ミリサイズのコイルと組み合わせた低コスト脳波記録システムにより、マウス脳をin vivoで経頭的に刺激する

要約

in vivoでマウス脳の経頭蓋磁気刺激を駆動するために、ミリメートルサイズのコイルと組み合わせた低コストの脳波記録システムが提案されています。カスタムメイドの柔軟な多電極アレイ基板を備えた従来のスクリュー電極を使用して、経頭蓋磁気刺激に応答してマウス脳からマルチサイト記録を行うことができます。

要約

ここでは、ミリサイズのコイルを利用して、マウス脳の経頭蓋磁気刺激(TMS)を in vivoで 駆動するための低コストの脳波(EEG)記録システムが提案されています。従来のスクリュー電極とカスタムメイドの柔軟な多電極アレイ基板を組み合わせて、マウスの脳からマルチサイト記録を行うことができます。また、実験室でよく見かける低コストの装置でミリサイズのコイルを製造する方法についても説明します。また、低ノイズの脳波信号を生成するために必要な、フレキシブル多電極アレイ基板の実用的な製造手順とスクリュー電極の外科的移植技術も紹介します。この方法論はあらゆる小動物の脳からの記録に有用であるが、本報告では麻酔をかけたマウス頭蓋骨における電極の実装に焦点を当てている。さらに、この方法は、共通のアダプタ を介して テザーケーブルで接続され、記録中にTMS装置で頭部に固定される覚醒中の小動物に容易に拡張することができる。最大32個のEEGチャネル(16個のチャネルを有する装置がより少ないチャネルを有する例として提示される)および1つのTMSチャネル装置を含むことができるEEG−TMSシステムの本バージョンが説明される。さらに、EEG-TMSシステムを麻酔マウスに適用することによって得られた典型的な結果が簡単に報告されています。

概要

経頭蓋磁気刺激法(TMS)は、非侵襲性/低侵襲性のため、ヒトの脳科学、臨床応用、動物モデル研究に有望なツールです。TMSアプリケーションの初期段階では、ヒトおよび動物におけるシングルパルスおよびペアパルスTMSに応答する皮質効果の測定は、運動皮質に限定されていました。容易に測定可能な出力は、運動誘発電位および運動皮質^1,2を含む誘導筋電位に限定されていた。TMS変調で測定できる脳領域を拡大するために、脳波記録(EEG)記録をシングルパルスTMSおよびペアパルスTMSと統合し^{、脳全体の}領域の興奮性、接続性、および時空間ダイナミクスを直接調べる有用な方法として3,4,5。したがって、TMSと脳波記録(TMS-EEG)の脳への同時適用は、皮質内神経回路を調べるためにヒトおよび動物の様々な表在皮質脳領域を調査するために使用されてきた(Tremblayら^{6を参照)。}さらに、TMS-EEGシステムを使用して、他の皮質領域への信号の伝播や振動活動の生成など、追加の皮質時空間特性を調べることができます^7,8

プロトコル

本研究では、すべての動物実験は、国立衛生研究所の実験動物の管理と使用に関するガイドに従い、北海道大学動物実験委員会の承認を得て行った。C57BL/6Jマウス(雄2匹、雌3匹、8〜10週齢)を本研究に用いた。これはターミナルプロシージャです。動物は商業的な供給源から入手した( 材料表を参照)。

1.柔軟な2次元アレイの設計と構築

1. 脳波記録電極および参照電極として使用するために、公称直径、ネック長、ヘッド直径0.6 mm、1.5 mm、および1.1 mmの構造特性を備えたミニチュアスクリュー電極(ステンレス、SUS XM7、 材料表を参照)を必要数用意します(図1A)。
   注:本研究では、16個のミニチュアスクリュー電極を使用しました。
2. 以下の手順に従って、フレキシブル基板上にプリント回路図の設計図を準備します。
   1. フレキシブル基板(全体サイズ、41.2 mm×19.9 mm、材料 表参照)上に2次元(2D)電極パッドパターンを作成し、ネジ電極を読み出します。2D電極配置を設計します。 図1B は、この研究で使用された特定の配置と、ベースラインポイントからの相対座標(原点[....

ディスカッション

この研究は、マウスを含む小動物用に設計された磁気刺激システムと組み合わせたマルチサイトEEG記録システムに取り組んでいます。構築されたシステムは低コストで、生理学的実験室で簡単に構築でき、既存の測定セットアップを拡張できます。マウス記録システムからデータを取得するために必要な外科的手順は、そのような実験室が標準的な電気生理学的実験の経験がある場合、非常?.......

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D printer	Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd	FFD-101	The printer used for 3D-printing the donut-shaped disks
ATROPINE SULFATE  0.5 mg	NIPRO ES PHARMA CO., LTD.	-	Atropine sulfate
Bipolar amplifier	NF Corp.	KIT61380	For amplifying waveforms for coil input
Butorphanol	Meiji Seika Pharma Co., Ltd., Tokyo, Japan	-	For anathesis of animals
Commercial manufacturer of flexible 2D array	p-ban.com Corp.	-	URL: https://www.p-ban.com/
Computer prograom to analyze output signals	Natinal Instruments	NI-DAQ and  NI-DAQmx Python	To analyze output signals from the hall-effect sensor
Connector	Harwin Inc.	G125-FV12005L0P	For connector to conect to the measuring system
Copper pad	p-ban.com Corp.	copper	Copper pad on each substrate
Copper wire	Kyowa Harmonet Ltd.	P644432	The windings of the coil
DAQ board	National Instruments Corp.	USB-6343	For measuring the magnitic flux density of the coil
Dental cement	SHOFU INC.	Quick Resin	Self-Curing Orthodontic Resin
ECoG electrode	NeuroNexus Inc.	HC32	For reference to design of the flexible 2D array
Epoxy resin	Konishi Co. Ltd.	#16123	For coil construction
Ethyl Carbamate	FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp.	050-05821	For urethan anesthesia
Flat ribbon cable	Oki Electric Cable Co., Ltd.	FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m	For cable to connect between surface-mount connector and measuring sysytem
flexible substrate	p-ban.com Corp.	polyimide	Baseplate of flexible substrate
Function generator	NF Corp.	WF1947	For generating waveforms for coil input
Hall-effect sensor	Honeywell International Inc.	SS94A2D	For measuring the magnitic flux density of the coil
IDC crimping tool	Pro'sKit Industries Co.	6PK-214	To crimp the IDC and one end of the flat ribbon cable; Flat cable connector crimping tool
Instant glue	Konishi Co. Ltd.	#04612	For coil construction
Insulation-displacement connector (IDC )	Uxcell Japan	B07GDDG3XG	2 × 10 pins and a 1.27 mm pitch
LCR meter	NF Corp.	ZM2376	For measuring the AC properties of the coil
Manipulator	NARISHIGE Group.	SM-15L	For manipulating the coil
Medetomidine	Kobayashi Kako, Fukui, Japan	-	For anathesis of animals
Midazolam	Astellas Pharma, Tokyo, Japan	-	For anathesis of animals
Miniature screw	KOFUSEIBYO Co., Ltd.	S0.6*1.5	For EEG-senseing and reference electrode
Mouse	Japan SLC, Inc.	C57BL/6J (C57BL/6JJmsSlc)	Experimental animal
Permalloy-45 rod	The Nilaco Corp.	780544	The core of the coil
Recording system	Plexon Inc.	OmniPlex	For EEG data acquisition
Stainless wire	Wakisangyo Co., Ltd.	HW-136	For grasp by manipulator
Stereotaxic apparatus	NARISHIGE Group.	SR-5M-HT	To fix a mouse head
Surface-mount connector	Useconn Electronics Ltd.	PH127-2x10MG	For connector to mount on the flexible 2D array
Testing equipment (LCR meter)	NF Corp.	ZM2372	Contact check and impedance measurements
White PLA filament	Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd	PLA-F13	The material used for 3D-printing the donut-shaped disks
Xylocaine Jelly 2%	Sandoz Pharma Co., Ltd.	-	lidocaine hydrochloride