Validation of a simple and inexpensive method for the quantitation of infarct in the rat brain

A gravimetric method was evaluated as a simple, sensitive, reproducible, low-cost alternative to quantify the extent of brain infarct after occlusion of the medial cerebral artery in rats. In ether-anesthetized rats, the left medial cerebral artery was occluded for 1, 1.5 or 2 h by inserting a 4-0 nylon monofilament suture into the internal carotid artery. Twenty-four hours later, the brains were processed for histochemical triphenyltetrazolium chloride (TTC) staining and quantitation of the schemic infarct. In each TTC-stained brain section, the ischemic tissue was dissected with a scalpel and fixed in 10% formalin at 0ºC until its total mass could be estimated. The mass (mg) of the ischemic tissue was weighed on an analytical balance and compared to its volume (mm³), estimated either by plethysmometry using platinum electrodes or by computer-assisted image analysis. Infarct size as measured by the weighing method (mg), and reported as a percent (%) of the affected (left) hemisphere, correlated closely with volume (mm³, also reported as %) estimated by computerized image analysis (r = 0.88; P < 0.001; N = 10) or by plethysmography (r = 0.97-0.98; P < 0.0001; N = 41). This degree of correlation was maintained between different experimenters. The method was also sensitive for detecting the effect of different ischemia durations on infarct size (P < 0.005; N = 23), and the effect of drug treatments in reducing the extent of brain damage (P < 0.005; N = 24). The data suggest that, in addition to being simple and low cost, the weighing method is a reliable alternative for quantifying brain infarct in animal models of stroke.

A spectral analysis of the myoelectric activity of the left colon in patients with schistosomiasis mansoni

The objective of the present study was to perform a spectral analysis of the electrical activity of the left colon of patients with hepatosplenic schistosomiasis. Thirty patients were studied, divided into 2 groups: group A was composed of 14 patients (9 males and 5 females) with hepatosplenic schistosomiasis and group B was composed of 16 female patients without schistosomiasis mansoni. Three pairs of electrodes were implanted in the left colon at the moment of the surgical treatment. The signals of the electric activity of the colon were captured after postoperative recovery from the ileus and fed into a computer by means of a DATAQ data collection system which identified and captured frequencies between 0.02 and 10 Hz. Data were recorded, stored and analyzed using the WINDAQ 200 software. For electrical analysis, the average voltage of the electrical wave in the three electrodes of all patients, expressed as millivolts (mV), was considered, together with the maximum and minimum values, the root mean square (RMS), the skewness, and the results of the fast Fourier transforms. The average RMS of the schistosomiasis mansoni patients was 284.007 mV. During a long period of contraction, the RMS increased in a statistically significant manner from 127.455 mV during a resting period to 748.959 mV in patients with schistosomiasis mansoni. We conclude that there were no statistically significant differences in RMS values between patients with schistosomiasis mansoni and patients without the disease during the rest period or during a long period of contraction.

Agonistic-like responses from the torus semicircularis dorsalis elicited by GABA A blockade in the weakly electric fish Gymnotus carapo

Findings by our group have shown that the dorsolateral telencephalon of Gymnotus carapo sends efferents to the mesencephalic torus semicircularis dorsalis (TSd) and that presumably this connection is involved in the changes in electric organ discharge (EOD) and in skeletomotor responses observed following microinjections of GABA A antagonist bicuculline into this telencephalic region. Other studies have implicated the TSd or its mammalian homologue, the inferior colliculus, in defensive responses. In the present study, we explore the possible involvement of the TSd and of the GABA-ergic system in the modulation of the electric and skeletomotor displays. For this purpose, different doses of bicuculline (0.98, 0.49, 0.245, and 0.015 mM) and muscimol (15.35 mM) were microinjected (0.1 µL) in the TSd of the awake G. carapo. Microinjection of bicuculline induced dose-dependent interruptions of EOD and increased skeletomotor activity resembling defense displays. The effects of the two highest doses showed maximum values at 5 min (4.3 ± 2.7 and 3.8 ± 2.0 Hz, P < 0.05) and persisted until 10 min (11 ± 5.7 and 8.7 ± 5.2 Hz, P < 0.05). Microinjections of muscimol were ineffective. During the interruptions of EOD, the novelty response (increased frequency in response to sensory novelties) induced by an electric stimulus delivered by a pair of electrodes placed in the water of the experimental cuvette was reduced or abolished. These data suggest that the GABA-ergic mechanisms of the TSd inhibit the neural substrate of the defense reaction at this midbrain level.

Changes in types of muscle fibers induced by transcutaneous electrical stimulation of the diaphragm of rats

The objective of the present study was to assess the effect of transcutaneous electrical diaphragmatic stimulation (TEDS) on different types of diaphragm muscle fibers. Male Wistar rats (8-12 weeks old) were divided into 2 experimental groups (N = 8 in each group): 1) control, 2) animals submitted to TEDS [frequency = 50 Hz; T ON/T OFF (contraction/relaxation time) = 2/2 s; pulse duration = 0.4 ms, intensity = 5 mA with a 1 mA increase every 3 min for 20 min] for 7 days. After completing this treatment period, the I, IIA, IIB, and IID diaphragm muscle fibers were identified using the mATPase technique. Statistical analysis consisted of the normality, homoscedasticity and t-tests (P < 0.05). There was a 19.6% (P < 0.05) reduction in the number of type I fibers and a 49.7% increase (P < 0.05) in type IID fibers in the TEDS group compared with the control group. An important result of the present study was that electrical stimulation with surface electrodes was efficient in altering the distribution of fibers in diaphragm muscle. This therapeutic resource could be used in the treatment of respiratory muscle alterations.

Electroretinography in dogs using a fiber electrode prototype

We compared two electroretinography (ERG) electrodes in dogs using ERG standards of the International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV). Ten healthy Yorkshire terrier dogs (mean age, 2.80 ± 1.42 years; 6 females) weighing 5.20 ± 1.56 kg were evaluated using an ERG system for veterinary use. Dark- and light-adapted ERG responses were recorded using an ERG-Jet electrode and a fiber electrode prototype. The examinations were performed during 2 visits, 3 weeks apart. Both electrodes (ERG-Jet or fiber prototype) were used on each animal and the first eye to be recorded (OD × OS) was selected randomly. Three weeks later the examination was repeated on the same animal switching the type of electrode to be used that day and the first eye to be examined. The magnitude and waveform quality obtained with the two electrode types were similar for all ERG responses. ERG amplitudes and implicit times obtained from dogs using the fiber electrode prototype were comparable to those obtained with the ERG-Jet electrode for rod, maximal rod-cone summed, cone, and 30-Hz flicker responses. The fiber electrode prototype is a low-cost device, available as an alternative instrument for clinical veterinary ERG recording for retinal function assessment.

Spectral characteristics of bacteriorhodopsin water solution

The object of the study is bacteriorhodopsin. This light-sensitive protein have been selected as perspective substance for optical and optoelectronic applications. Bacteriorhodopsin carries out pumping protons through the cell membrane. Biomolecule converts light into an electric signal when sandwiched between electrodes. These properties were utilized in this research to implement photosensors on the basis of BR layers. These properties were utilized in this research to the bR water solution. According to the absorption spectra and using Kramers – Kronig relation the extinction coefficient has been calculated, as well as the related change of the refractive index value.

Hydrogen Sensor Application of Anodic Titanium Oxide Nanostructures

Hydrogen (H2) fuel cells have been considered a promising renewable energy source. The recent growth of H2 economy has required highly sensitive, micro-sized and cost-effective H2 sensor for monitoring concentrations and alerting to leakages due to the flammability and explosiveness of H2 Titanium dioxide (TiO2) made by electrochemical anodic oxidation has shown great potential as a H2 sensing material. The aim of this thesis is to develop highly sensitive H2 sensor using anodized TiO2. The sensor enables mass production and integration with microelectronics by preparing the oxide layer on suitable substrate. Morphology, elemental composition, crystal phase, electrical properties and H2 sensing properties of TiO2 nanostructures prepared on Ti foil, Si and SiO2/Si substrates were characterized. Initially, vertically oriented TiO2 nanotubes as the sensing material were obtained by anodizing Ti foil. The morphological properties of tubes could be tailored by varying the applied voltages of the anodization. The transparent oxide layer creates an interference color phenomena with white light illumination on the oxide surface. This coloration effect can be used to predict the morphological properties of the TiO2 nanostructures. The crystal phase transition from amorphous to anatase or rutile, or the mixture of anatase and rutile was observed with varying heat treatment temperatures. However, the H2 sensing properties of TiO2 nanotubes at room temperature were insufficient. H2 sensors using TiO2 nanostructures formed on Si and SiO2/Si substrates were demonstrated. In both cases, a Ti layer deposited on the substrates by a DC magnetron sputtering method was successfully anodized. A mesoporous TiO2 layer obtained on Si by anodization in an aqueous electrolyte at 5°C showed diode behavior, which was influenced by the work function difference of Pt metal electrodes and the oxide layer. The sensor enabled the detection of H2 (20-1000 ppm) at low operating temperatures (50–140°C) in ambient air. A Pd decorated tubular TiO2 layer was prepared on metal electrodes patterned SiO2/Si wafer by anodization in an organic electrolyte at 5°C. The sensor showed significantly enhanced H2 sensing properties, and detected hydrogen in the range of a few ppm with fast response/recovery time. The metal electrodes placed under the oxide layer also enhanced the mechanical tolerance of the sensor. The concept of TiO2 nanostructures on alternative substrates could be a prospect for microelectronic applications and mass production of gas sensors. The gas sensor properties can be further improved by modifying material morphologies and decorating it with catalytic materials.

Detection of Epilepsy with a Commercial EEG Headband

Epilepsy is a chronic brain disorder, characterized by reoccurring seizures. Automatic sei-zure detector, incorporated into a mobile closed-loop system, can improve the quality of life for the people with epilepsy. Commercial EEG headbands, such as Emotiv Epoc, have a potential to be used as the data acquisition devices for such a system. In order to estimate that potential, epileptic EEG signals from the commercial devices were emulated in this work based on the EEG data from a clinical dataset. The emulated characteristics include the referencing scheme, the set of electrodes used, the sampling rate, the sample resolution and the noise level. Performance of the existing algorithm for detection of epileptic seizures, developed in the context of clinical data, has been evaluated on the emulated commercial data. The results show, that after the transformation of the data towards the characteristics of Emotiv Epoc, the detection capabilities of the algorithm are mostly preserved. The ranges of acceptable changes in the signal parameters are also estimated.

Effects of isometric elbow flexion on electromyographic spike analysis

The main objective of this research was to examine the relationship between surface electromyographic (SEMG) spike activity and force. The secondary objective was to determine to what extent subcutaneous tissue impacts the high frequency component of the signal, as well as, examining the relationship between measures of SEMG spike shape and their traditional time and frequency analogues. A total of96 participants (46 males and 50 females) ranging in age (18-35 years), generated three 5-second isometric step contractions at each force level of 40, 60, 80, and 100 percent of maximal voluntary contraction (MVC). The presentation of the contractions was balanced across subjects. The right arm of the subject was positioned in the sagittal plane, with the shoulder and elbow flexed to 90 degrees. The elbow rested on a support in a neutral position (mid pronation/mid supination) and placed within a wrist cuff, fastened below the styloid process. The wrist cuff was attached to a load cell (JR3 Inc., Woodland, CA) recording the force produced. Biceps brachii activity was monitored with a pair of Ag/AgCI recording electrodes (Grass F-E9, Astro-Med Inc., West Warwick, RI) placed in a bipolar configuration, with an interelectrode distance (lED) of 2cm distal to the motor point. Data analysis was performed on a I second window of data in the middle of the 5-second contraction. The results indicated that all spike shape measures exhibited significant (p < 0.01) differences as force increase~ from 40 to 100% MVC. The spike shape measures suggest that increased motor unit (MU) recruitment was responsible for increasing force up to 80% MVC. The results suggested that further increases in force relied on MU III synchronization. The results also revealed that the subcutaneous tissue (skin fold thickness) had no relationship (r = 0.02; P > 0.05) with the mean number of peaks per spike (MNPPS), which was the high frequency component of the signal. Mean spike amplitude (MSA) and mean spike frequency (MSF) were highly correlated with their traditional measures root mean square (RMS) and mean power frequency (MPF), respectively (r = 0.99; r = 0.97; P < 0.01).

The determination of the helium discharge detector response to fixed gases

The Beckman Helium Discharge Detector has been found to be sensitive to the fixed gases oxygen, nitrogen, and hydrogen at detection levels 10-100 times more sensitive than possible with a Bow-Mac Thermal Conductivity Detector. Detection levels o~ approximately 1.9 E-4 ~ v/v oxygen, 3.1 E-4 ~ v/v nitrogen, and 3.0 E-3 ~ v/v hydrogen are estimated. Response of the Helium Discharge Detector was not linear, but is useable for quantitation over limited ranges of concentration using suitably prepared working standards. Cleanliness of the detector discharge electrodes and purity of the helium carrier and discharge gas were found to be critical to the operation of the detector. Higher sensitivities of the Helium Discharge Detector may be possible by the design and installation of a sensitive, solid-state electrometer.

Decreased motor unit firing rate in the potentiated tibialis anterior in humans

With repeated activity, force production, rate of force production, and relaxation time are impaired. These are characteristics ofa fatigued muscle (Vandenboom, 2004). However, brief bouts of near maximal to maximal activity results in the increased ability of the muscle to generate force, termed post activation potentiation (P AP)(V andervoort et aI., 1983). The purpose of the present study was to characterize motor unit firing rate (MUFR) in the unfatigued, potentiated tibialis anterior (TA). Using a quadrifilar needle electrode, MUFR was measured during a 5s 50% MVC in which the TA was either potentiated or unpotentiated; monopolar electrodes measured surface parameters. A lOs MVC was used to potentiate the muscle. Firing rate decreased significantly from 20.15±2.9Opps to 18.27±2.99pps, while mean power frequency decreased significantly from 60. 13±7.75 Hz to 53.62±8.56 Hz. No change in root mean square (RMS) was observed. Therefore, in the present study, MUFR decreases in response to a potentiated TA.

Analyse de l’activité neuronale dans le ganglion stellaire en relation avec la fonction cardiaque

Quatre microélectrodes ont été insérées dans le ganglion stellaire gauche (GS) de préparations canines in vivo pour évaluer la décharge des potentiels d’action dans les neurones situés dans ce ganglion périphérique durant un état cardiovasculaire stable et suivant des injections systémiques et locales de nicotine. Durant les périodes de contrôle, des changements mineurs ont été observés dans la pression artérielle systolique, dans le rythme cardiaque et dans le temps de conduction atrio-ventriculaire. L’activité générée par les neurones du GS est demeurée relativement constante à l’intérieure de chaque chien, mais variait entre les préparations. L’administration de nicotine systémique a altéré les variables physiologiques et augmenté l’activité neuronale. Même si différents changements au niveau des variables physiologiques ont été observés entre les animaux, ces changements demeuraient relativement constants pour un même animal. La dynamique de la réponse neuronale était similaire, mais l’amplitude et la durée variaient entre et au sein des chiens. L’injection de nicotine dans une artère à proximité du GS a provoqué une augmentation marquée des potentiels d’action sans faire changer les variables physiologiques. La technique d’enregistrement permet donc de suivre le comportement de multiples populations de neurones intrathoraciques situés dans le GS. La relation entre l’activation neuronale du GS et les changements physiologiques sont stables pour chaque chien, mais varient entre les animaux. Cela suggère que le poids relatif des boucles de rétroaction impliquées dans la régulation cardiovasculaire peut être une caractéristique propre à chaque animal.

Étude de l'EEG quantifié en éveil et en sommeil chez des adolescents présentant un trouble anxieux

Les troubles anxieux sont parmi les troubles psychiatriques les plus souvent diagnostiqués chez les adolescents. Ces troubles sont souvent accompagnés de nombreuses comorbidités, dont des difficultés de sommeil. L’objectif principal de cette thèse est de caractériser l’activité corticale à l’éveil et pendant le sommeil à l’aide de l’EEG quantifié chez une population d’adolescents présentant un trouble anxieux, et de la comparer à un groupe témoin d’adolescents. Dans un second temps, on cherche à savoir si l’activité EEG des patients anxieux corrèle avec différentes mesures cliniques. Deux études permettent de répondre à ces objectifs, une première portant sur l’activité EEG au cours de l’éveil, et une seconde portant sur l’activité EEG au cours du sommeil (SL et SP). La première étude démontre que l’activité EEG des deux groupes ne présente pas de différence à l’EEG le soir. Par contre, le matin, les patients anxieux présentent une activité significativement supérieure à celle des contrôles aux électrodes centrales (0,75-10 Hz et 13-20 Hz) ainsi qu’aux électrodes occipitales (2,5-7,75 Hz). Dans la seconde étude, nous avons analysé l’activité EEG absolue et relative en SL et en SP. Nous avons trouvé une activité absolue significativement supérieure à l’EEG de la région centrale chez les participants du groupe anxieux : en SLP (stades 3 et 4) sur l’ensemble des bandes de fréquence, en stade 2 sur les bandes de fréquence thêta, alpha et beta seulement. Finalement, en SP, les différences sont trouvées en alpha et beta, et non en thêta et delta. Les résultats obtenus à ces deux études suggèrent la présence de mécanismes de synchronisation et de filtrage inadéquats au niveau de la boucle thalamo-corticale, entraînant une hypervigilance du SNC. Quant aux corrélations entre l’activité EEG et les mesures cliniques, les résultats obtenus dans les deux études révèlent que les fréquences lentes (thêta et delta) de l’activité d’éveil le matin corrèlent à la fois avec l’anxiété de trait et d’état et les fréquences rapides (Alpha et Beta) de l’EEG du sommeil corrèlent sélectivement avec l’anxiété d’état. Il semble donc exister un lien entre les mesures cliniques et l’activité EEG. Une hausse d’activité EEG pourrait être un indicateur de la sévérité accrue des symptômes anxieux.

Conventional and Reciprocal Approaches to the Forward and Inverse Problems of Electroencephalography

Le problème inverse en électroencéphalographie (EEG) est la localisation de sources de courant dans le cerveau utilisant les potentiels de surface sur le cuir chevelu générés par ces sources. Une solution inverse implique typiquement de multiples calculs de potentiels de surface sur le cuir chevelu, soit le problème direct en EEG. Pour résoudre le problème direct, des modèles sont requis à la fois pour la configuration de source sous-jacente, soit le modèle de source, et pour les tissues environnants, soit le modèle de la tête. Cette thèse traite deux approches bien distinctes pour la résolution du problème direct et inverse en EEG en utilisant la méthode des éléments de frontières (BEM): l’approche conventionnelle et l’approche réciproque. L’approche conventionnelle pour le problème direct comporte le calcul des potentiels de surface en partant de sources de courant dipolaires. D’un autre côté, l’approche réciproque détermine d’abord le champ électrique aux sites des sources dipolaires quand les électrodes de surfaces sont utilisées pour injecter et retirer un courant unitaire. Le produit scalaire de ce champ électrique avec les sources dipolaires donne ensuite les potentiels de surface. L’approche réciproque promet un nombre d’avantages par rapport à l’approche conventionnelle dont la possibilité d’augmenter la précision des potentiels de surface et de réduire les exigences informatiques pour les solutions inverses. Dans cette thèse, les équations BEM pour les approches conventionnelle et réciproque sont développées en utilisant une formulation courante, la méthode des résidus pondérés. La réalisation numérique des deux approches pour le problème direct est décrite pour un seul modèle de source dipolaire. Un modèle de tête de trois sphères concentriques pour lequel des solutions analytiques sont disponibles est utilisé. Les potentiels de surfaces sont calculés aux centroïdes ou aux sommets des éléments de discrétisation BEM utilisés. La performance des approches conventionnelle et réciproque pour le problème direct est évaluée pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable et deux valeurs très différentes pour la conductivité du crâne. On détermine ensuite si les avantages potentiels de l’approche réciproquesuggérés par les simulations du problème direct peuvent êtres exploités pour donner des solutions inverses plus précises. Des solutions inverses à un seul dipôle sont obtenues en utilisant la minimisation par méthode du simplexe pour à la fois l’approche conventionnelle et réciproque, chacun avec des versions aux centroïdes et aux sommets. Encore une fois, les simulations numériques sont effectuées sur un modèle à trois sphères concentriques pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable. La précision des solutions inverses des deux approches est comparée pour les deux conductivités différentes du crâne, et leurs sensibilités relatives aux erreurs de conductivité du crâne et au bruit sont évaluées. Tandis que l’approche conventionnelle aux sommets donne les solutions directes les plus précises pour une conductivité du crâne supposément plus réaliste, les deux approches, conventionnelle et réciproque, produisent de grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu pour des dipôles très excentriques. Les approches réciproques produisent le moins de variations en précision des solutions directes pour différentes valeurs de conductivité du crâne. En termes de solutions inverses pour un seul dipôle, les approches conventionnelle et réciproque sont de précision semblable. Les erreurs de localisation sont petites, même pour des dipôles très excentriques qui produisent des grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu, à cause de la nature non linéaire des solutions inverses pour un dipôle. Les deux approches se sont démontrées également robustes aux erreurs de conductivité du crâne quand du bruit est présent. Finalement, un modèle plus réaliste de la tête est obtenu en utilisant des images par resonace magnétique (IRM) à partir desquelles les surfaces du cuir chevelu, du crâne et du cerveau/liquide céphalorachidien (LCR) sont extraites. Les deux approches sont validées sur ce type de modèle en utilisant des véritables potentiels évoqués somatosensoriels enregistrés à la suite de stimulation du nerf médian chez des sujets sains. La précision des solutions inverses pour les approches conventionnelle et réciproque et leurs variantes, en les comparant à des sites anatomiques connus sur IRM, est encore une fois évaluée pour les deux conductivités différentes du crâne. Leurs avantages et inconvénients incluant leurs exigences informatiques sont également évalués. Encore une fois, les approches conventionnelle et réciproque produisent des petites erreurs de position dipolaire. En effet, les erreurs de position pour des solutions inverses à un seul dipôle sont robustes de manière inhérente au manque de précision dans les solutions directes, mais dépendent de l’activité superposée d’autres sources neurales. Contrairement aux attentes, les approches réciproques n’améliorent pas la précision des positions dipolaires comparativement aux approches conventionnelles. Cependant, des exigences informatiques réduites en temps et en espace sont les avantages principaux des approches réciproques. Ce type de localisation est potentiellement utile dans la planification d’interventions neurochirurgicales, par exemple, chez des patients souffrant d’épilepsie focale réfractaire qui ont souvent déjà fait un EEG et IRM.

Study on the activation of the biceps brachii compartments in normal subjects

Les prothèses myoélectriques modernes peuvent être dotées de plusieurs degrés de liberté ce qui nécessite plusieurs signaux musculaires pour en exploiter pleinement les capacités. Pour obtenir plus de signaux, il nous a semblé prometteur d'expérimenter si les 6 compartiments du biceps brachial pouvaient être mis sous tension de façon volontaire et obtenir ainsi 6 signaux de contrôle au lieu d'un seul comme actuellement. Des expériences ont donc été réalisées avec 10 sujets normaux. Des matrices d'électrodes ont été placées en surface au-dessus du chef court et long du biceps pour recueillir les signaux électromyographiques (EMG) générés par le muscle lors de contractions effectuées alors que les sujets étaient soit assis, le coude droit fléchi ~ 100 ° ou debout avec le bras droit tendu à l'horizontale dans le plan coronal (sur le côté). Dans ces deux positions, la main était soit en supination, soit en position neutre, soit en pronation. L'amplitude des signaux captés au-dessus du chef court du muscle a été comparée à ceux obtenus à partir du chef long. Pour visualiser la forme du biceps sous les électrodes l'imagerie ultrasonore a été utilisée. En fonction de la tâche à accomplir, l'activité EMG a était plus importante soit dans un chef ou dans l'autre. Le fait de pouvoir activer préférentiellement l'un des 2 chefs du biceps, même si ce n'est pas encore de façon complètement indépendante, suggère que l'utilisation sélective des compartiments pourrait être une avenue possible pour faciliter le contrôle des prothèses myoélectriques du membre supérieur.