Name: Low-Cost Electroencephalographic Recording System Combined with a Millimeter-Sized Coil to Transcranially Stimulate the Mouse Brain In Vivo (Video) | JoVE
Uploaded: 2023-05-26T12:05:00
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Ce travail a été soutenu par la Murata Science Foundation, la Suzuken Memorial Foundation, la Nakatani Foundation for Advancement of Measuring Technologies in Biomedical Engineering, et une subvention pour la recherche exploratoire (numéro de subvention 21K19755, Japon) et pour la recherche scientifique (B) (numéro de subvention 23H03416, Japon) à T.T.

Dans la présente étude, toutes les expériences sur les animaux ont été réalisées conformément au Guide des National Institutes of Health pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire et avec l’approbation du Comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux de l’Université d’Hokkaido. Des souris C57BL/6J, deux mâles et trois femelles, âgées de 8 à 10 semaines, ont été utilisées pour la présente étude. Il s’agit d’une procédure terminale. Les animaux ont été obtenus ...

Stimulating Mouse Brain with a Low-Cost EEG and Millimeter-Sized Coil

<ol>
	<li>Ilmoniemi, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+responses+to+magnetic+stimulation+reveal+cortical+reactivity+and+connectivity.">Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity.</a> Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).</li><li>Hallett, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+magnetic+stimulation:+a+primer.">Transcranial magnetic stimulation: a primer.</a> Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).</li><li>Thut, G., Pascual-Leone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrating+TMS+with+EEG:+How+and+what+for.">Integrating TMS with EEG: How and what for.</a> Brain Topography. 22 (4), 215-218 (2010).</li><li>Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methodology+for+combined+TMS+and+EEG.">Methodology for combined TMS and EEG.</a> Brain Topograpy. 22 (4), 233-248 (2010).</li><li>Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Radhu, N., Fitzgerald, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+transcranial+magnetic+stimulation+and+electroencephalography:+its+past,+present+and+future.">Combined transcranial magnetic stimulation and electroencephalography: its past, present and future.</a> Brain Research. 1463, 93-107 (2012).</li><li>Tremblay, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+utility+and+prospective+of+TMS-EEG.">Clinical utility and prospective of TMS-EEG.</a> Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).</li><li>Pellicciari, M. C., Veniero, D., Miniussi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterizing+the+cortical+oscillatory+response+to+TMS+pulse.">Characterizing the cortical oscillatory response to TMS pulse.</a> Frontiers in Cellular Neuroscience. 11, 38 (2017).</li><li>Lin, Y. J., Shukla, L., Dugue, L., Valero-Cabre, A., Carrasco, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+magnetic+stimulation+entrains+alpha+oscillatory+activity+in+occipital+cortex.">Transcranial magnetic stimulation entrains alpha oscillatory activity in occipital cortex.</a> Scientific Reports. 11 (1), 18562 (2021).</li><li>Takahashi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laminar+responses+in+the+auditory+cortex+using+a+multielectrode+array+substrate+for+simultaneous+stimulation+and+recording.">Laminar responses in the auditory cortex using a multielectrode array substrate for simultaneous stimulation and recording.</a> IEEJ Transactions Electrical and Electronic Engineering. 14 (2), 303-311 (2019).</li><li>Yoshikawa, T., Higuchi, H., Furukawa, R., Tateno, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temporal+and+spatial+profiles+of+evoked+activity+induced+by+magnetic+stimulation+using+millimeter-sized+coils+in+the+mouse+auditory+cortex+in+vivo.">Temporal and spatial profiles of evoked activity induced by magnetic stimulation using millimeter-sized coils in the mouse auditory cortex in vivo.</a> Brain Research. 1796, 148092 (2022).</li><li>Tang, A. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+and+evaluation+of+rodent-specific+rTMS+coils.">Construction and evaluation of rodent-specific rTMS coils.</a> Frontiers in Neural Circuits. 10, 47 (2016).</li><li>Li, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+annealing+and+magnetic+treatment+parameters+to+achieve+high+permeabilities+in+55+Ni-Fe+toroid+cores.">Controlling annealing and magnetic treatment parameters to achieve high permeabilities in 55 Ni-Fe toroid cores.</a> IEEE Transactions on Magnetics. 37 (4), 2315-2317 (2001).</li></ol>

Cette étude porte sur un système d’enregistrement EEG multisite combiné à un système de stimulation magnétique conçu pour les petits animaux, y compris les souris. Le système construit est peu coûteux et facile à construire dans les laboratoires physiologiques, et peut étendre leurs installations de mesure existantes. La procédure chirurgicale nécessaire pour obtenir des données du système d’enregistrement de la souris est profondément simple si ces laboratoires ont une expérience préalable des exp?...

La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) est un outil prometteur pour la science du cerveau humain, l’application clinique et la recherche sur les modèles animaux en raison de son caractère non / peu invasif. Au début des applications de la SMT, la mesure de l’effet cortical en réponse à la SMT à impulsion unique et par paires chez les humains et les animaux était limitée au cortex moteur; La production facilement mesurable était limitée aux potentiels évoqués moteurs et aux potentiels myoélectriques induits impliquant le cortex moteur 1,2. Pour élargir les régions du cerveau qui peuvent être mesurées par modulation de la SMT, l’enregistrement électroencéphalographique (EEG) a été intégré à la SMT à impulsion unique et appariée comme méthode utile pour examiner directement l’excitabilité, la connectivité et la dynamique spatio-temporelle des zones du cerveauentier 3,4,5. Ainsi, l’application simultanée de la SMT et de l’enregistrement EEG (SM-EEG) au cerveau a été utilisée pour sonder diverses zones cérébrales corticales superficielles des humains et des animaux afin d’étudier les circuits neuronaux intracorticaux (voir Tremblay et coll.6). De plus, les systèmes TMS-EEG peuvent être utilisés pour examiner d’autres caractéristiques spatio-temporelles corticales, y compris la propagation de signaux vers d’autres zones corticales et la génération d’une activité oscillatoire 7,8.
Cependant, le mécanisme d’action de la SMT dans le cerveau reste spéculatif en raison du caractère non invasif de la SMT, ce qui limite notre connaissance du fonctionnement du cerveau pendant les applications de la SMT. Par conséquent, les études translationnelles invasives chez des animaux allant des rongeurs aux humains sont d’une importance cruciale pour comprendre le mécanisme des effets de la SMT sur les circuits neuronaux et leur activité. En particulier, pour les expériences combinées TMS-EEG chez l’animal, un système de stimulation et de mesure simultanées n’a pas été développé de manière intensive pour les petits animaux. Par conséquent, les expérimentateurs sont tenus de construire un tel système par essais et erreurs en fonction de leurs besoins expérimentaux spécifiques. En outre, les modèles murins sont utiles parmi d’autres modèles d’espèces animales in vivo , car de nombreuses souches de souris transgéniques et isolées par souche sont disponibles en tant que ressources biologiques. Ainsi, une méthode pratique pour construire un système de mesure combiné TMS-EEG pour les souris serait souhaitable pour de nombreux chercheurs en neurosciences.
Cette étude propose une méthode combinée TMS-EEG qui peut être appliquée pour la stimulation et l’enregistrement simultanés du cerveau de souris, qui est le principal type d’animal transgénique utilisé dans la recherche, et qui peut facilement être construit dans des laboratoires de neurosciences typiques. Tout d’abord, un système d’enregistrement EEG à faible coût est décrit à l’aide d’électrodes à vis conventionnelles et d’un substrat flexible pour attribuer de manière reproductible une position de réseau d’électrodes dans chaque expérience. Deuxièmement, un système de stimulation magnétique est construit à l’aide d’une bobine de taille millimétrique, qui peut facilement être fabriquée sur mesure dans des laboratoires typiques. Troisièmement, le système combiné TMS-EEG enregistre l’activité neuronale en réponse à la stimulation sonore et magnétique. La méthode présentée dans cette étude peut révéler les mécanismes qui génèrent des troubles spécifiques chez les petits animaux, et les résultats obtenus dans les modèles animaux peuvent être traduits pour comprendre les troubles humains correspondants.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd</td>
			<td>FFD-101</td>
			<td>The printer used for 3D-printing the donut-shaped disks</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ATROPINE SULFATE&#160; 0.5 mg</td>
			<td>NIPRO ES PHARMA CO., LTD.</td>
			<td>-</td>
			<td>Atropine sulfate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bipolar amplifier</td>
			<td>NF Corp.</td>
			<td>KIT61380</td>
			<td>For amplifying waveforms for coil input</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butorphanol</td>
			<td>Meiji Seika Pharma 
			Co., Ltd., Tokyo, Japan</td>
			<td>-</td>
			<td>For anathesis of animals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Commercial manufacturer of flexible 2D array</td>
			<td>p-ban.com Corp.</td>
			<td>-</td>
			<td>URL: https://www.p-ban.com/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer prograom to analyze output signals</td>
			<td>Natinal Instruments</td>
			<td>NI-DAQ and&#160; NI-DAQmx Python</td>
			<td>To analyze output signals from the hall-effect sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Connector</td>
			<td>Harwin Inc.</td>
			<td>G125-FV12005L0P</td>
			<td>For connector to conect to the measuring system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper pad</td>
			<td>p-ban.com Corp.</td>
			<td>copper</td>
			<td>Copper pad on each substrate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper wire</td>
			<td>Kyowa Harmonet Ltd.</td>
			<td>P644432</td>
			<td>The windings of the coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DAQ board</td>
			<td>National Instruments Corp.</td>
			<td>USB-6343</td>
			<td>For measuring the magnitic flux density of the coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dental cement</td>
			<td>SHOFU INC.</td>
			<td>Quick Resin</td>
			<td>Self-Curing Orthodontic Resin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECoG electrode</td>
			<td>NeuroNexus Inc.</td>
			<td>HC32</td>
			<td>For reference to design of the flexible 2D array</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy resin</td>
			<td>Konishi Co. Ltd.</td>
			<td>#16123</td>
			<td>For coil construction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethyl Carbamate</td>
			<td>FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp.</td>
			<td>050-05821</td>
			<td>For urethan anesthesia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flat ribbon cable</td>
			<td>Oki Electric Cable Co., Ltd.</td>
			<td>FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m</td>
			<td>For cable to connect between surface-mount connector and measuring sysytem</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>flexible substrate</td>
			<td>p-ban.com Corp.</td>
			<td>polyimide</td>
			<td>Baseplate of flexible substrate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Function generator</td>
			<td>NF Corp.</td>
			<td>WF1947</td>
			<td>For generating waveforms for coil input</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hall-effect sensor</td>
			<td>Honeywell International Inc.</td>
			<td>SS94A2D</td>
			<td>For measuring the magnitic flux density of the coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IDC crimping tool</td>
			<td>Pro&#39;sKit Industries Co.</td>
			<td>6PK-214</td>
			<td>To crimp the IDC and one end of the flat ribbon cable; Flat cable connector crimping tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Instant glue</td>
			<td>Konishi Co. Ltd.</td>
			<td>#04612</td>
			<td>For coil construction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Insulation-displacement connector (IDC&#160;)</td>
			<td>Uxcell Japan</td>
			<td>B07GDDG3XG</td>
			<td>2 &#215; 10 pins and a 1.27 mm pitch&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LCR meter</td>
			<td>NF Corp.</td>
			<td>ZM2376</td>
			<td>For measuring the AC properties of the coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manipulator</td>
			<td>NARISHIGE Group.</td>
			<td>SM-15L</td>
			<td>For manipulating the coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medetomidine</td>
			<td>Kobayashi Kako, Fukui, Japan</td>
			<td>-</td>
			<td>For anathesis of animals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Midazolam</td>
			<td>Astellas Pharma, Tokyo, Japan</td>
			<td>-</td>
			<td>For anathesis of animals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Miniature screw</td>
			<td>KOFUSEIBYO Co., Ltd.</td>
			<td>S0.6*1.5</td>
			<td>For EEG-senseing and reference electrode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouse</td>
			<td>Japan SLC, Inc.</td>
			<td>C57BL/6J&#160;(C57BL/6JJmsSlc)</td>
			<td>Experimental animal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Permalloy-45 rod</td>
			<td>The Nilaco Corp.</td>
			<td>780544</td>
			<td>The core of the coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Recording system</td>
			<td>Plexon Inc.</td>
			<td>OmniPlex</td>
			<td>For EEG data acquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless wire</td>
			<td>Wakisangyo Co., Ltd.</td>
			<td>HW-136</td>
			<td>For grasp by manipulator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxic apparatus</td>
			<td>NARISHIGE Group.</td>
			<td>SR-5M-HT</td>
			<td>To fix a mouse head</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surface-mount connector</td>
			<td>Useconn Electronics Ltd.</td>
			<td>PH127-2x10MG</td>
			<td>For connector to mount on the flexible 2D array</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Testing equipment (LCR meter)</td>
			<td>NF Corp.</td>
			<td>ZM2372</td>
			<td>Contact check and impedance measurements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>White PLA filament</td>
			<td>Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd</td>
			<td>PLA-F13</td>
			<td>The material used for 3D-printing the donut-shaped disks</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xylocaine Jelly 2%</td>
			<td>Sandoz Pharma Co., Ltd.</td>
			<td>-</td>
			<td>lidocaine hydrochloride</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

low-cost electroencephalographic recording system combined with a millimeter-sized coil to transcranially stimulate the mouse brain in vivo

Un système d’enregistrement électroencéphalographique (EEG) à faible coût est proposé ici pour piloter la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) du cerveau de la souris in vivo, en utilisant une bobine de taille millimétrique. À l’aide d’électrodes à vis conventionnelles combinées à un substrat multi-électrodes flexible sur mesure, l’enregistrement multisite peut être effectué à partir du cerveau de la souris. De plus, nous expliquons comment une bobine de taille millimétrique est produite à l’aide d’équipements à faible coût que l’on trouve généralement dans les laboratoires. Les procédures pratiques pour la fabrication du substrat flexible multiélectrodes et la technique d’implantation chirurgicale pour les électrodes à vis sont également présentées, qui sont nécessaires pour produire des signaux EEG à faible bruit. Bien que la méthodologie soit utile pour enregistrer à partir du cerveau de tout petit animal, le présent rapport se concentre sur la mise en œuvre d’électrodes dans un crâne de souris anesthésié. De plus, cette méthode peut être facilement étendue à un petit animal éveillé qui est connecté avec des câbles attachés via un adaptateur commun et fixé avec un dispositif TMS à la tête pendant l’enregistrement. La version actuelle du système EEG-TMS, qui peut inclure un maximum de 32 canaux EEG (un dispositif avec 16 canaux est présenté comme un exemple avec moins de canaux) et un dispositif TMS canal, est décrite. De plus, les résultats typiques obtenus par l’application du système EEG-TMS à des souris anesthésiées sont brièvement rapportés.

Low-Cost Electroencephalographic Recording System Combined with a Millimeter-Sized Coil to Transcranially Stimulate the Mouse Brain In Vivo

Des exemples de données EEG enregistrées chez des souris C57BL/6J anesthésiées avec le substrat flexible combiné aux électrodes à vis sont présentées ci-dessous.
À titre d’exemple typique, les formes d’onde EEG moyennes générées en réponse à la stimulation sonore (éclatement de tonalité de 8 kHz, niveau de pression acoustique [SPL] de 80 dB) sont présentées pour 60 essais avec des stimuli identiques (Figure 4A). Un schéma de la cartographie...

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Low-Cost Electroencephalographic Recording System Combined with a Millimeter-Sized Coil to Transcranially Stimulate the Mouse Brain In Vivo (Video) | JoVE 

Un système d’enregistrement électroencéphalographique à faible coût combiné à une bobine de taille millimétrique est proposé pour stimuler la stimulation magnétique transcrânienne du cerveau de la souris in vivo. En utilisant des électrodes à vis conventionnelles avec un substrat multi-électrodes flexible sur mesure, l’enregistrement multisite peut être effectué à partir du cerveau de la souris en réponse à la stimulation magnétique transcrânienne.

Système d’enregistrement électroencéphalographique à faible coût combiné à une bobine de taille millimétrique pour stimuler transcrânalement le cerveau de la souris in vivo

A low-cost electroencephalographic (EEG) recording system is proposed here to drive transcranial magnetic stimulation (TMS) of the mouse brain in vivo, ...

En neurosciences, la TMS et l’enregistrement EEG sont fréquemment utilisés pour faire progresser notre compréhension du cerveau. La SMT est particulièrement prometteuse en raison de son caractère non invasif. La combinaison de la SMT avec l’enregistrement EEG permet aux chercheurs d’explorer l’excitabilité, la connectivité et la dynamique spatio-temporelle dans diverses régions du cerveau.Ce protocole vise à développer un système de mesure de stimulation simultanée pour les expériences TMS-EEG avec de petits animaux. Ces systèmes n’ont pas été développés de manière approfondie, obligeant les chercheurs à créer un système d’essais et d’erreurs en fonction des exigences expérimentales uniques. Cette approche facilement adaptable peut être mise en place dans des laboratoires de neurosciences standard, ce qui la rend plus accessible et pratique pour les chercheurs.Les résultats de cette étude feront progresser la recherche et l’élucidation des mécanismes à l’origine de troubles spécifiques chez les petits animaux, qui sont des modèles essentiels pour les candidats humains. De plus, ces modèles amélioreront leur compréhension des conditions humaines et aideront à orienter la création de traitements et d’interventions plus efficaces.