생체 내에서 마우스 뇌를 경두개로 자극하기 위해 밀리미터 크기의 코일과 결합된 저비용 뇌파 기록 시스템

요약

밀리미터 크기의 코일과 결합된 저비용 뇌파 기록 시스템은 생체 내에서 마우스 뇌의 경두개 자기 자극을 유도하기 위해 제안되었습니다. 맞춤형의 유연한 다중 전극 어레이 기판이 있는 기존의 나사 전극을 사용하여 경두개 자기 자극에 대한 반응으로 마우스 뇌에서 다중 부위 기록을 수행할 수 있습니다.

초록

밀리미터 크기의 코일을 사용하여 생체 내에서 마우스 뇌의 경두개 자기 자극(TMS)을 구동하기 위해 저비용 뇌파(EEG) 기록 시스템이 여기에서 제안됩니다. 맞춤형의 유연한 다중 전극 어레이 기판과 결합된 기존의 나사 전극을 사용하여 마우스 뇌에서 다중 부위 기록을 수행할 수 있습니다. 또한 실험실에서 흔히 볼 수 있는 저비용 장비를 사용하여 밀리미터 크기의 코일을 생산하는 방법을 설명합니다. 플렉서블 다중전극 어레이 기판을 제조하기 위한 실용적인 절차와 저잡음 EEG 신호를 생성하는 데 필요한 나사 전극의 외과적 주입 기술도 제시됩니다. 이 방법론은 작은 동물의 뇌에서 기록하는 데 유용하지만 현재 보고서는 마취된 마우스 두개골의 전극 구현에 중점을 둡니다. 또한, 이 방법은 공통 어댑터를 통해 테더링된 케이블로 연결되고 녹음 중에 TMS 장치로 머리에 고정되는 깨어 있는 작은 동물로 쉽게 확장할 수 있습니다. 최대 32개의 EEG 채널(예: 16개의 채널을 가진 장치가 더 적은 채널을 갖는 장치가 제시됨)과 하나의 TMS 채널 장치를 포함할 수 있는 EEG-TMS 시스템의 현재 버전에 대해 설명한다. 또한 마취된 마우스에 EEG-TMS 시스템을 적용하여 얻은 일반적인 결과가 간략하게 보고됩니다.

서문

경두개 자기 자극(TMS)은 비침습성/낮은 침습성으로 인해 인간 뇌 과학, 임상 응용 및 동물 모델 연구를 위한 유망한 도구입니다. TMS 적용의 초기 단계에서 인간과 동물의 단일 및 쌍 펄스 TMS에 대한 반응으로 피질 효과의 측정은 운동 피질로 제한되었습니다. 쉽게 측정할 수 있는 출력은 운동 피질 ^1,2를 포함하는 운동 유발 전위 및 유도 근전 전위로 제한되었습니다. TMS 변조로 측정할 수 있는 뇌 영역을 확장하기 위해 뇌파(EEG) 기록은 전체 뇌 영역에 걸쳐 영역의 흥분성, 연결성 및 시공간 역학을 직접 검사하는 유용한 방법으로 단일 및 쌍 펄스 TMS와 통합되었습니다 ^3,4,5. 따라서 뇌에 TMS 및 EEG 기록(TMS-EEG)을 동시에 적용하는 것은 피질 내 신경 회로를 조사하기 위해 인간과 동물의 다양한 표재성 피질 뇌 영역을 조사하는 데 사용되었습니다(Tremblay et ^al.6 참조). 또한, TMS-EEG 시스템은 다른 피질 영역으로의 신호 전파 및 진동 ....

프로토콜

본 연구에서는 모든 동물실험을 국립보건원의 실험동물 관리 및 사용 가이드에 따라 홋카이도대학 기관동물관리이용위원회의 승인을 받아 실시하였다. 8 내지 10주령의 수컷 2마리와 암컷 3마리의 C57BL/6J 마우스를 본 연구에 사용하였다. 이것은 터미널 절차입니다. 동물들은 상업적 공급원으로부터 입수하였다 ( 재료의 표 참조).

1. 유연한 2차원 어레이 설계 및 구성

1. EEG 기록 및 기준 전극으로 사용하기 위해 공칭 직경, 목 길이 및 헤드 직경이 각각 0.6mm, 1.5mm 및 1.1mm인 구조적 특성을 가진 필요한 수의 소형 나사 전극(스테인리스, SUS XM7, 재료 표 참조)을 준비합니다(그림 1A).
   참고: 본 연구에서는 16개의 소형 나사 전극이 사용되었습니다.
2. 아래 단계에 따라 유연한 기판에 인쇄 회로도의 청사진을 준비합니다.
   1. 판독할 나사 전극을 위한 플렉서블 기판(전체 크기, 41.2mm × 19.9mm, 재료 표 참조)에 2차원(2D) 전극 패드 패턴을 만듭니다. 2D 전극 배열을 설계합니다.

토론

이 연구는 생쥐를 포함한 작은 동물을 위해 설계된 자기 자극 시스템과 결합된 다중 사이트 EEG 기록 시스템을 다룹니다. 구축된 시스템은 비용이 저렴하고 생리학 실험실에서 쉽게 구축할 수 있으며 기존 측정 설정을 확장할 수 있습니다. 마우스 기록 시스템에서 데이터를 얻는 데 필요한 수술 절차는 이러한 실험실이 표준 전기 생리학 실험에 대한 이전 경험이 있는 경우 매우 간단합니다.

자료

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