Name: long-term continuous eeg monitoring in small rodent models of human disease using the epoch wireless transmitter system
Uploaded: 2015-07-21T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 43 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Long-term Continuous EEG Monitoring in Small Rodent Models of Human Disease Using the Epoch Wireless Transmitter System at JoVE.com

Questo lavoro è stato finanziato attraverso l&#39;Istituto Nazionale di Malattie Neurologiche e Stroke R43 / R44 NS064661.

Seguire le linee guida istituzionali per la cura degli animali per strumento chirurgico di sterilizzazione, e modificare il protocollo se necessario per rispettare gli orientamenti e ottenere l&#39;approvazione da parte Istituzionale Animal Care and Use Committee dell&#39;istituto (IACUC). 1. Preparazione chirurgica <ol><li> Pulire e preparare il trasmettitore al fine di garantire un intervento chirurgico sicuro e sterile. Rimuovere il trasmettitore dal suo imballo antistatico e sia spruzzo o immergersi nel 70% di etanolo. Trasmettitore Sciacquare con soluzione salina sterile e posto tra le spugne di cotone sterili imbevute di soluzione salina sterile o tenere immersi in soluzione fisiologica sterile. </li><li> Raccogliere e sterilizzare gli strumenti necessari per un intervento chirurgico; autoclave a vapore per la sterilizzazione. Vedi tabella dei materiali e reagenti per l&#39;elenco degli strumenti chirurgici. </li></ol> 2. impianto chirurgico <ol><li> Anestetizzare animali e mantenere l&#39;anestesia secondo il protocollo IACUC approvato. Presso dell&#39;inizio e durante surcontrollare gery il riflesso punta pizzico ogni 15 min. La mancanza di risposta indica sufficiente livello di anestesia. <ol><li> Per cuccioli, utilizzare anestesia isoflurano (4%) con O 2 (100%). Per gli adulti, utilizzare ketamina (100 mg / kg) con xilazina (10 mg / kg). </li></ol></li><li> Fissare posizione nel telaio stereotassico. Posizionare i suggerimenti della barra orecchio nel meato uditivo. Non stringere eccessivamente bar orecchie come il cranio è molto morbido in giovani cuccioli di ratto. Fissare il cono anestesia naso. <ol><li> Tenere il caldo animale durante l&#39;intervento chirurgico ponendolo sulla rampa di riscaldamento impostato a 37 ° C. In animali adulti, applicare lubrificante unguento per gli occhi dell&#39;animale. </li></ol></li><li> Sterilizzare sito di incisione e mantenere campo chirurgico sterile. <ol><li> Tampone il cuoio capelluto con alternanza di applicazioni del 70% di etanolo e betadine. Avviare al centro del cuoio capelluto e rendere sempre più ampi cerchi concentrici. </li><li> Coprire l&#39;animale con drappeggio e condurre l&#39;intervento chirurgico su animali drappeggiato. Mantenere i steriLe campo operatorio allineando la chirurgica set-up con teli sterili, le apparecchiature a spruzzo con il 70% di etanolo. </li><li> Indossare guanti chirurgici sterili e di abito (o come richiesto dall&#39;istituzione). Per aiutare a mantenere campo sterile, utilizzare un assistente di chirurgia. </li></ol></li><li> Fare un&#39;incisione sul cuoio capelluto dell&#39;animale leggermente dietro gli occhi lungo la linea mediana, di circa 2 cm. Prestare attenzione quando si inserisce il bisturi come il cranio è ancora molto morbido in giovani cuccioli di ratto. Fare un unico taglio così l&#39;incisione sanguina meno, e guarisce più veloce. </li><li> Esporre il cranio. Preparare una superficie pulita e asciutta per massimizzare il legame tra il trasmettitore e le ossa del cranio. Utilizzare clip aneurisma di cogliere cuoio capelluto. <ol><li> Tirare delicatamente il cuoio capelluto lontano dalla linea mediana a quattro angoli. Cercare punti di riferimento anatomici come bregma e lambda nel cranio. Ricorda ossa del cranio non sono fuse in animali a questa età. Utilizzare l&#39;atlante Paxinos di coordinate stereotassica per trovare la posizione corretta per il foro cranico. </li></ol&gt; </li><li> Utilizzare uno strumento Dremel-tipo con un po &#39;radica di tipo trapano. Creare due fori radica in posizioni di registrazione desiderati con i fori di essere più grandi di 300 micron di diametro. Posizionare il foro cranico per l&#39;elettrodo di riferimento nel cervelletto dietro il lambda del cranio. </li><li> Assicurarsi che i fili del trasmettitore siano allineati con i fori bava. Se i fili degli elettrodi non sono allineati, la contaminazione colla degli elettrodi è probabile, e si tradurrà in segnale debole. Per allineare i fili, controllare la misura del trasmettitore e delicatamente piegare gli elettrodi per allineare sui siti previsti per i fori bava. </li><li> Tagliare i cavi degli elettrodi. Utilizzare forbici chirurgiche per tagliare gli elettrodi alla lunghezza desiderata. La profondità dell&#39;elettrodo è importante per il tipo di registrazione richiesto per l&#39;esperimento (cioè, gli elettrodi sopra dura per le registrazioni EEG, o utilizzare le coordinate stereotassica per strutture cerebrali definiti). </li><li> Applicare generosamente cianoacrilato sulla base del trasmettitore to coprire l&#39;area avendo cura di evitare rivestimento elettrodi. Colla cianoacrilato è un isolante elettrico, contaminando elettrodi con colla provocherà alcun segnale. <ol><li> Se si registra da strutture cerebrali profonde, montare il trasmettitore sul supporto della cannula e collocarlo nel braccio stereotassica per il controllo z. Abbassare il trasmettitore con il braccio stereotassico di appropriarsi di profondità e il luogo gel cianoacrilato intorno al trasmettitore. </li></ol></li><li> Cranio completamente asciutto prima di collocare il trasmettitore per assicurare una forte legame adesivo. Applicare trasmettitore rivestito con cianoacrilato al cranio. Fate attenzione ad allineare gli elettrodi con corrispondenti fori bava. <ol><li> Cercate di evitare le principali strutture vascolari dannosi. Mantenere il trasmettitore in posizione con una leggera pressione per un minuto. Utilizzare leggera pressione per formare un forte legame tra il trasmettitore e il cranio. </li></ol></li><li> Applicare cianoacrilato aggiuntivo, abbastanza per sigillare completamente interfaccia trasmettitore / cranio. Per garantire agood forma e forte legame, massimizzare la superficie della colla che contatta il cranio. Applicare l&#39;adesivo cianoacrilato in un cerchio intorno al trasmettitore, assicurandosi che sia il cranio e la parete del trasmettitore sono coperti. </li><li> Applicare accelerante chimico (0,1 ml) attraverso una siringa attorno al cianoacrilato alla base del trasmettitore impiantato. Utilizzare accelerante con parsimonia, facendo attenzione a non applicare ai tessuti adiacenti. Nota: accelerazione chimica della reticolazione cianoacrilato assicura che il forte legame tra il trasmettitore e il cranio si forma rapidamente. Cianoacrilato accelerante è utile per polimerizzazione velocità di adesivo, ma non è necessario. </li><li> Rimuovere l&#39;accelerante lavando accuratamente la zona con soluzione salina sterile. Cianoacrilato acceleratore può causare irritazione dei tessuti se non lavate dalla zona di incisione. Per lavare l&#39;area, riempire una siringa da 1,0 ml di soluzione fisiologica sterile e irrigare l&#39;area attraverso un ago di siringa. Generalmente 0,5 ml di soluzione salina è sufficiente per lavarel&#39;acceleratore. </li><li> Suturare la pelle intorno alla base del trasmettitore, ma non coprire il trasmettitore. Top of trasmettitore deve essere al di sopra della pelle per trasmettere in modo efficiente segnali neurali. Pelle deve essere ragionevolmente stretto intorno il trasmettitore e il collante intorno all&#39;unità. Utilizzare Vicryl o sutura di seta (filo molle); pelle negli animali immaturi è morbido ed è facilmente danneggiato se non si usano suture morbide. Per gli animali adulti, utilizzare qualsiasi materiale di sutura. </li><li> Rimuovere animale dal telaio stereotassico e posto sulla coperta riscaldata per il recupero. </li><li> Assicurarsi che gli animali sono calde (37 ° C) e ambulatoriale (ad esempio, completamente recuperata) prima di tornare alla diga. Assicurarsi che l&#39;animale è idratata pizzicando la pelle sul dorso dell&#39;animale (se l&#39;animale è disidratata, la pelle rimarrà deformata). Se animale è disidratato, somministrare l&#39;iniezione sottocutanea di tampone di Ringer lattato. Non lasciare l&#39;animale incustodito fino a quando non ha ripreso conoscenza sufficiente a manteneredecubito sternale. <ol><li> Somministrare buprenorfina (0,05 mg / kg) di animali per la gestione del dolore post-operatorio e una iniezione sottocutanea di 0,1 ml di bupivacaina attorno al sito di iniezione. Nota: Dall&#39;inizio alla fine l&#39;intera procedura dovrebbe essere completata in 5-10 minuti per animali di questa età (giorno di vita 6). Tempo chirurgica può richiedere più tempo per gli animali più anziani. </li></ol></li></ol> 3. Cura e dell&#39;edilizia abitativa Nota: alcuni dighe potrebbero non tollerare cuccioli impiantati con il dispositivo. Dighe possono avere bisogno di essere selezionati che sono tolleranti. È accettabile per la diga di muoversi intorno alla gabbia cuccioli prendendoli dal trasmettitore. <ol><li> Una volta che gli animali sono svezzati, singolarmente-ospitarli per evitare la rimozione dei dispositivi da loro compagno gabbia. </li><li> Eutanasia animali da dose letale di pentobarbital (25 mg / kg) o isoflurano (in una campana) quando sono presenti segni di sofferenza. </li><li> Nota, alcune gabbie di ricovero per animali con inserti di filo possono inFere con i trasmettitori impiantati. Assicuratevi di controllare l&#39;altezza dell&#39;inserto filo per assicurarsi che gli animali non possono ottenere il trasmettitore stretta tra le &quot;barre&quot; dell&#39;inserto filo. Consultare il proprio veterinario per aiuto. </li></ol> 4. Registrazione EEG <ol><li> Inserite l&#39;animale in una gabbia da solo o co-ospitato con fratellini e la diga. Tuttavia, posto solo uno impiantato animale in una gabbia singola. Non lasciare cuccioli soli nella camera di registrazione per più di 2 ore. Monitorare gli animali per i segni di sofferenza e di disidratazione. </li><li> Collegare l&#39;alimentatore fornito alla base del ricevitore e verificare che l&#39;indicatore di alimentazione è illuminato. Collegare la base ricevitore ad un sistema di acquisizione dati utilizzando cavi (Bayonet Neil-Concelman) BNC. </li><li> Posizionare la gabbia animale sulla parte superiore della base del ricevitore (Figura 2). La spia &quot;segnale&quot; si accenderà indicando un trasmettitore è stato rilevato. I dati possono ora essere registrati. </li><li> To registrare dati, connettere la base ricevente ad un convertitore analogico-digitale e collegare il convertitore a un computer (Figura 1). </li><li> Impostare la frequenza di campionamento della registrazione. Assicurarsi che i dati vengono campionati correttamente. Selezionare almeno 250 Hz frequenza di campionamento (500 Hz consigliata) per la registrazione (banda del trasmettitore è 0,1-100 Hz). </li><li> Salvare i dati digitalizzati e analizzare utilizzando pacchetti software-elaborazione del segnale come Matlab. </li></ol> 5. EEG Analysis - Generali <ol><li> Eseguire FFT (trasformata di Fourier veloce) per trasformare i dati EEG temporali nel dominio della frequenza da 0-100 Hz. </li><li> Effettuare una stima della densità spettrale di potenza (PSD) dal FFT con 256 segmenti Hann-finestre in base al metodo di Welch e normalizzato da 10 x 10 log (PSD). Gli spettri di potenza mostrano le frequenze specifiche che dominano il segnale EEG nel periodo di tempo desiderato. </li><li> Dati Group in tutta animali prendendo la media del PSD da ciascun animalerispetto alle terapie in tempo abbinato. Creare intervalli di confidenza al 95% da 1,96 x media (PSD) / radice quadrata (n), dove n è il numero di animali (tracce PSD). Tracciare i media e il 95% intervallo di confidenza dei dati per generare una relazione quantitativa di tutto il contenuto in frequenza del EEG attraverso coorti di animali come il confronto gruppi trattati contro gruppi di controllo. </li></ol> 6. perinatale ipossia-ischemia (HI) modello di protocollo <ol><li> Anestetizzare il P6 - 7 dei ratti usando isoflurano (4% al 100% O 2) ponendo l&#39;animale in una scatola anestesia (box con il contributo di anestesia vaporizzatore). In avvio e durante l&#39;intervento verificare la convergenza pizzico reflex ogni 15 min. La mancanza di risposta indica sufficiente livello di anestesia. </li><li> Posizionare il cucciolo sul dorso, esporre il collo e strofinare con alternanza applicazioni di etanolo al 70% e il 10% betadine. Ripetere la macchia di etanolo / Betadine 3 volte. </li><li> Fare da 1 cm incisione nella pelle del collo con scissors alla linea mediana del collo. Sollevare la pelle con una pinza ed effettuare il taglio con le forbici. Fare attenzione a non tagliare il tessuto muscolare quando si effettua l&#39;incisione. </li><li> Utilizzare tecnica smussa per esporre carotide. Per eseguire smussa, usare due coppie di pinze smussato-naso. Inserire le punte nel tessuto e lasciare che l&#39;azione della molla dello strumento chirurgico diffondere il tessuto. Ripetere l&#39;operazione fino a quando carotide è esposto. Identificare carotide da un colore rosso vivo e la presenza dell&#39;impulso visibile. </li><li> Separate carotide dal nervo vago con pinze smussato. Inserire le pinze smussato a punta tra l&#39;arteria e il nervo. Rilasciare le pinze e lasciare l&#39;azione primavera dello strumento separato carotide dal nervo vago. </li><li> Luogo aneurism morsetti 4-5 mm l&#39;uno dall&#39;altro sulla carotide. Fare attenzione a non danneggiare l&#39;arteria con le pinze, evitando movimenti rapidi. </li><li> Cauterizzare la carotide tra i morsetti aneurisma. Per cauterizzare l&#39;arteria, Toccare l&#39;arteria fra le ganasce con una punta cauterizer caldo. Dopo che l&#39;arteria è tagliata, garantire entrambe le estremità siano correttamente cauterizzato per evitare emorragie. </li><li> Rimuovere i morsetti, chiudere l&#39;incisione collo con 3 punti di sutura. Solo suturare la pelle, fare attenzione a non suturare il tessuto muscolare. </li><li> Permettere agli animali di recuperare per 1 ora. Monitorare respirazione dell&#39;animale e sanguinamento dal collo. Se il sanguinamento è presente, non sottoporre l&#39;animale a HI (passo 6.10). </li><li> Posto l&#39;animale in una camera a temperatura controllata a 37 ° C e continuamente introdurre O 2/92% miscela 8% N 2 nella camera per 2 ore. </li></ol>

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Neurotrauma. 29 (5), 789-812 (2012).</li></ol>

Drs. Lehmkuhle e Dudek hanno un interesse finanziario in Epitel, Inc., i progettisti del sistema di registrazione biopotenziale wireless Epoca.

Può essere molto costoso per effettuare registrazioni elettrografiche a lungo termine in modelli piccoli animali della malattia. Facendo affidamento su semplici circuiti elettrici ed enfatizzando consumo a bassa potenza, siamo stati in grado di creare un sistema di trasmettitore (figure 1 e 2) che riduce il costo di esperimenti di monitoraggio a lungo termine. Il costo totale di un esperimento di controllo sei mesi potrebbe essere a partire da $ 470, più il costo di un animale (~ 1,5 dollari animale diaria, 200 dollari trasmettitore). Le piccole dimensioni del trasmettitore consente registrazioni continue elettrografiche ininterrotte in piccoli animali, modelli pre-clinici di malattie umane, che sono molto difficili da ottenere con i sistemi di registrazione wireless basati radiofrequenza tethered o (Figura 4). Infine, la natura montato cranio del trasmettitore riduce il tempo di intervento chirurgico e stress sul animale che può altrimenti compromettere un esperimento. Qui vi mostriamo proof-of-principle esperimenti da tre differenti modelli sperimentali di epilessia: perinatale ipossia-ischemia 13, 27, 28 in un cucciolo di ratto (figura 4), ​​epilettico DFP-indotta stato (Figura 5) e convulsioni in un modello geneticamente indotta malformazioni vascolari cavernosi (Figura 6). Forse l&#39;aspetto più critico per l&#39;ottenimento di registrazioni elettrografiche privo di artefatti, a lungo termine è quello di verificare l&#39;accesso elettrodo disinibito alla regione corticale di interesse (Figura 4-6). Ciò include l&#39;elettrodo comune di riferimento / terra. Particolarmente critico è collegare il trasmettitore al cranio per le applicazioni EEG epidurale. Durante questo processo, è possibile inavvertitamente rivestire la punta degli elettrodi con cianoacrilato data la lunghezza molto breve degli elettrodi. Rivestimento gli elettrodi in cianoacrilato può attenuare le segnali EEG o completamente isolarli nel peggiore dei casi. Allo stesso modo, la mancanza di una buona connessione elettrica bra comune di riferimento / terra e cervello dell&#39;animale impedisce il corretto funzionamento dell&#39;amplificatore differenziale nel trasmettitore, con conseguente elettricamente &quot;noisy&quot; uscita del segnale. Spesso, dopo l&#39;intervento chirurgico, i segnali di buona qualità può essere compromessa per un massimo di 48 ore a causa di un edema che circondano i buchi bave nel cranio. Come l&#39;edema si abbassa, i segnali generalmente migliorano. Ciò può essere evitato inserendo gli elettrodi sulla superficie del cranio senza foratura bave. Le conseguenze di questo processo sono aumentati potenziale per rivestire gli elettrodi con cianoacrilato, una ridotta attività ad alta frequenza a causa dei passa-basso caratteristiche elettriche delle ossa del cranio, e la possibilità di isolare elettricamente il comune di riferimento / terra rumore rendendo nei segnali. Praticando il corretto posizionamento degli elettrodi può essere fatto con un pezzo sottile di legno o impiallacciatura che imita lo spessore del mouse o ratto cranio. I risultati presentati in questo manoscritto illustrano la qualità di registrazioni che si possono ottenere con la tecnologia telemetria wireless. Impianto chirurgico utilizzando il metodo qui descritto può richiedere un minimo di 10 minuti, a seconda della complessità della chirurgia. Per accesso chirurgico strutture cerebrali profonde, come la regione CA1 dell&#39;ippocampo, è preferibile fissare il trasmettitore ad un micromanipolatore montato su un telaio stereotassico. Il micromanipolatore fornirà il chirurgo con la precisione di impiantare il trasmettitore secondo coordinate stereotassica pubblicati nell&#39;atlante dei topo e ratto 29 30 cervello. Questo può essere fatto semplicemente imbastitura un pezzo di tubo ipodermico al trasmettitore con cianoacrilato e quindi montare il ago ipodermico in micromanipolatore. Controllo micromanipolatore di x, y, e Z fornirà stabilità durante il montaggio del trasmettitore al cranio prima sutura della pelle chiuso. L&#39;aggiunta di viti ossee intorno al perimeter del trasmettitore può contribuire ad ancorare il trasmettitore al cranio, anche se non sono necessarie. Viti ossee potrebbero essere efficaci, tuttavia, in alcuni modelli animali di epilessia ed epilessia, come ratto adulto litio-pilocarpina trattati. Questi animali tendono ad avere convulsioni spontanee con l&#39;attività motoria intensa che potrebbero danneggiare il trasmettitore durante il sequestro. Complessità aggiuntiva potrebbe essere aggiunto a questi esperimenti. Per esempio, il trasmettitore è compatibile con molti modelli differenti di lesioni cerebrali traumatiche, come l&#39;impatto corticale controllato 31. La durata del dispositivo trasmettitore è stato testato da impianto di animali con trasmettitori a P7, e poi li ospita nella struttura animali. Dopo 12 mesi, la maggior parte degli impianti è rimasta intatta sul cranio. Quando gli animali sono stati sottoposti ad eutanasia, i teschi sembrava essere normale e il trasmettitore è stato incorporato nelle ossa del cranio, che richiede una forza notevole per estrarlo. Fare attenzione quando strutture cerebrali profondesono studiati; come il cervello cresce, e gli elettrodi rimane ferma, la posizione finale degli elettrodi si penserebbe che cambiare. Per le tecniche qui descritte, gli elettrodi sono stati generalmente posizionati sopra la dura madre, che ha permesso sia il cervello e il cranio di crescere e per gli elettrodi di rimanere nelle loro posizioni originali. Il fattore limitante in quanto tempo il trasmettitore può essere utilizzato è la dimensione della batteria (vale a dire fino a quando la batteria si esaurisce). Un design monolitico autonomo (cioè il trasmettitore è incorporato in hard epossidica) di abitazioni del trasmettitore si presta per l&#39;uso con i cuccioli immaturi sono alloggiati con la diga e loro fratellini. Spesso, co-housing impiantato animali con Tethers cablati risultati nella distruzione dell&#39;hardware impiantato o cannibalizzazione dei cuccioli dalla diga. La forma liscia parete del trasmettitore permette per l&#39;impianto praticamente senza guasti hardware o una perdita di cuccioli a causa di cannibalizzazione. <p class = &quot;jove_content&quot;&gt; Lo schema di trasmissione capacitivo accoppiato a bassa potenza in questo sistema si presta bene per l&#39;impiego in diversi scenari sperimentali, come il posizionamento in un incubatore a temperatura controllata o anche per l&#39;utilizzo con apparati sperimentali, come le camere pletismografia. Analogamente, la forma dell&#39;antenna ricevente può essere manipolata per adattarsi in molti ambienti comportamentali diversi, come l&#39;elevata gamma T-maze.The del trasmettitore a pochi pollici come il trasmettitore deve essere in grado di &quot;guidare&quot; (coppia capacitivamente a) l&#39;antenna ricevente e si basa su l&#39;animale a essere alloggiati in gabbie roditori standard o adatto gabbia coperta dalla superficie antenna ricevente. Il trasmettitore agisce come un polo di un campo elettrico mentre il corpo dell&#39;animale agisce come un altro polo. Il campo è tale che alcuni indirizzi, ad esempio 90 ° fuori fase con l&#39;antenna del ricevitore, non riuscirà a guidare l&#39;antenna ricevente conseguente &quot;drop out&quot;. Questo è un evento piuttosto raro. I lavori futuri con questa tecnologia permetterà la registrazione da più animali nella stessa gabbia che ridurrà i costi di imbarco e consentire l&#39;interazione sociale. Ulteriori sviluppi comporteranno l&#39;aumento del numero di canali tra cui la temperatura, e elettromiogramma. Il design attuale del dispositivo fornisce una larghezza di banda che è ottimizzato per la ricodifica di bande EEG classici, che non è adatto per la registrazione di ondulazioni veloci o oscillazioni ad alta frequenza. In futuro, il dispositivo può essere modificato per registrare i componenti ad alta frequenza del segnale, ma a costo di vita della batteria. Diversi tipi di trasduttori comprenderanno pressione sanguigna e pressione-volume, e anche la costruzione di una disposizione degli elettrodi trasmettitore dimensioni specificate dall&#39;utente secondo coordinate stereotassiche delle strutture cerebrali desiderati.

Il più vecchio - e tuttora il più utilizzato - tecnica per la registrazione biopotenziali nel cervello è l&#39;elettroencefalogramma (EEG). È usato clinicamente per alterazioni neurologiche, tra cui il rilevamento sequestro 1, localizzazione del sequestro focolai 2, e la diagnosi di trauma cranico 3,4. Questa tecnica è anche ampiamente usato per fornire informazioni fondamentali sui meccanismi di sonno e per diagnosticare disturbi del sonno 5,6. Come nella diagnosi clinica delle epilessie, l&#39;EEG è diventato indispensabile per la ricerca traslazionale in modelli animali di epilessia sia genetici e acquisiti. Nelle applicazioni di ricerca in corso, &quot;wired&quot; o registrazioni &quot;legato&quot; sono standard, e vengono regolarmente eseguite in roditori adulti per settimane alla volta 7. Tuttavia, il rumore elettrico, artefatti da movimento, e il rischio che legava animali si ferirà tirando il cavo hanno lunghi compromised questi esperimenti. Così, per migliorare le condizioni e tassi di successo sperimentale, abbiamo bisogno di sviluppare nuove tecnologie che consentano di eliminazione dell&#39;interfaccia cablata tra l&#39;animale e la strumentazione. La zona più evidente di sviluppo è la progettazione e l&#39;implementazione di sistemi di telemetria che consente registrazioni di alta qualità, pur mantenendo una vita utile lunga e riducendo al minimo il disagio per i soggetti animali. La riduzione delle dimensioni fisiche di questi dispositivi permetterà ricerca traslazionale in modelli di roditori neonatali e giovanili di disturbi neurologici. Basso numero di canali EEG nei ratti sono impiegati ampiamente per lo sviluppo di nuove terapie per sopprimere gli attacchi epilettici in grado di traduzioni per gli esseri umani. Le registrazioni da uno o più siti per un periodo prolungato aprono molte possibilità per l&#39;utilizzo di modelli di roditori di epilessia nella ricerca traslazionale. Gran parte della ricerca contemporanea in questo campo mira a bloccare il verificarsi di Seiz cronicaUres o lo sviluppo di epilessia (ad esempio, epilettogenesi), e tali sforzi di ricerca richiedono ampie se il monitoraggio EEG non continuo per saggiare l&#39;efficacia della terapia proposta 8; un piccolo sistema di telemetria, semplice, con uno, due o quattro canali operativi tra 0.1-100 Hz per canale promuoverà fortemente questo tipo di ricerca traslazionale. Sequestri elettrografici si verificano spesso a comportamenti minimi (certamente senza convulsioni), che limita l&#39;utilità del test basati sui sequestri comportamentali. La strategia di combinare la registrazione EEG e video controllo simultaneo permette la possibilità di catturare ogni sequestro; e, inoltre, questi approcci analitici possono consentire la valutazione quantitativa delle punte interictali che si verificano nel cervello epilettico tra eventi 9 &quot;ictale&quot; (o sequestro). Inoltre, la capacità di ottenere continuo ad alta qualità a basso artefatto EEG registrazioni, per cui la tecnologia wireless è generalmentesuperiore, permetterà lo sviluppo di uso di algoritmi basati su computer per studiare specifiche forme d&#39;onda EEG (ad esempio, theta, gamma), così come il rilevamento automatico di convulsioni, riducendo notevolmente il carico di lavoro dello sperimentatore. Il modello pre-clinico primario per studiare epilessia cronica dopo una lesione cerebrale è il ratto adulto o il mouse, tramite una chemio-convulsivante (cioè acido kainico o pilocarpina) o stato indotto elettricamente epilettico (SE), che è seguita da epilessia cronica. In queste condizioni, le convulsioni gravi associati SE o successivi convulsioni negli animali epilettiche possono causare lesioni da strappo animale o tirando il tether e allentando le viti che mantengono il fissaggio del headcap. In definitiva, è questo problema che termina di solito questi esperimenti, e tuttavia la necessità di ottenere ad alta risoluzione record EEG a lungo termine per gli esperimenti volti a sviluppare nuove terapie per la cronicaepilessia è fondamentale. Inoltre, l&#39;alloggio, il monitoraggio e l&#39;analisi dei dati provenienti da animali a lungo termine impiantati è un notevole investimento sia dei costi diretti e tempo sperimentatore; Pertanto, risoluzione anticipata del esperimento può comportare costi significativi per i ricercatori. Poiché questi modelli di progresso epilessia, le convulsioni di solito diventano più frequenti e più gravi 10-12, aumentando la probabilità che gli animali sono feriti, così come la loro utilità per lo sviluppo di nuove terapie diventa più grande. Questi animali possono sviluppare sistematicamente decine di attacchi convulsivi al giorno, spesso si verificano in grappoli 13. Probabilmente uno degli sviluppi più importanti della scienza biomedica è stato l&#39;uso di gene targeting in modelli murini. Questo approccio ha permesso, e continuerà a permettere lo sviluppo di modelli animali di epilessia genetica che riproducono effettivi sindromi umane 14-16. Manipolazioni genetiche possono essere intraprese comeproof-of-principle terapie per sopprimere crisi epilettiche o addirittura bloccare lo sviluppo di epilessia dopo danno cerebrale 17-20. Questo tipo di ricerca beneficerebbe notevolmente da la capacità di eseguire high-throughput registrazione continua della EEG. Attualmente, è possibile registrare da topi sia con sistemi frenati o di telemetria; tuttavia, le sfide di ottenere alta qualità, registrazioni prive di artefatti sono sostanzialmente più difficile che i ratti, e spesso questo richiede varie forme di zaini che i topi continuamente tentano di rimuovere. Lo stress potrebbe aumentare gravità delle crisi, la frequenza e / o durata, e quindi in ultima analisi modificare l&#39;epilessia degli animali da esperimento, confondendo così lo studio. Un piccolo, leggero, low-profile sistema di telemetria in miniatura faciliteranno la registrazione di lungo termine EEG da modelli genetici murini di malattie umane. In aggiunta ai problemi sopra descritti, la registrazione EEG nel modello di roditore immatures di malattia ha una propria serie di sfide. Animali immaturi possono pesare il meno 6 g (P8 mouse) per 17 g (P6 ratto). E &#39;praticamente impossibile fare di serie più giorni frenati registrazioni di EEG a causa di un aumento dello stress da cavezza e l&#39;incapacità di permettere all&#39;animale di impennarsi del cucciolo dalla diga. Fino a quando gli animali vengono svezzati, devono rimanere nella cura della diga. La diga è incline a distruggere qualsiasi complesso connettore esteriorizzato sul cucciolo, interrompere il cucciolo, e in alcuni casi terminare l&#39;intera cucciolata. Inoltre, il roditore teschio immaturo rende difficile montare qualsiasi piedistallo elettrodo al cranio con integrità meccanica. Queste sfide, uniche per roditori immaturi, richiedono una nuova soluzione per effettuare registrazioni elettrografiche robusto, lungo termine. Qui ci concentriamo sulla dimostrazione l&#39;impianto e la registrazione di EEG usando un nuovo trasmettitore wireless in miniatura e presenti tre esperimenti proof-of-principio come esempi per l&#39;uso del sistema di telemetria wireless in miniatura: 1) l&#39;immaturo modello di ratto pup di ipossia-ischemia, 2) topi adulti trattati con DFP per indurre lo stato di male epilettico e successive crisi spontanee, e 3) il modello genetico di malformazioni cavernose vascolari che si traducono in convulsioni e morte nei topi adulti. Il sistema di telemetria wireless in miniatura è stato progettato per soddisfare quattro esigenze principali: (1) impianto chirurgico minimamente invasivo; (2) la compatibilità per l&#39;alloggiamento dei cuccioli roditori con la diga e fratellini; (3) un basso consumo di potenza dell&#39;unità, permettendo così mesi di monitoraggio continuo senza chirurgica reimpianto; e (4) possibilità di registrare forme d&#39;onda EEG di alta qualità con il minimo artefatti da movimento. Il trasmettitore wireless pesa &lt;0.6, 2.3 e 4 g ed è &lt;0,3, 0,8, e 1,4 cm 3 in funzione della batteria con un ingombro di 5 x 7, 7 x 9, o 7 x 12 mm che monta facilmente al cranio dell&#39;animale con gel di cianoacrilato. Senza tasselli osseo sono necessari per apporre saldamente il dispositivocranio, riducendo il numero di fori che devono essere perforati nel cranio e il tempo chirurgico. Il dispositivo è in grado di amplificare due canali di EEG o potenziali di campo locale di strutture cerebrali profonde, come l&#39;ippocampo, per oltre 2 settimane, 2 mesi o 6 mesi in questa configurazione. Le piccole dimensioni del trasmettitore wireless riduce il rischio di infezione, aumenta la mobilità degli animali, e, infine, riduce la morbilità e la mortalità che aumenta in caso contrario il tempo, denaro, e il numero di animali necessari per un esperimento. Tutta l&#39;elettronica e la batteria sono in vaso in resina epossidica medico-grado che rende il dispositivo impermeabile e resistente, impedendo la diga da masticare sul trasmettitore che altrimenti potrebbero rendere il dispositivo inutilizzabile. Diversamente trasmettitori radio-frequenza, il sistema di telemetria utilizza accoppiamento capacitivo tra il trasmettitore ed un&#39;antenna ricevente che si trova sotto la gabbia per animali, permettendo all&#39;utente di mantenere gli animali in abitazioni roditore standard. Più canali di recording consentire la registrazione di biopotenziali multimodali, come elettrocardiogramma e l&#39;elettroencefalogramma. Modelli animali di comorbidità beneficeranno dalla possibilità di registrare biopotenziali durante il comportamento 21-23. La combinazione di comportamento con monitoraggio EEG sarà fornire ai ricercatori uno strumento migliore per la ricerca e gli studi pre-clinici.

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

long-term continuous eeg monitoring in small rodent models of human disease using the epoch wireless transmitter system

Molte malattie neurologiche progressive negli esseri umani, come l&#39;epilessia, richiedono modelli animali pre-clinici che lentamente si sviluppano la malattia, al fine di verificare gli interventi nelle varie fasi del processo di malattia. Questi modelli animali sono particolarmente difficili da implementare nei roditori immaturi, un organismo modello classico per studio di laboratorio di questi disturbi. La registrazione EEG continuo in giovani modelli animali di epilessia e altri disturbi neurologici rappresenta una sfida tecnica a causa delle ridotte dimensioni fisiche dei giovani roditori e la loro dipendenza sulla diga prima dello svezzamento. Pertanto, non c&#39;è solo una chiara necessità di migliorare la ricerca pre-clinica in grado di meglio individuare le terapie idonee alla traduzione alla clinica, ma anche la necessità di nuovi dispositivi in ​​grado di registrare in continuo EEG nei roditori immaturi. Qui, descriviamo la tecnologia alla base e dimostrare l&#39;uso di un sistema di telemetria in miniatura romanzo, specificamente progettati per l&#39;utilizzo in ratti immaturi otopi r, che è anche efficace per l&#39;uso in animali adulti.

Abbiamo sviluppato e attuato il concetto di registrazione EEG da un singolo roditore adulto, schematizzato nella figura 1 per il processo di approvazione IACUC, il disegno deve integrare bene nel stabulari istituzionali esistenti.; Pertanto, il sistema è stato progettato per essere facilmente installato in un impianto animale standard senza uso di spazio aggiuntivo: l&#39;animale è alloggiato in un &quot;animale impianto edizione&quot; gabbia rettangolare alloggiamento che viene inserito all&#39;interno di un ricevitore con una gabbia di Faraday integrato per ridurre rumore elettrico. Il segnale da ciascuna base ricevente è condotta con funi ad un digitalizzatore che è collegato a un computer (Figura 1). È necessario un singolo computer per raccogliere dati da fino a 32 animali registrati contemporaneamente, a seconda della capacità del sistema di acquisizione dati dell&#39;utente. Questo tipo di impostazione consuma poca energia e produce poco calore, una caratteristica compatibile con strutture di animali clima controllato. I dati possono esserevisualizzati in tempo reale sul monitor, consentendo il monitoraggio sperimentale, e conservato a lungo termine su dischi rigidi esterni (unità di memoria 10 TB). Al fine di minimizzare i danni da lettiera compagni e pup cannibalizzazione dalla diga, abbiamo testato vari fattori di forma del trasmettitore. Il progetto definitivo è stato di un cilindro a cupola; una forma difficile per i ratti a mordere e danni. Un singolo trasmettitore sul cranio di un ratto adulto è mostrato in Figura 2A e una prima versione di alta densità (32 animali) basi ricevitore e impianti di registrazione in cui le case roditori standard viene collocato è mostrato in Figura 2B. L&#39;efficienza energetica è un fattore estremamente importante; abbiamo scelto accoppiamento capacitivo come un protocollo di trasmissione dati. Il seguente disegno permette di registrare in continuo EEG per oltre 6 mesi, a seconda della capacità della batteria (Figura 2A). I topi giovani come giorno di vita 12 (P12, figura 3A) e nei ratti giovani come P6 (Figure 3B) tollerare il trasmettitore abbastanza bene. Aderendo il trasmettitore al cranio con cianoacrilato permette animali di crescere con il trasmettitore nell&#39;età adulta (Figura 3C), mantenendo continua acquisizione di dati EEG. L&#39;unico fattore forma miniaturizzata dell&#39;interfaccia trasmettitore wireless e si presta per il lavoro con modelli animali di condizioni neo e perinatali. I dati della figura 4 mostra due canali di registrazione EEG di sub-acuta attività convulsiva che segue ipossico-ischemica (HI) (legatura dell&#39;arteria carotide seguito da 2 ore di ipossia con 8% O 2 miscela) infarto in un P7 Sprague-Dawley dei ratti 13. Il trattamento HI provoca una grande lesione ipsilaterale emisfero carotide legatura. Qui, le registrazioni mostrano un gruppo di due crisi generalizzate su entrambi gli emisferi del cervello danneggiato. La traccia nera raffigura attività EEG nel controlaterale emisfero alla lesione, lablue traccia mostra EEG negli emisferi ipsilaterale (cioè nella zona della lesione). Mentre l&#39;attività di sequestro è presente in entrambi gli emisferi del cervello, l&#39;emisfero omolaterale mostra soppressione di sfondo EEG, che è indicativo di un danno cerebrale permanente 21. Stato di male epilettico può essere indotta in ratti adulti iniettando gli animali con il organofosfati, DFP 22,23. I dati della figura 5 mostra ripetitive scariche EEG, indicativi dello stato epilettico (vedi espansioni temporali Figura 5A, B). Sotto le tracce di esempio, la durata dello stato epilettico oltre 12 ore è stato analizzato con un modello a effetti misti non lineari che quantifica l&#39;intensità delle convulsioni nel tempo. La gravità dello stato epilettico è definito dal potere EEG nella banda gamma (20-60 Hz). Qui, il potere sopra descritta è stata in media in 12 animali e tracciati oltre 12 ore con intervalli di confidenza al 95%. Th<html> e dati mostrano un marcato aumento della potenza gamma entro la prima ora di trattamento DFP, che persiste oltre 12 ore durante il quale gli animali sono stati continuamente monitorati. Il seguente metodo di analisi consente una misura quantitativa della gravità dello stato epilettico acuta, un fenomeno precedentemente analizzato principalmente con misure comportamentali. Includiamo questa tecnica di analisi come esempio, perché utilizza computazione potenza nelle bande EEG classici ed è stato ampiamente utilizzato in studi preclinici per testare l&#39;efficacia dei farmaci anticonvulsivanti nel nostro laboratorio 24-26. Forse l&#39;aspetto più prezioso di fare continui, registrazioni wireless senza interruzioni con la telemetria wireless è la possibilità di registrare gli eventi spontanei anomali che si verificano con bassa incidenza. Questi tipi di dati dimostrano l&#39;ampia utilità del sistema trasmettitore wireless. 554fig1.jpg &quot;/&gt; Figura 1:. Schematica del sistema di registrazione Epoch Il sistema di registrazione wireless consiste di due componenti: 1) un trasmettitore da cranio wireless che amplifica il Biosignal, e 2) una piastra ricevente posto sotto custodia roditore standard. L&#39;uscita della base ricevente è un segnale analogico costituito dal demodulato Biosignal amplificato ad un massimo di 4 V picco-picco. Questo segnale può quindi essere alimentato in un sistema di acquisizione dati per la registrazione. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52554/52554fig2.jpg" /> Figura 2:. Il trasmettitore e il ricevitore Questo particolare trasmettitore senza fili (A) pesa 4 ge spiazza &lt;1,4 centimetri 3 di volume e con un ingombro di 7 x 12 mm è facilmente montato al cranio di ratti e topi. Il trasmettitore può amplificare 2 canali biopotenziali per un massimo di 6 mesi dopo che la batteria è scaricoed. Batterie più grandi possono essere utilizzate per tempi di registrazione più lunghi. Gli animali vengono posti in gabbie roditori standard superiore del ricevitore Epoch (B). Mostrato a destra è un primo esempio di due impianti di registrazione distinte ciascuna in grado di registrare da 16 animali contemporaneamente dimostrare la relativamente piccola impronta (2 &#39;x 4&#39;, circa 60 cm x 120 cm) di ciascuna delle piattaforme di registrazione. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52554/52554fig3.jpg" /> Figura 3:. Impianto del trasmettitore wireless in ratti e topi Il trasmettitore consente registrazioni di EEG in continuo per un massimo di sei mesi nei topi giovani come giorno di vita 12 (P12, in alto). La fotografia centrale è di un cucciolo P7 ratto impiantato con il trasmettitore in miniatura. Il trasmettitore rimane saldamente attaccato al cranio come l&#39;animale matura. L&#39;animale, in fondo, è P280 ed è stato impiantato con un trasmettitore farsa all&#39;età P7. Il sistema consente contemregistrazioni EEG tanei e continui da più animali di età P7 attraverso svezzamento, riducendo il numero di cucciolate necessari per la pre-clinica, a lungo termine, studi di monitoraggio EEG. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52554/52554fig4.jpg" /> Figura 4: la registrazione di ipossia-ischemia crisi indotte con il sistema di telemetria a doppio canale registrazioni a due canali di anormale EEG con la telemetria wireless in un cucciolo P7 topo dopo carotidea legatura (ischemia) durante l&#39;8% O 2 trattamento (ipossia).. (A) e (B), espansi vista delle forme d&#39;onda. Attività sequestro è presente in entrambi gli emisferi (nero, blu) con sostanziale soppressione EEG presenti nell&#39;emisfero con infarto ischemico (blu). <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52554/52554fig5.jpg" /> Figura 5: Stato di registrazione Epilepticus in ratti adulti. registrazioni di EEG di superficie (cioè durale) con il sistema di telemetria wireless in miniatura, in risposta a diisopropylfluorophosphate (DFP) trattamento in un ratto adulto. I periodi d&#39;ombra nella traccia superiore (A e B) vengono espanse vista delle forme d&#39;onda in tracce sottostanti. I dati registrati con il trasmettitore wireless possono poi essere analizzati nel dominio della frequenza che consente confronti statistici in una coorte di animali. (C) I dati sono gli intervalli medi e il 95% di fiducia di potere banda gamma (20-60 Hz) seguenti epilettico DFP-indotta stato (N = 12) oltre 12 ore dopo la somministrazione di DFP. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52554/52554fig6.jpg" /> Figura 6:. Registrazione dei sequestri e cambiamenti di EEG in un modello di topo transgenico di malformazioni cavernose vascolari Qui, registriamo da un topo transgenico (A) tha è in fase di attività di sequestro. Dapprima, normale pattern EEG è presente (1); immediatamente prima del sequestro vi è un periodo di depressione pre-ictal (2), che è seguita da un gruppo di cinque convulsioni (3). Seguendo le convulsioni, scarichi ictali anormali sono presenti nel segnale (4). Controllo degli animali non ha crisi epilettiche e senza caratteristiche EEG anormali (B).

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Long-term Continuous EEG Monitoring in Small Rodent Models of Human Disease Using the Epoch Wireless Transmitter System

Here we demonstrate the use of a wireless enabling technology for electroencephalogram (EEG) in neonatal rodent models of human disease. With telemetry, there are no encumbering connections, thus allowing natural behaviors.

A lungo termine EEG monitoraggio continuo in piccolo roditore modelli di malattie umane Utilizzo del Sistema Epoch Trasmettitore Wireless

Many progressive neurologic diseases in humans, such as epilepsy, require pre-clinical animal models that slowly develop the disease in order to test ...

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

25.5K Views.  Yale University School of Medicine. Here we demonstrate the use of a wireless enabling technology for electroencephalogram (EEG) in neonatal rodent models of human disease. With telemetry, there are no encumbering connections, thus allowing natural behaviors.

Video: Long-term Continuous EEG Monitoring in Small Rodent Models of Human Disease Using the Epoch Wireless Transmitter System

Simultaneous Video-EEG-ECG Monitoring to Identify Neurocardiac Dysfunction in Mouse Models of Epilepsy

In epilepsy, seizures can evoke cardiac rhythm disturbances such as heart rate changes, conduction blocks, asystoles, and arrhythmias, which can potentially increase risk of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Electroencephalography (EEG) and electrocardiography (ECG) are widely used clinical diagnostic tools to monitor for abnormal brain and cardiac rhythms in patients. Here, a technique to simultaneously record video, EEG, and ECG in mice to measure behavior, brain, and cardiac activities, respectively, is described. The technique described herein utilizes a tethered (i.e., wired) recording configuration in which the implanted electrode on the head of the mouse is hard-wired to the recording equipment. Compared to wireless telemetry recording systems, the tethered arrangement possesses several technical advantages such as a greater possible number of channels for recording EEG or other biopotentials; lower electrode costs; and greater frequency bandwidth (i.e., sampling rate) of recordings. The basics of this technique can also be easily modified to accommodate recording other biosignals, such as electromyography (EMG) or plethysmography for assessment of muscle and respiratory activity, respectively. In addition to describing how to perform the EEG-ECG recordings, we also detail methods to quantify the resulting data for seizures, EEG spectral power, cardiac function, and heart rate variability, which we demonstrate in an example experiment using a mouse with epilepsy due to Kcna1 gene deletion. Video-EEG-ECG monitoring in mouse models of epilepsy or other neurological disease provides a powerful tool to identify dysfunction at the level of the brain, heart, or brain-heart interactions.

Here, we present a protocol to record brain and heart bio signals in mice using simultaneous video, electroencephalography (EEG), and electrocardiography (ECG). We also describe methods to analyze the resulting EEG-ECG recordings for seizures, EEG spectral power, cardiac function, and heart rate variability.

Video-EEG-ECG simultaneo monitoraggio per identificare la disfunzione Neurocardiac in modelli murini di epilessia

In epilepsy, seizures can evoke cardiac rhythm disturbances such as heart rate changes, conduction blocks, asystoles, and arrhythmias, which can ...

Ricerca

Genetica

Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral Cortex

Although the brain represents less than 5% of the body by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body at rest1. The function of non rapid eye movement sleep (NREMS), the largest portion of sleep by time, is uncertain. However, one salient feature of NREMS is a significant reduction in the rate of cerebral glucose utilization relative to wakefulness2-4. This and other findings have led to the widely held belief that sleep serves a function related to cerebral metabolism. Yet, the mechanisms underlying the reduction in cerebral glucose metabolism during NREMS remain to be elucidated.
	One phenomenon associated with NREMS that might impact cerebral metabolic rate is the occurrence of slow waves, oscillations at frequencies less than 4 Hz, in the electroencephalogram5,6. These slow waves detected at the level of the skull or cerebral cortical surface reflect the oscillations of underlying neurons between a depolarized/up state and a hyperpolarized/down state7. During the down state, cells do not undergo action potentials for intervals of up to several hundred milliseconds. Restoration of ionic concentration gradients subsequent to action potentials represents a significant metabolic load on the cell8; absence of action potentials during down states associated with NREMS may contribute to reduced metabolism relative to wake.
	Two technical challenges had to be addressed in order for this hypothetical relationship to be tested. First, it was necessary to measure cerebral glycolytic metabolism with a temporal resolution reflective of the dynamics of the cerebral EEG (that is, over seconds rather than minutes). To do so, we measured the concentration of lactate, the product of aerobic glycolysis, and therefore a readout of the rate of glucose metabolism in the brains of mice. Lactate was measured using a lactate oxidase based real time sensor embedded in the frontal cortex. The sensing mechanism consists of a platinum-iridium electrode surrounded by a layer of lactate oxidase molecules. Metabolism of lactate by lactate oxidase produces hydrogen peroxide, which produces a current in the platinum-iridium electrode. So a ramping up of cerebral glycolysis provides an increase in the concentration of substrate for lactate oxidase, which then is reflected in increased current at the sensing electrode. It was additionally necessary to measure these variables while manipulating the excitability of the cerebral cortex, in order to isolate this variable from other facets of NREMS.
	We devised an experimental system for simultaneous measurement of neuronal activity via the elecetroencephalogram, measurement of glycolytic flux via a lactate biosensor, and manipulation of cerebral cortical neuronal activity via optogenetic activation of pyramidal neurons. We have utilized this system to document the relationship between sleep-related electroencephalographic waveforms and the moment-to-moment dynamics of lactate concentration in the cerebral cortex. The protocol may be useful for any individual interested in studying, in freely behaving rodents, the relationship between neuronal activity measured at the electroencephalographic level and cellular energetics within the brain.

A procedure is described for manipulating the activity of cerebral cortical pyramidal neurons optogenetically while the electroencephalogram, electromyogram, and cerebral lactate concentration are monitored. Experimental recordings are performed on cable-tethered mice while they undergo spontaneous sleep/wake cycles. Optogenetic equipment is assembled in our laboratory; recording equipment is commercially available.

Elettroencefalografia simultanea, in tempo reale misura della concentrazione di lattato e la manipolazione Optogenetic di attività neuronale nella corteccia cerebrale Rodentia

Although the brain represents less than 5% of the body  by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body  at rest1. The ...

Neuroscienze

Use of a Wireless Video-EEG System to Monitor Epileptiform Discharges Following Lateral Fluid-Percussion Induced Traumatic Brain Injury

The lateral fluid percussion injury (FPI) model is well established and has been used to study TBI and post-traumatic epilepsy (PTE). However, considerable variability has been reported for the specific parameters used in different studies that have employed this model, making it difficult to harmonize and interpret the results between laboratories. For example, variability has been reported regarding the size and location of the craniectomy, how the Luer lock hub is placed relative to the craniectomy, the atmospheric pressure applied to the dura and the duration of the pressure pulse. Each of these parameters can impact injury severity, which directly correlates with the incidence of PTE. This has been manifested as a wide range of mortality rates, righting reflex times and incidence of convulsive seizures reported. Here we provide a detailed protocol for the method we have used to help facilitate harmonization between studies. We used FPI in combination with a wireless EEG telemetry system to continuously monitor for electrographic changes and detect seizure activity.&#160; FPI is induced by creating a 5 mm craniectomy over the left hemisphere, between the Bregma and Lambda and adjacent to the lateral ridge. A Luer lock hub is secured onto the skull over the craniectomy. This hub is connected to the FPI device, and a 20-millisecond pressure pulse is delivered directly to the intact dura through pressure tubing connected to the hub via a twist lock connector. Following recovery, rats are re-anesthetized to remove the hub. Five 0.5 mm, stainless steel EEG electrode screws are placed in contact with the dura through the skull and serve as four recording electrodes and one reference electrode. The electrode wires are collected into a pedestal connector which is secured into place with bone cement. Continuous video/EEG recordings are collected for up to 4 weeks post TBI.

Here we present a protocol to induce severe TBI with the lateral fluid percussion injury (FPI) model in adult, male Wistar rats. We also demonstrate the use of a wireless telemetry system to collect continuous video-EEG recordings and monitor for epileptiform discharges consistent with post-traumatic epileptogenesis.&#160;

Uso di un sistema video-eEG wireless per monitorare le scariche epilettifore a seguito di lesioni cerebrali traumatiche indotte da liquido-percussioni laterali

The lateral fluid percussion injury (FPI) model is well established and has been used to study TBI and post-traumatic epilepsy (PTE). However, ...

Comportamento

Simultaneous Monitoring of Wireless Electrophysiology and Memory Behavioral Test as a Tool to Study Hippocampal Neurogenesis

Brainwaves amplitude obtained from electroencephalography (EEG) has been well-recognized as a basis for cognitive capacity, memory, and learning on animals and humans. Adult neurogenesis mechanism is also linked to memory and learning improvement. Traditionally, researchers used to assess learning and memory parameters in rodent models by behavioral tasks. Therefore, the simultaneous monitoring of behavioral changes and EEG is particularly interesting in correlating data between brain activity and task-related behaviors. However, most of the equipment required to perform both studies are either complex, expensive, or uses a wired setup network that hinders the natural animals&#8217; movement. In this study, EEG was recorded with a wireless electrophysiology device along with the execution of a novel object recognition task (NORT). The animal&#8217;s behavior was monitored simultaneously by a video tracking system. Both recordings were analyzed offline by their timestamps which were synched to link EEG signals with the animal&#8217;s actions. Subjects consist of adult Wistar rats after medium-term environmental enrichment treatment. Six skull screw electrodes were fixed in pairs on both hemispheres over frontal, central, and parietal regions and were referenced to an electrode located posterior of the nasal bone. NORT protocol consists of exposing the animal to two identical objects for 10 min. After 2 h and 24 h, one of the objects was replaced with a novel one. Exploration time for each object was monitored by a behavioral tracking software (BTS) and EEG data recording. The analysis of the EEG synced with behavioral data consists of estimations of alpha and beta relative band power and comparisons between novel object recognition versus familiar object exploration, between three experimental stages. In this manuscript, we have discussed electrodes manufacturing process, epidural electrodes implantation surgery, environmental enrichment protocol, NORT protocol, BTS setup, EEG &#8211; BTS coupling for simultaneous monitoring in real-time, and EEG data analysis based on automatic events detection.

The protocol presented here provides information on the simultaneous electroencephalography (EEG) and behavioral assessment in real-time. We have discussed all steps involved in this protocol as an attractive solution for researchers in many fields of neuroscience, particularly in learning and memory areas.

Monitoraggio simultaneo dell'elettrofisiologia wireless e del test comportamentale della memoria come strumento per studiare la neurogenesi ippocampale

Brainwaves amplitude obtained from electroencephalography (EEG) has been well-recognized as a basis for cognitive capacity, memory, and learning on ...

Wireless Intramuscular EMG System for Locomotion Studies in Stroke Model Rats

A Real-Time Wearable Electromyography Measurement System for Small Animals

The intramuscular electromyography (EMG) measurement method for experimental animals has been implemented in various ways. Among these methods, tethering cables to external measurement devices can restrict the movement of experimental animals, while implantable devices may cause unwanted side effects due to the constant presence of a device with considerable size and weight. To address these issues, we propose a low-cost, wireless, detachable EMG measurement system and experimental procedure. This article focuses on the surgical installation of intramuscular wire electrodes with small connectors and the development of the wireless system. Notably, in this system, only the wire electrodes are inserted into the animal's body. Using this system, EMG measurements can be easily performed by attaching the circuit system to a connector installed on the animal's back, with real-time monitoring achievable on a laptop. The proposed method is explained in a detailed, step-by-step manner, followed by a demonstration involving the insertion of intramuscular electrodes into the hindlimbs of a rat. A treadmill experiment is conducted for a locomotion study, and the resulting electrophysiological signals are subsequently obtained and analyzed.

A protocol is presented for the installation and preparation of intramuscular electrodes, along with an animal-mountable, miniaturized measurement device for electromyography (EMG) analysis in locomotion studies. This system enables the wireless transmission of real-time EMG data for investigating locomotion recovery in stroke model rats.

The intramuscular electromyography (EMG) measurement method for experimental animals has been implemented in various ways. Among these methods, tethering ...

Ingegneria

Non-restraining EEG Radiotelemetry: Epidural and Deep Intracerebral Stereotaxic EEG Electrode Placement

Implantable EEG radiotelemetry is of central relevance in the neurological characterization of transgenic mouse models of neuropsychiatric and neurodegenerative diseases as well as epilepsies. This powerful technique does not only provide valuable insights into the underlying pathophysiological mechanisms, i.e., the etiopathogenesis of CNS related diseases, it also facilitates the development of new translational, i.e., therapeutic approaches. Whereas competing techniques that make use of recorder systems used in jackets or tethered systems suffer from their unphysiological restraining to semi-restraining character, radiotelemetric EEG recordings overcome these disadvantages. Technically, implantable EEG radiotelemetry allows for precise and highly sensitive measurement of epidural and deep, intracerebral EEGs under various physiological and pathophysiological conditions. First, we present a detailed protocol of a straight forward, successful, quick and efficient technique for epidural (surface) EEG recordings resulting in high-quality electrocorticograms. Second, we demonstrate how to implant deep, intracerebral EEG electrodes, e.g., in the hippocampus (electrohippocampogram). For both approaches, a computerized 3D stereotaxic electrode implantation system is used. The radiofrequency transmitter itself is implanted into a subcutaneous pouch in both mice and rats. Special attention also has to be paid to pre-, peri- and postoperative treatment of the experimental animals. Preoperative preparation of mice and rats, suitable anesthesia as well as postoperative treatment and pain management are described in detail.

Non-restraining EEG radiotelemetry is a valuable methodological approach to record in vivo long-term electroencephalograms from freely moving rodents. This detailed protocol describes stereotaxic epidural and deep intracerebral electrode placement in different brain regions in order to obtain reliable recordings of CNS rhythmicity and CNS related behavioral stages.

Non restrittivo EEG Radiotelemetry: epidurale e Deep intracerebrale Stereotassica EEG Posizionamento degli elettrodi

Implantable EEG radiotelemetry is of central relevance in the neurological characterization of transgenic mouse models of neuropsychiatric and ...

High-density Electroencephalographic Acquisition in a Rodent Model Using Low-cost and Open-source Resources

Advanced electroencephalographic analysis techniques requiring high spatial resolution, including electrical source imaging and measures of network connectivity, are applicable to an expanding variety of questions in neuroscience. Performing these kinds of analyses in a rodent model requires higher electrode density than traditional screw electrodes can accomplish. While higher-density electroencephalographic montages for rodents exist, they are of limited availability to most researchers, are not robust enough for repeated experiments over an extended period of time, or are limited to use in anesthetized rodents.1-3 A proposed low-cost method for constructing a durable, high-count, transcranial electrode array, consisting of bilaterally implantable headpieces is investigated as a means to perform advanced electroencephalogram analyses in mice or rats.

Procedures for headpiece fabrication and surgical implantation necessary to produce high signal to noise, low-impedance electroencephalographic and electromyographic signals are presented. While the methodology is useful in both rats and mice, this manuscript focuses on the more challenging implementation for the smaller mouse skull. Freely moving mice are only tethered to cables via a common adapter during recording. One version of this electrode system that includes 26 electroencephalographic channels and 4 electromyographic channels is described below.

Instructions for the low-cost construction and surgical implantation of a chronic transcranial high-density electroencephalographic montage into mice are provided. Signal recording, extraction, and processing techniques are also described.

Ad alta densità elettroencefalografico Acquisizione in un modello di roditore Utilizzando risorse a basso costo e open-source

Advanced electroencephalographic analysis techniques requiring high spatial resolution, including electrical source imaging and measures of network ...

The Pilocarpine Model of Temporal Lobe Epilepsy and EEG Monitoring Using Radiotelemetry System in Mice

Temporal lobe epilepsy (TLE) is a common neurological disorder in adulthood. For translational studies of chronic epilepsy, pilocarpine-induced status epilepticus (SE) is frequently selected to recapitulate spontaneous recurrent seizures (SRS). Here we present a protocol of SE induction by intraperitoneal (i.p.) injection of pilocarpine and monitoring of chronic recurring seizures in live animals using a wireless telemetry video and electroencephalogram (EEG) system. We demonstrated notable behavioral changes that need attention after pilocarpine injection and their correlation with hippocampal neuronal loss at 7 days and 6 weeks post-pilocarpine. We also describe the experimental procedures of electrode implantation for video and EEG recording, and analysis of the frequency and duration of chronic recurrent seizures. Finally, we discuss the possible reasons why the expected results are not achieved in each case. This provides a basic overview of modeling chronic epilepsy in mice and guidelines for troubleshooting. We believe this protocol can serve as a baseline for suitable models of chronic epilepsy and epileptogenesis.

This manuscript describes a method of inducing status epilepticus by systemic pilocarpine injection and of monitoring spontaneous recurrent seizures in live animals using a wireless telemetry video and electroencephalogram system. This protocol can be utilized for studying the pathophysiologic mechanisms of chronic epilepsy, epileptogenesis, and acute seizures.

Il modello di pilocarpina di epilessia del lobo temporale e monitoraggio EEG utilizzando il sistema di radiotelemetria in topi

Temporal lobe epilepsy (TLE) is a common neurological disorder in adulthood. For translational studies of chronic epilepsy, pilocarpine-induced status ...

Medicina

Analyzing Long-Term Electrocardiography Recordings to Detect Arrhythmias in Mice

Arrhythmias are common, affecting millions of patients worldwide. Current treatment strategies are associated with significant side effects and remain ineffective in many patients. To improve patient care, novel and innovative therapeutic concepts causally targeting arrhythmia mechanisms are needed. To study the complex pathophysiology of arrhythmias, suitable animal models are necessary, and mice have been proven to be ideal model species to evaluate the genetic impact on arrhythmias, to investigate fundamental molecular and cellular mechanisms, and to identify potential therapeutic targets.
Implantable telemetry devices are among the most powerful tools available to study electrophysiology in mice, allowing continuous ECG recording over a period of several months in freely moving, awake mice. However, due to the huge number of data points (&gt;1 million QRS complexes per day), analysis of telemetry data remains challenging. This article describes a step-by-step approach to analyze ECGs and to detect arrhythmias in long-term telemetry recordings using the software, Ponemah, with its analysis modules, ECG Pro and Data Insights, developed by Data Sciences International (DSI). To analyze basic ECG parameters, such as heart rate, P wave duration, PR interval, QRS interval, or QT duration, an automated attribute analysis was performed using Ponemah to identify P, Q, and T waves within individually adjusted windows around detected R waves. 
Results were then manually reviewed, allowing adjustment of individual annotations. The output from the attribute-based analysis and the pattern recognition analysis was then used by the Data Insights module to detect arrhythmias. This module allows an automatic screening for individually defined arrhythmias within the recording, followed by a manual review of suspected arrhythmia episodes. The article briefly discusses challenges in recording and detecting ECG signals, suggests strategies to improve data quality, and provides representative recordings of arrhythmias detected in mice using the approach described above.

Here we present a step-by-step protocol for a semiautomated approach to analyze murine long-term electrocardiography (ECG) data for basic ECG parameters and common arrhythmias. Data are obtained by implantable telemetry transmitters in living and awake mice and analyzed using Ponemah and its analysis modules.

Analisi delle registrazioni elettrocardiografiche a lungo termine per rilevare le aritmie nei topi

Arrhythmias are common, affecting millions of patients worldwide. Current treatment strategies are associated with significant side effects and remain ...

<meta charset="utf8"></head><body>Registrazioni EEG/ECG continue nei conigli mediante posizionamento di elettrodi sottocutanei

Surgical Implant Procedure and Wiring Configuration for Continuous Long-Term EEG/ECG Monitoring in Rabbits

A multi-system approach that includes the continuous collection of electroencephalogram (EEG) and electrocardiogram (ECG) recordings facilitates a comprehensive assessment of electrical activity in the brain and heart, particularly leading up to and surrounding episodic events. Building on our previous protocol that facilitates the collection of intermittent EEG/ECG recordings from conscious restrained rabbits, we developed a protocol for the collection of continuous EEG/ECG recordings from unrestrained rabbits. This new method enables high-quality 24/7 recordings in the housing cage, which captures the normal range of physiological states and enables the rabbits to move, eat, drink, and sleep freely. It enables comprehensive assessments of the prevalence, incidence, and susceptibility to EEG/ECG abnormalities, seizures, arrhythmias, and sudden death. This procedure involves the surgical placement of subdermal electrodes and the design and manufacturing of a robust wiring system that is impervious to damage by the rabbits. The surgical procedure includes two incisions and the sub-dermal tunneling of nine electrodes and wires that exit through a custom-made port. The external connector attaches to a wire harness that includes an electrical swivel, which allows for&#160;free range of rabbit motion throughout its cage. Additionally, the wires are enclosed in a metal sheath suspended by a retractor cable from the ceiling of the rabbit&#39;s cage. The wires are then connected to an amplifier/digitizer for the acquisition of high-quality continuous EEG/ECG recordings.

<meta charset="utf8"></head><body>Procedura chirurgica di impianto e configurazione del cablaggio per il monitoraggio continuo a lungo termine dell'EEG/ECG nei conigli

The study outlines a protocol for the design, manufacturing, and placement of a novel continuous EEG/ECG recording system in rabbits. This hard-wired system allows for continuous EEG/ECG recordings from nine distinct electrodes on the head and chest, which facilitates comprehensive assessments of electrical activity in the brain and heart.

A lungo termine EEG monitoraggio continuo in piccolo roditore modelli di malattie umane Utilizzo del Sistema Epoch Trasmettitore Wireless

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