々はトランスジェニックマウス(A)目から録音発作活動を行っている時に。まず、通常のEEGパターン(1)が存在します。すぐに発作前に5発作(3)のクラスタが続いているプレ発作うつ病(2)の期間があります。発作に続いて、異常な発作放電が信号(4)中に存在しています。対照動物には、発作や異常脳波の特徴(B)を持っていません。

Discussion

これは、病気の小さな動物モデルにおいて長期の電子写真記録を行うことが非常に高価であることができます。単純な電気回路に依存すると低消費電力を重視することによって、我々は、長期モニタリング実験のコストを削減し、送信機システム( 図1および図2)を作成することができました。 6月のモニタリング実験の総コストは470ドルの低さに加え、動物(〜日当1.5ドル動物、200ドル送信機)のコストができました。送信機の小型化は、小型動物で途切れない連続的な電子写真記録、テザーまたは無線周波数ベースの無線記録システム( 図4)を用いて得ることは非常に困難であるヒト疾患の前臨床モデルを可能にします。最後に、送信機の頭蓋骨に取り付けられた性質は、それ以外の場合は、実験を損なう可能性が動物の手術時間とストレスを軽減します。ここでは、3デフから証明の原理実験を示し、発作のerent実験モデル:周産期低酸素虚血13、27、ラット仔28( 図4)、DFP誘発性てんかん重積状態( 図5)と海綿状血管奇形の遺伝的誘発モデルにおける発作( 図6)。

おそらくアーチファクトのない、長期的な電子写真記録を得るための最も重要な側面は、関心の皮質領域( 図4-6)に阻害されていない電極へのアクセスを確認することです。これは、共通の基準/接地電極を備えています。特に重要な硬膜外EEGアプリケーションに対して頭蓋骨に送信機を取り付けています。このプロセスの間、電極の非常に短い長さの所定のシアノアクリレートを有する電極の先端不注意にコートすることが可能です。シアノアクリレートに電極を被覆することEEG信号を減衰または完全に最悪のシナリオでそれらを分離することができます。良好な電気的接続bの同様に、不足etween共通基準/グランドと電気的に「うる​​さい」信号出力が得られ、送信機において、差動増幅器の正しい動作を防ぐことができます動物の脳。多くの場合、手術後の、良質の信号が頭蓋骨内のバーホールを取り囲む浮腫による最大48時間損なわれる可能性があります。浮腫がおさまるように、信号は一般的に向上させます。これは、バリ穴を作ることなく、頭蓋骨の表面に電極を配置することにより回避することができます。このプロセスの結果は、シアノアクリレートで被覆するために、電極を潜在的に増加し、高周波活性の低下による頭蓋骨の低域の電気的特性に、および潜在的には、電気信号​​における共通の基準/グラウンドレンダリングノイズを分離するためにしています。電極の練習正しい配置は、マウスやラットの頭蓋骨の厚さを模倣する木材やベニヤの薄片を用いて行うことができます。この原稿に示される結果は、資格を説明します無線遠隔測定技術を用いて得ることができる記録のリティ。

本明細書に記載した方法を用いて、外科的移植は、手術の複雑さに応じて、わずか10分を取ることができます。このような海馬のCA1領域として脳深部構造への外科的アクセスのためには、定位フレームに取り付けられたマイクロマニピュレーターに送信機を取り付けることをお勧めします。マイクロマニピュレータは、マウス29およびラット30脳のアトラスで公開定位座標による送信機を移植するために精度を外科医に提供します。これは、単に、シアノアクリレートで送信機に皮下注射針チューブの一部を仮付けした後、マイクロマニピュレータで皮下注射針を取り付けることによって行うことができます。前に皮膚を閉じた縫合に頭蓋骨に送信機を取り付けたときのx、y、およびz座標のマイクロマニピュレータの制御は、さらなる安定性を提供します。 PEの周りの骨ネジの追加送信機のrimeterは、彼らが必要ではないが、頭蓋骨に送信機を固定することができます。骨ねじは、リチウム - ピロカルピン処理した成体ラットなどの発作とてんかんの特定の動物モデルにおいて、しかし、効果的である可能性があります。これらの動物は、発作時に送信機を破損するおそれがあり強烈な運動活動と自発けいれん発作を有する傾向があります。さらなる複雑さは、これらの実験に加えることができます。例えば、送信機は、制御皮質インパクト31のような外傷性脳損傷の多くの異なるモデルと互換性があります。送信装置の耐久性をP7で送信機を動物に移植し、その後動物施設でそれらを収容することにより試験しました。 12ヶ月後、インプラントのほとんどは頭蓋骨に無傷のままでした。動物を安楽死させた場合には、頭蓋骨は正常であるように見えたし、送信機は、それを抽出するためにかなりの力を必要とし、頭蓋骨に埋め込まれました。ときに脳深部構造に注意してください研究されています。脳が成長し、電極が静止しているように、電極の最終位置は変化することが予想されます。ここに記載された技術では、電極は、通常、脳と頭蓋骨の両方を成長させ、硬膜、上および電極が元の位置に留まることのために配置しました。送信機は使用することができる期間の制限因子は、電池の大きさである( すなわち、電池がなくなるまで)。

送信機の筐体の自己完結型のモノリシック設計は、( すなわち 、送信機は、ハードエポキシ樹脂に埋め込 ​​まれている)ダムとその同腹仔に収容された未熟仔との使用に適しています。ダムによる仔の移植ハードウェアや共食いの破壊で有線テザーの結果と多くの場合、共同住宅移植した動物。送信機の滑らかな壁形状がほとんどないハードウェア障害や共食いによる仔の損失と移植を可能にします。

Disclosures

博士。レムクールとドゥデクは、エポックワイヤレス生体電位記録システムの設計者をEpitel社の金融関心を持っています。

Acknowledgements

この作品は、神経疾患の国立研究所脳卒中R43 / R44 NS064661により資金を調達しました。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sterile Surgical Gloves Protective Industrial Products 100-3201 PF Powder Free Sterile Latex Surgical Glove
Scalpel Handle FST 10003-12
Scalpel Blade #15 FST 10015-00
Fine Scissors FST 14090-09
Burr tool Ram Products, Inc. Microtorque II
Fine burr FST 19007-07
Aneurism clip ROBOZ RS-5422
Toothed Forceps FST 11022-14
Cotton-Tipped applicators McKesson 24-103
Needle Driver WPI 521725 Olsen-Hegar Needle Holder
Cyanoacrylate gel Henkel Loctite 4541
Cyanoacrylate accelerant Henkel Loctite 7452
Suture Ethicon Vicryl RB-1 J304
Elecrocautery disposable Bovie AA01 Fine Tip
Surgical Tray FST 20311-21
Epitel Receiver Base Epitel Inc N/A
Epitel wireless transmitter Epitel Inc N/A
Biopac digitizer Biopac MP-150
PC-compatible computer

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