NIH NIBIB RO1：1R01EB009103 - 01 臨床Neuroengineeringトレーニングプログラム（1 T90 DK070079 - 01） ウォレスHコールター財団 NIH施設の臨床およびトランスレーショナル科学賞 NIH / NCRR 1KL2RR025012 - 01 ウィスコンシン同窓会研究財団

実験手順<ol><li>脳波電極を接続する<ol><li>電極は脳波キャップを使用して頭皮に添付されます。10月20日国際的なシステムで指定された、このは、電極を頭皮上の適切な場所にあることを保証するプロセスを簡素化します。 </li><li>キャップを配置するには、フェルトペンやその他の類似の方法を使用して被験者の頭皮上に頂点をマーク。そのためには、件名に[後]頭骨とイニオンを見つけることから始めます。巻尺を使用して、これら2つの場所間の距離を見つける。二点、または距離の50％、〜間の中点が頂点です。後で参照するためにその時点でマークをしてください。他の10から20ポイントも、同様の方法で配置することができます。 </li><li>キャップでCZの電極を見つけ、そして頂点に配置します。 CZの固定を維持、ヘッドにキャップをスリップ。 FZ、CZ、およびPzの電極は頭皮の正中線上にあること、およびO1 - O2電極がオズと水平方向と水平になっていること、およびFP1 - FP2がFPZでレベルであることを確認してください。 </li><li>今すぐ参照電極を取り付け、その典型的に耳たぶの上にクリップ。 </li><li>次に、電極は、電極が頭皮と低インピーダンスの接触をするように導電性ゲルを充填する。そのためには、鈍先端針で小さな注射器は、ゲルが充填されている。また、それはゲルが、接続が正常であるかどうかを判断するために適用されている間、コンピュータの画面上で脳波のトレースを参照すると便利かもしれません。 </li><li>電極に針を挿入し、優しくどんな古い角質を除去するために針で頭皮をすり減らす。それを入れすぎないように注意しながら、ゲルの少量の電極を埋める。耳の参照電極から始めて、そして地面を含めて、電極のすべての手順を繰り返します。 </li><li>すべての5kΩ以下である必要がありますすべてのチャネルのためのインピーダンスを確認してください。このメソッドは、使用されている特定のアンプのシステムによって異なりますが、それはハードウェアを介して、またはBCI2000のいずれかを使用しインピーダンスを確認することができるはずです。 </li><li>電極が5kΩを超える場合は、再び針を挿入し、さらにいくつかの頭皮をすり減らす。インピーダンスには減少がない限り、それは、より多くのゲルを注入する必要はありません。 </li></ol></li><li>脳波キャリブレーション機能を取得<ol><li>特にセッション、被験者がテストされている初めての開始時に、それは、BCIの制御に使用可能な脳波の特徴を判断するのに有益です。ムーとベータ脳波リズムの基本的な性質は、すべての人々のための同じであるが、これらの機能は、人から人に変わるため、前に、ほかの実験にキャリブレーションする必要があるためです。 </li><li>キャリブレーションセッションでは、被験者がモニターに表示される視覚的な手掛かりに応答して手や足を含む別の動きを想像するように指示されます。開始するには、コンピュータシステムは、研究者の表示は、制御ソフトウェアが含まれており、セカンドモニタは実験的な出力が表示されるように、デュアルモニタモードに設定する必要があります。 </li><li>あなたのアンプのソースモジュール、ARSignalProcessingモジュール、およびStimulusPresentationモジュールを選択してBCI2000LauncherからBCI2000を起動します。この例では、我々はg.USBampアンプを制御するgUSBampSourceモジュールを使用している。 </li><li>あなたの主題のためのパラメータファイル、アンプ、およびモータのスクリーニングのタスクを追加します。これらは、それらが単純にロードできるように、あらかじめ設定する必要があります、そして実験が開始できます。 </li><li>パラメータファイルはBCI2000Launcherのファイルリストに追加した後、起動ボタンを押してください。すべてが正しく機能する場合、開始BCI2000は、脳波データのトレースが表示されるべきであり、被験者のモニターは前の実験の開始に空白にする必要があります。 </li><li>セッション中に、画面はどちらか&quot;二本足。&quot;空白である、または次のような命令、&quot;右手&quot;&quot;左手、&quot;表示&quot;両手を、&quot;かなる命令は3秒間画面に表示されます。中この時間は、被験者は連続して動きを想像してください。手の動きは、開閉の手を（例えば、テニスボールを絞るように）、そして足の動きは（例えば、両足でペダルを押すように）前後に足を移動する必要がありますする必要があります。画面が空白の場合、ボディは完全に緩和すべきである。 </li><li>実行時に、それぞれの身体の部分は20回繰り返されます。理想的には、5失点の合計が必要であることを意味し、100個のデータポイントがあるはずです。被写体が良い想像タスクを実行することができるので、複数のセッションで、より少ない実行は、必要です。 </li></ol></li><li>脳波の特徴を分析<ol><li>被験者が自発的にBCIを制御するために調節することができるようになっている脳波の特徴を判断するためには、校正データはBCI2000に含まれているBCI2000オフライン分析ツールを、使用してオフラインで解析されます。このツールは、周波数領域のFEに収集したデータを変換する異なる動作中に変更、そして最大限にタスクと相関している周波数と位置を示しますatures、。これらの機能は、BCIの実験で使用することができます。 </li><li>使用されるべき機能を決定するために、BCI2000オフライン分析ツールを起動します。 BCI2000は、より多くの情報を得る必要があります分析ツールを、使用するための豊富なチュートリアルが含まれています。 </li><li>脳波の特徴が強く、分析ツールから生成されたプロット内で大きなr平方の値を見つけることによって、それぞれの動きと相関しているかを判別します。最大のr平方の値（例えば、0.2より大きい）を持つチャネルと周波数ビンは、特定の方向の制御信号成分として選択することができます。たとえば、右手の条件の変更が画面の右側にカーソルを移動するように設定する必要があることを特徴。 </li><li>ムー/ベータリズムは、関連する動きと振幅に減少することを覚えておくことも重要です。そう、右にカーソルを移動するために、x方向の正は、この機能は、それに関連付けられている負の重みを持つ必要があります。 </li><li>選択したチャンネルや周波数は、皮質感覚のリズムの既知の特性と一致している必要があります。つまり、想像右手の動きに対応する重要な変更は、C3とCP3の近くに対側（左）運動野、以上みられ、8月12日Hzおよび/または18から28 Hzの付近を中心にしてください。同様に、左手の動きは、C4とCP4電極上で右運動野以上変更になるはず、と足の動きは、CzとCPZを介して表示されます。これらの位置と値が異なる場合、それはいくつかの他のノイズやランダム効果を測定し、および制御の機能として設定されてはならない可能性があります。 </li><li>条件ごとに、四大r平方の値は、チャンネル番号とビンの数の面で選択する必要があります。周波数は2 Hzのビンに配置されているので、10から12 Hzから高r平方持つ機能は、ビン6に見えます。手でこれらの値と、システムはカーソル制御タスク用に設定することができます。 </li></ol></li><li>オンラインフィードバックセッションの設定<ol><li> BCI2000ランチャーでのカーソル移動のセッションを設定します。 </li><li>実験を開始する前に、いくつかのパラメータを設定する必要があります。最初に、空間フィルタは、一般的な平均の参照で構成する必要があります。そのためには、設定のリストを表示するBCI2000演算子でConfigを押して、および[フィルタ]タブを押してください。 </li><li> SpatialFilteringに移動し、それが言うようにSpatialFilterTypeドロップダウンボックスを変更する&quot;コモン平均リファレンス（CAR）。&quot; </li><li> SPATIALFILTERのCARの出力の下に、キャリブレーションセッションで選択したチャンネルの名前または番号を示します。たとえば、&quot;C3 CP3 C4 CP4 CzはCPZ&quot;（引用符なし）、そしてBCI2000は（チャネルのラベルは[ソース]タブで&quot;チャンネル名&quot;フィールドの下にリストされていることが必要です）チャンネルを使用するかを知っている。入力することができます</li><li>次に、分類マトリックスは、選択した機能を使用するように設定されている必要があります。 [フィルタ]タブの下に、分類子パラメータとプレス編集マトリックスを参照してください。 </li><li>列の数は4に設定する必要があります、と行数は、選択した機能の合計数と同じでなければなりません。行列の各行は、個々の機能に対応しています。 </li><li>最初の列は、番目の列がコントロールに対して選択のビンが含まれている使用されているチャネル名をすべて、例えば、C3、C4、などが含まれている必要があります。これは、いずれかのビンの数または特定の周波数を入力することが可能です。&quot;6&quot;または&quot;11Hz&quot;と入力するとBinWidthパラメータは、[ソース]タブの下&quot;の2 Hz&quot;であることを提供、同じビンを選択します。 &quot;1&quot;の値は水平方向の動きに対応し、&quot;2&quot;は垂直方向の動きに対応し、番目の列は出力チャネルです。チャネルC3、CP3、C4、およびCP4は、水平方向のカーソル制御タスクのために1に設定する必要があります。C3、CP3、C4、CP4は、CzとCPZは垂直カーソルの制御タスクを2に設定する必要があります。最後に、4番目の列に特徴の重量を保持している、と反対側の意図した方向に対応する必要があります、例えば、C3とCP3は、カーソルの位置を右に移動するには-1を加重する必要があり、C4およびCP4は、それが左に移動するには、1を重み付けしてください。下にカーソルを移動するには、CzとCPZは1を加重する必要がある、とまでカーソルを移動し、C3とC4は-1重み付けされるべきである。 </li></ol></li><li>カーソル移動のタスク<ol><li>システムは正しい設定が行われているので、それは実験的なタスクを開始する時間です。 </li><li>システムは4つの目標の一つは、裁判中に表示されるように構成されている。被験者の目標は、運動の目的の方向（例えば、右に移動する右、下に移動するフィート、など）に対応する想像上の動きを使用して正しいターゲットにカーソルを移動することです。 </li><li>最初の試験の場合は、カーソルがターゲットの軸に制限されます。それは、ターゲットが上部または下部にある場合、それは、です。のみ可能な上下にカーソルを移動する、そしてそれが画面の左または右にある場合、カーソルは左または右に移動することができます。 </li><li>実行が開始されると、文字&quot;T&quot;は2秒間画面に表示されます。次に、目標の一つは、1秒間表示されます。 </li><li>この1秒間の後、カーソルは画面の中央に表示されます。被験者はターゲットにカーソルを指示するために適切な想像動きを使用しています。被験者がターゲットに当たった場合、それは色が変わります。そうでなければ、被験者は、セッションがタイムアウトとミスとしてカウントされる前に、目標を達成するために5秒を持っています。 </li><li>裁判の後、被験者は再調整の位置以外の場合飲み込む、点滅、リラックス、または可能な時に2秒間の試験間隔があります。試験中に、動きは動きのアーチファクトや筋肉などの軽減にも絶対的な最小限に抑える必要があります。それは快適な椅子で薄暗い部屋に座っても有益です。 </li><li> 20回の試行後、BCI2000はサスペンド状態に入ります。この時間の間には、被写体がカーソルを移動できない場合に設定の一部を再調整する必要があります。 </li><li> 4失点後にサブジェクトがまだvolitionallyカーソルを移動することができない場合、それはBCI2000オフライン分析ツールで再分析する収集されるデータに必要な場合があります。新機能のプロットに基づいて、新しいチャネルと周波数を選択します。被験者がタスクに習熟する前に、それはいくつかの実行または場合によっては複数のセッションがかかる場合があります。 </li></ol></li></ol>パート6：代表的な結果： <ol><li>図1と図2は、チャンネルと周波数ビンは、カーソル制御のために選択されるべきかを示す、校正手順のためのr平方値と頭皮の地形を示しています。 </li><li>訓練を受けた被験者は、すぐに1〜2秒以内に示すように、ターゲットにカーソルを移動することができるはずです。 </li></ol><img src="/files/ftp_upload/1319/1319fig1.jpg" alt="図1" />右手と現実と想像の動きの間に10から12 Hzの帯域でのスペクトル変化の地形図1）およびB）。 C）電力の残りの間にC3のスペクトル（破線）と運動（固体）。残りの部分に比べて運動時の消費電力のD）r平方。 <img src="/files/ftp_upload/1319/1319fig2.jpg" alt="図2" /> 図2 r平方想像右手の動きのすべてのチャネルにわたる。 x軸は0から70 Hzまでの2 Hzのビンの周波数です。 y軸はチャネル番号です。最高r平方の値は、運動野の反対側の手の領域をカバーするチャンネル9、10、17、18、19、に記載されています。

<ol>
	<li>Fabiani, G. E., McFarland, D. J., Wolpaw, J. R., Pfurtscheller, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conversion+of+eeg+activity+into+cursor+movement+by+a+brain-computer+interface+(bci).">Conversion of eeg activity into cursor movement by a brain-computer interface (bci).</a> IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering. 12 (3), 331-338 (2004).</li><li>Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+a+two-dimensional+movement+signal+by+a+noninvasive+brain-computer+interface+in+humans.">Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans.</a> Proc Natl Acad Sci USA. 101 (51), 17849-17854 (2004).</li><li>Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bci2000:+a+general-purpose+brain-computer+interface+(BCI)+system.">Bci2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system.</a> IEEE transactions on bio-medical engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).</li></ol>

<ol><li>それは、電極のインピーダンスが低いことが不可欠ですが、そのあまりゲルはインピーダンスを下げるために使用されていませんでした。単一の悪いチャンネルでは、一般的な平均の参照を介して他のすべてに影響を与える可能性があります。インピーダンスはいくつかの試行後に減少することができない場合は、クイックインサート電極は単に針がゲルを注入するために介して配置されている穴から?...

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		<div>
		<table border="1">
		<thead>
		<tr>
		<th>Material Name</th>
		<th>Type</th>
		<th>Company</th>
		<th>Catalogue Number</th>
		<th>Comment</th>
		</tr>
		</thead>
		<tbody>
		
<tr>
<td>BCI2000- Compatible Amplifer System</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>g.USBamp</td>
<td>&nbsp;</td>
<td><a href="http://www.gtect.at">http://www.gtect.at</a></td>
</tr>
<tr>
<td>BCI2000- Compatible Amplifer System</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Tucker-Davis Technology</td>
<td>Rx5 or Rx 7</td>
<td><a href="http://www.tdt.com">http://www.tdt.com</a></td>
</tr>
<tr>
<td>EEG cap</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Electro-cap International</td>
<td>&nbsp;</td>
<td><a href="http://www.electro-cap.com">http://www.electro-cap.com</a> At a minimum, the cap should have electrodes over hand and feet areas (C3, C4, and Cz). Additional channels can be used for control (CP3, CP4, CPz) and for spatial filtering as well, which will improve the signal quality.</td>
</tr>
<tr>
<td>Conductive gel</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Electro-cap International</td>
<td>&nbsp;</td>
<td><a href="http://www.electro-cap.com">http://www.electro-cap.com</a></td>
</tr>
<tr>
<td>PC</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Running Windows XP or Vista (at least Pentium 4, 2 GHz, 1 GB RAM)</td>
</tr>
<tr>
<td>Two monitors</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Each at least 19in (one for the subject and one for the researcher)</td>
</tr>		</tbody>
		</table>
		</div>

using an eeg-based brain-computer interface for virtual cursor movement with bci2000

このようなコンピュータや他のデバイスを制御するために使用できる信号に変換する脳波（EEG）、などの神経信号を変換することにより、ブレインコンピュータインターフェース（BCI）は機能、。選択された周波数ビンの脳波信号の振幅は、このケースでは、コンピュータのカーソルの水平方向および垂直方向の速度を測定し、デバイスのコマンドに変換されます。最初に、脳波の電極は、脳の活動を記録するためにキャップを使用してユーザーの頭皮に適用されます。次に、キャリブレーションの手順は、ユーザーが自発的にBCIを使用するために調節することを学ぶことに脳波電極や機能を見つけるために使用されます。ヒトでは、ムーの力（8-12 Hz）とβ（18〜28 Hz）の周波数帯は、実際のあるいは想像の移動中に振幅が減少する。これらの変更は、リアルタイムで脳波で検出され、BCIを（[1]、[2]）を制御するために使用することができます。従って、スクリーニング試験中に、ユーザーはその想像上の動きと変化をユニークな脳波の特徴を決定するために彼らの手と足を持ついくつかの異なった想像の動きを作るように頼まれる。このキャリブレーションの結果から、μとβの周波数帯の振幅の変化は、水平または垂直にカーソルを移動するように構成されて使用するのが最善のチャンネルを、表示されます。この実験では、汎用のBCIシステムBCI2000は、信号集録、信号処理、およびユーザー[3]へのフィードバックを制御するために使用されます。

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Using an EEG-Based Brain-Computer Interface for Virtual Cursor Movement with BCI2000

このビデオでは、我々は、EEGキャップを設定するシステムのキャリブレーション、そしてユーザが想像動きを使用して、2つの次元でカーソルを移動させる訓練を含む、脳 - コンピュータインターフェースの実験を実行するために必要な手順を示しています。

BCI2000と仮想カーソル移動のために脳波ベースのブレインコンピュータインタフェースの使用

A brain-computer interface (BCI) functions by translating a neural signal, such as the electroencephalogram (EEG), into a signal that can be used to ...

using-an-eeg-based-brain-computer-interface-for-virtual-cursor

Research

JoVE Journal

Biology

17.6K ビュー.  University of Wisconsin-Madison. このビデオでは、我々は、EEGキャップを設定するシステムのキャリブレーション、そしてユーザが想像動きを使用して、2つの次元でカーソルを移動させる訓練を含む、脳 - コンピュータインターフェースの実験を実行するために必要な手順を示しています。

ビデオ: Using an EEG-Based Brain-Computer Interface for Virtual Cursor Movement with BCI2000

Testing Nicotine Tolerance in Aphids Using an Artificial Diet Experiment

Plants may upregulate the production of many different seconday metabolites in response to insect feeding. One of these metabolites, nicotine, is well know to have insecticidal properties. One response of tobacco plants to herbivory, or being gnawed upon by insects, is to increase the production of this neurotoxic alkaloid. Here, we will demonstrate how to set up an experiment to address this question of whether a tobacco-adapted strain of the green peach aphid, Myzus persicae, can tolerate higher levels of nicotine than the a strain of this insect that does not infest tobacco in the field.

In this video and assay is demonstrated that tests the tolerance of nicotine to two types of aphids one that infests tobacco plants in the field and one that does not.

人工飼料の実験を使用してアブラムシにニコチン耐性をテスト

Plants may upregulate the production of many different seconday metabolites in response to insect feeding. One of these metabolites, nicotine, is well ...

生物学

The Structure of Skilled Forelimb Reaching in the Rat: A Movement Rating Scale

Skilled reaching for food is an evolutionary ancient act and is displayed by many animal species, including those in the sister clades of rodents and primates. The video describes a test situation that allows filming of repeated acts of reaching for food by the rat that has been mildly food deprived. A rat is trained to reach through a slot in a holding box for food pellet that it grasps and then places in its mouth for eating. Reaching is accomplished in the main by proximally driven movements of the limb but distal limb movements are used for pronating the paw, grasping the food, and releasing the food into the mouth. Each reach is divided into at least 10 movements of the forelimb and the reaching act is facilitated by postural adjustments. Each of the movements is described and examples of the movements are given from a number of viewing perspectives. By rating each movement element on a 3-point scale, the reach can be quantified. A number of studies have demonstrated that the movement elements are altered by motor system damage, including damage to the motor cortex, basal ganglia, brainstem, and spinal cord. The movements are also altered in neurological conditions that can be modeled in the rat, including Parkinson's disease and Huntington's disease. Thus, the rating scale is useful for quantifying motor impairments and the effectiveness of neural restoration and rehabilitation. Because the reaching act for the rat is very similar to that displayed by humans and nonhuman primates, the scale can be used for comparative purposes. from a number of viewing perspectives. By rating each movement element on a 3-point scale, the reach can be quantified. A number of studies have demonstrated that the movement elements are altered by motor system damage, including damage to the motor cortex, basal ganglia, brainstem, and spinal cord. The movements are also altered in neurological conditions that can be modeled in the rat, including Parkinson's disease and Huntington's disease. Thus, the rating scale is useful for quantifying motor impairments and the effectiveness of neural restoration and rehabilitation.

Experiments on animals were performed in accordance with the guidelines and regulations set forth by the University of Lethbridge Animal Care Committee in accordance with the regulations of the Canadian Council on Animal Care.

The skilled reaching scale divides the movement by a forelimb in a reach for food act into composite elements each of which are evaluated with a three-point scale. The rating scale is described for a normal rat and can be applied toward evaluating neurological motor disorders.

ラットに到達熟練前肢の構造：運動評価尺度

Skilled reaching for food is an evolutionary ancient act and is displayed by many animal species, including those in the sister clades of rodents and ...

The use of Biofeedback in Clinical Virtual Reality: The INTREPID Project

Generalized anxiety disorder (GAD) is a psychiatric disorder characterized by a constant and unspecific anxiety that interferes with daily-life activities. Its high prevalence in general population and the severe limitations it causes, point out the necessity to find new efficient strategies to treat it. Together with the cognitive-behavioral treatments, relaxation represents a useful approach for the treatment of GAD, but it has the limitation that it is hard to be learned. The INTREPID project is aimed to implement a new instrument to treat anxiety-related disorders and to test its clinical efficacy in reducing anxiety-related symptoms. The innovation of this approach is the combination of virtual reality and biofeedback, so that the first one is directly modified by the output of the second one. In this way, the patient is made aware of his or her reactions through the modification of some features of the VR environment in real time. Using mental exercises the patient learns to control these physiological parameters and using the feedback provided by the virtual environment is able to gauge his or her success. The supplemental use of portable devices, such as PDA or smart-phones, allows the patient to perform at home, individually and autonomously, the same exercises experienced in therapist's office. The goal is to anchor the learned protocol in a real life context, so enhancing the patients' ability to deal with their symptoms. The expected result is a better and faster learning of relaxation techniques, and thus an increased effectiveness of the treatment if compared with traditional clinical protocols.

The Project on Virtual Reality Intelligent Multi-sensor System for the Treatment of Anxiety-related Disorders (INTREPID) is aimed at developing a multi-sensor context-aware virtual reality system for the treatment of anxiety-related disorders.

臨床バーチャルリアリティにおけるバイオフィードバックの利用：INTREPIDプロジェクト

Generalized anxiety disorder (GAD) is a psychiatric disorder characterized by a constant and unspecific anxiety that interferes with daily-life ...

Measuring the Bending Stiffness of Bacterial Cells Using an Optical Trap

We developed a protocol to measure the bending rigidity of filamentous rod-shaped bacteria. Forces are applied with an optical trap, a microscopic three-dimensional spring made of light that is formed when a high-intensity laser beam is focused to a very small spot by a microscope's objective lens. To bend a cell, we first bind live bacteria to a chemically-treated coverslip. As these cells grow, the middle of the cells remains bound to the coverslip but the growing ends are free of this restraint. By inducing filamentous growth with the drug cephalexin, we are able to identify cells in which one end of the cell was stuck to the surface while the other end remained unattached and susceptible to bending forces. A bending force is then applied with an optical trap by binding a polylysine-coated bead to the tip of a growing cell. Both the force and the displacement of the bead are recorded and the bending stiffness of the cell is the slope of this relationship.

We present a protocol for bending filamentous bacterial cells attached to a cover-slip surface with an optical trap to measure the cellular bending stiffness.

光トラップを用いた細菌細胞の曲げ剛性の測定

We developed a protocol to measure the bending rigidity of filamentous rod-shaped bacteria. Forces are applied with an optical trap, a microscopic ...

Culturing of Human Nasal Epithelial Cells at the Air Liquid Interface

In vitro models using human primary epithelial cells are essential in understanding key functions of the respiratory epithelium in the context of microbial infections or inhaled agents. Direct comparisons of cells obtained from diseased populations allow us to characterize different phenotypes and dissect the underlying mechanisms mediating changes in epithelial cell function. Culturing epithelial cells from the human tracheobronchial region has been well documented, but is limited by the availability of human lung tissue or invasiveness associated with obtaining the bronchial brushes biopsies. Nasal epithelial cells are obtained through much less invasive superficial nasal scrape biopsies and subjects can be biopsied multiple times with no significant side effects. Additionally, the nose is the entry point to the respiratory system and therefore one of the first sites to be exposed to any kind of air-borne stressor, such as microbial agents, pollutants, or allergens. 
Briefly, nasal epithelial cells obtained from human volunteers are expanded on coated tissue culture plates, and then transferred onto cell culture inserts. Upon reaching confluency, cells continue to be cultured at the air-liquid interface (ALI), for several weeks, which creates more physiologically relevant conditions. The ALI culture condition uses defined media leading to a differentiated epithelium that exhibits morphological and functional characteristics similar to the human nasal epithelium, with both ciliated and mucus producing cells. Tissue culture inserts with differentiated nasal epithelial cells can be manipulated in a variety of ways depending on the research questions (treatment with pharmacological agents, transduction with lentiviral vectors, exposure to gases, or infection with microbial agents) and analyzed for numerous different endpoints ranging from cellular and molecular pathways, functional changes, morphology, etc. 
In vitro models of differentiated human nasal epithelial cells will enable investigators to address novel and important research questions by using organotypic experimental models that largely mimic the nasal epithelium in vivo.

Nasal epithelial cells, obtained through superficial scrape biopsy of human volunteers, are expanded and transferred onto tissue culture inserts. Upon reaching confluency, cells are grown at air liquid interface, yielding cultures of ciliated and non-ciliated cells. Differentiated nasal epithelial cell cultures provide viable experimental models for studying the respiratory mucosa.

エア·液界面での人間の鼻上皮細胞の培養

In vitro models using human primary  epithelial cells are essential in understanding key functions of the respiratory  epithelium in the context of ...

Nanopodia - Thin, Fragile Membrane Projections with Roles in Cell Movement and Intercellular Interactions

Adherent cells in culture maintain a polarized state to support movement and intercellular interactions. Nanopodia are thin, elongated, largely F-actin-negative membrane projections in endothelial and cancer cells that can be visualized through TM4SF1 (Transmembrane-4-L-six-family-1) immunofluorescence staining. TM4SF1 clusters in 100-300 &#956;m diameter TMED (TM4SF1 enriched microdomains) containing 3 to as many as 14 individual TM4SF1 molecules. TMED are arranged intermittently along nanopodia at a regular spacing of 1 to 3 TMED per &#956;m and firmly anchor nanopodia to matrix. This enables nanopodia to extend more than 100 &#956;m from the leading front or trailing rear of polarized endothelial or tumor cells, and causes membrane residues to be left behind on matrix when the cell moves away. TMED and nanopodia have been overlooked because of their extreme fragility and sensitivity to temperature. Routine washing and fixation disrupt the structure. Nanopodia are preserved by direct fixation in paraformaldehyde (PFA) at 37 &#176;C, followed by brief exposure to 0.01% Triton X-100 before staining. Nanopodia open new vistas in cell biology: they promise to reshape our understanding of how cells sense their environment, detect and identify other cells at a distance, initiate intercellular interactions at close contact, and of the signaling mechanisms involved in movement, proliferation, and cell-cell communications. The methods that are developed for studying TM4SF1-derived nanopodia may be useful for studies of nanopodia that form in other cell types through the agency of classic tetraspanins, notably the ubiquitously expressed CD9, CD81, and CD151.

Nanopodia are thin but fragile membrane channels that extend up to 100 &#956;m from a cell's leading front or trailing rear and sense the cellular environment. Direct fixation at 37 &#176;C, gentle washing, and avoidance of organic solvents like ethanol, methanol, or acetone and of higher Triton X-100 concentrations are required to observe these cellular structures.

Nanopodia  - 細胞運動および細胞間の相互作用において役割を有する薄い、壊れやすい膜見通し

Adherent cells in culture maintain a polarized state to support movement and intercellular interactions. Nanopodia are thin, elongated, largely ...

An Alternative Approach for Sample Preparation with Low Cell Number for TEM Analysis

Transmission electron microscopy (TEM) provides details of the cellular organization and ultrastructure. However, TEM analysis of rare cell populations, especially cells in suspension such as hematopoietic stem cells (HSCs), remains limited due to the requirement of a high cell number during sample preparation. There are a few cytospin or monolayer approaches for TEM analysis from scarce samples, but these approaches fail to get significant quantitative data from the limited number of cells. Here, an alternative and novel approach for sample preparation in TEM studies is described for rare cell populations that enables quantitative analysis.
A relatively low cell number, i.e., 10,000 HSCs, was successfully used for TEM analysis compared to the millions of cells typically used for TEM studies. In particular, Evans blue staining was performed after paraformaldehyde-glutaraldehyde (PFA-GA) fixation to visualize the tiny cell pellet, which facilitated embedding in agarose. Clusters of numerous cells were observed in ultra-thin sections. The cells had a well preserved morphology, and the ultra-structural details of the Golgi complex and several mitochondria were visible. This efficient, easy and reproducible protocol allows sample preparation from a low cell number and can be used for qualitative and quantitative TEM analysis on rare cell populations from limited biological samples.

Here, we present a protocol to prepare samples with low cell numbers for transmission electron microscopy (TEM) analysis.

TEM分析のための低細胞数とサンプル調製のための代替的アプローチ

Transmission electron microscopy (TEM) provides details of the cellular organization and ultrastructure. However, TEM analysis of rare cell populations, ...

Visualization of 3D White Adipose Tissue Structure Using Whole-mount Staining

Adipose tissue is an important metabolic organ with high plasticity and is responsive to environmental stimuli and nutrient status. As such, various techniques have been developed to study the morphology and biology of adipose tissue. However, conventional visualization methods are limited to studying the tissue in 2D sections, failing to capture the 3D architecture of the whole organ. Here we present whole-mount staining, an immunohistochemistry method that preserves intact adipose tissue morphology with minimal processing steps. Hence, the structures of adipocytes and other cellular components are maintained without distortion, achieving the most representative 3D visualization of the tissue. In addition, whole-mount staining can be combined with lineage tracing methods to determine cell fate decisions. However, this technique has some limitations to providing accurate information regarding deeper parts of adipose tissue. To overcome this limitation, whole-mount staining can be further combined with tissue clearing techniques to remove the opaqueness of tissue and allow for complete visualization of entire adipose tissue anatomy using light-sheet fluorescent microscopy. Therefore, a higher resolution and more accurate representation of adipose tissue structures can be captured with the combination of these techniques.

The focus of the present study is to demonstrate the whole-mount immunostaining and visualization technique as an ideal method for 3D imaging of adipose tissue architecture and cellular component.

全取り付ける染色を用いた 3 D 白色脂肪組織構造の可視化

Adipose tissue is an important metabolic organ with high plasticity and is responsive to environmental stimuli and nutrient status. As such, various ...

An Air-liquid Interface Bronchial Epithelial Model for Realistic, Repeated Inhalation Exposure to Airborne Particles for Toxicity Testing

For toxicity testing of airborne particles, air-liquid interface (ALI) exposure systems have been developed for in vitro tests in order to mimic realistic exposure conditions. This puts specific demands on the cell culture models. Many cell types are negatively affected by exposure to air (e.g., drying out) and only remain viable for a few days. This limits the exposure conditions that can be used in these models: usually relatively high concentrations are applied as a cloud (i.e., droplets containing particles, which settle down rapidly) within a short period of time. Such experimental conditions do not reflect realistic long-term exposure to low concentrations of particles. To overcome these limitations the use of a human bronchial epithelial cell line, Calu-3 was investigated. These cells can be cultured at ALI conditions for several weeks while retaining a healthy morphology and a stable monolayer with tight junctions. In addition, this bronchial model is suitable for testing the effects of repeated exposures to low, realistic concentrations of airborne particles using an ALI exposure system. This system uses a continuous airflow in contrast to other ALI exposure systems that use a single nebulization producing a cloud. Therefore, the continuous flow system is suitable for repeated and prolonged exposure to airborne particles while continuously monitoring the particle characteristics, exposure concentration, and delivered dose. Taken together, this bronchial model, in combination with the continuous flow exposure system, is able to mimic realistic, repeated inhalation exposure conditions that can be used for toxicity testing.

Described is the cell culture and exposure method of an in vitro bronchial model for realistic, repeated inhalation exposure to particles for toxicity testing.

毒性試験のための空気中の粒子への現実的な反復吸入暴露のための気管支上皮モデル

For toxicity testing of airborne particles, air-liquid interface (ALI) exposure systems have been developed for in vitro tests in order to mimic realistic ...

Collection of Skeletal Muscle Biopsies from the Superior Compartment of Human Musculus Tibialis Anterior for Mechanical Evaluation

The mechanical properties of contracting skeletal fibers are crucial indicators of overall muscle health, function, and performance. Human skeletal muscle biopsies are often collected for these endeavors. However, relatively few technical descriptions of biopsy procedures, outside of the commonly used musculus vastus lateralis, are available. Although the biopsy techniques are often adjusted to accommodate the characteristics of each muscle under study, few technical reports share these changes to the greater community. Thus, muscle tissue from human participants is often wasted as the operator reinvents the wheel. Expanding the available material on biopsies from a variety of muscles can reduce the incident of failed biopsies. This technical report describes a variation of the modified Bergstr&#246;m technique on the musculus tibialis anterior that limits fiber damage and provides fiber lengths adequate for mechanical evaluation. The surgery is an outpatient procedure that can be completed in an hour. The recovery period for this procedure is immediate for light activity (i.e., walking), up to three days for the resumption of normal physical activity, and about one week for wound care. The extracted tissue can be used for mechanical force experiments and here we present representative activation data. This protocol is appropriate for most collection purposes, potentially adaptable to other skeletal muscles, and may be improved by modifications to the collection needle.

This technical report describes a variation of the modified Bergstr&#246;m technique for the biopsy of the musculus tibialis anterior that limits fiber damage.

機械評価のためのヒト筋学の上室から骨格筋生検の収集

The mechanical properties of contracting skeletal fibers are crucial indicators of overall muscle health, function, and performance. Human skeletal muscle ...