清醒啮齿类动物经颅电脑刺激

摘要

本方案描述了一种用于在啮齿类动物颅骨表面永久植入电极插座以及胸部植入电极的手术设置。通过将第二个电极插入该插座，可在清醒动物中经完整颅骨向运动系统递送不同类型的经颅电刺激。

摘要

经颅电刺激可以调节人类和啮齿类动物的皮层兴奋性和可塑性。在人类中最常见的刺激形式是经颅直流电刺激（tDCS）。较少使用的是经颅交流电刺激（tACS）或经颅随机噪声刺激（tRNS），后者是一种特定形式的tACS，通过在预定义频率范围内随机施加电流实现。近年来，出于实验和临床目的，人类非侵入性电脑刺激研究不断增加，从而对动物的基础性、机制性和安全性研究提出了更高需求。本文介绍了一种在清醒啮齿类动物中通过完整颅骨靶向运动系统的经颅电脑刺激（tES）模型。该方案提供了手术建立永久性颅外电极插座并联合胸部植入式对电极的逐步操作指南。通过将刺激电极插入颅外插座，可施加多种类型的电刺激，其方式与人类使用的tDCS、tACS和tRNS相当。此外，本文还介绍了在清醒啮齿类动物中实施tES的具体操作步骤。可根据实验需求选择所施加的电流密度、刺激持续时间和刺激类型。文中还讨论了该装置的注意事项、优缺点，以及安全性和耐受性相关问题。

引言

经颅电刺激（tES）向大脑输送电流已有数十年历史，用于研究脑功能并调节行为。近年来，通过两个或更多电极（阳极和阴极）无创地经完整颅骨施加直流电，或较少情况下施加交流电（tACS 和 tRNS），引起了科学界和临床领域的广泛关注。特别是经颅直流电刺激（tDCS），已在超过33,200次实验中应用于健康受试者及神经精神疾病患者，被认为是一种安全、简便、经济有效的床旁干预手段，具有潜在的治疗价值以及持久的行为效应¹。这显然促使人们对机制研究（包括安全性方面）的需求和科学兴趣日益增加。本文重点介绍最常用的刺激形式——tDCS。

跨物种研究表明，经颅直流电刺激（tDCS）可调节皮层兴奋性及突触可塑性。已有研究报道，在大鼠和猫中，皮层兴奋性的变化表现为神经元自发放电频率的极性依赖性改变。^2,3,4，或在人类和小鼠中表现为运动诱发电位（MEP）振幅的变化（阳极刺激后增加，阴极刺激后降低：人类）^5,6；小鼠⁷)。阳极直流电刺激增强了运动皮层或海马突触的突触效能 体外 在给予特定弱....

方案

涉及动物的研究，必须在实验开始前获得相关（国家特定）的批准。本文所报告的所有动物实验均依照欧盟指令2010/63/EU、2013年7月修订的德国动物保护法（"Tierschutzgesetz"）以及2013年8月修订的德国动物实验管理条例进行。动物实验方案已获得当地主管部门“弗莱堡地区委员会动物实验委员会”和“弗莱堡大学医学中心动物实验委员会”的批准。

1. 手术器械与材料的准备

1. 确保 图1 所列物品均已备好并放置于手术区域。
2. 准备一块细长的矩形铂金片（例如，10 mm × 6 mm × 0.15 mm），作为皮下植入胸部的对电极，并在该铂金片两个对角角落打两个小孔。
3. 使用无铅锡焊料将一根长约 ~10 cm 的绝缘电缆焊接到铂金片的一个角落（无孔的一角）。
4. 在焊点处涂上一小滴组织用丙烯酸胶以作绝缘。

2. 实验大鼠的术前准备

1. 为啮齿类动物分配一个研究编号，并将其记录在准备好的手术卡片上。
2. 称量啮齿类动物的体重，并将体重记录在手术卡片上。根据体重计算注射麻醉剂的剂量（例如，大鼠按80 mg/kg体重给予氯胺酮，同时按12 mg/kg体重给予赛拉嗪）。
3. 通过腹腔（i.p.）注射计算好的麻醉....

结果

文中所述的在清醒啮齿类动物中可靠重复进行经颅电刺激（tES）的装置设置，可轻松整合到机制性实验、剂量-效应研究或包含行为学任务的实验中。迄今为止，由于各实验室之间tES刺激装置设置的差异以及刺激参数的不同，采用（非侵入性）tES的动物研究数据之间的可比性受到限制。例如， 与人体应用相比，施加了过高且极端的电流密度）。因此，动物研究在经颅电刺激（tES）领域的信息价值有限。本文介绍了一种tES实验装置，通过规范电极放置方式，可在不同实验室之间轻松实现标准化 "活性" 在目标皮层（此处为初级运动皮层（M1））上方的骨头上放置电极，以生理盐水作为优选导电介质，参考电极置于胸部（体外或植入式）。

鉴于啮齿类动物体型较小，将电极置于其皮肤上目标皮层的对应位置可能会导致过度分流，特别是当参考电极放置位置较近时。 例如， 颈部（有关当前建模的示例，请参见 图3

讨论

本方案描述了在清醒啮齿类动物中建立永久性经颅电刺激（tES）装置及后续刺激的典型材料和操作步骤。在准备啮齿类动物tES实验时，需考虑多个方法学方面（如tES的安全性和耐受性、结果参数）以及概念性方面（如与人类状况的可比性、对特定脑区刺激预期产生的效应）。从方法学角度来看，将颅骨tES插座与植入胸部的对侧电极相结合的手术装置有利于纵向研究，因为它允许在清醒、自由活动的啮齿类动物中进行刺激。虽然需要使动物适应电缆连接和永久性装置，但此后可实现tES与行为任务的联合应用。此外，与将对侧电极缝合于背心中的方式相比，该装置在刺激过程中可能使动物不适感更低，因为在前者情况下动物活动不受限制，且植入电极在刺激期间能确保与组织的良好接触。

所展示的经颅电刺激（tES）装置已用于持续长达3个月的实验，期间未出现任何电极导线断裂、材料不稳定或感染情况。因此，该装置很可能也适用于超过此期限的实验。

这种颅顶刺激布局可防止电流通过皮肤结构发生过度分流，这在啮齿类动物中可能更为显著，因为电极相对于其体型的比例关系所致（见

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Softasept N	B. Braun Melsungen AG， Melsungen，德国	3887138	消毒剂
70% 乙醇	Carl Roth GmbH & Co. KG，Karlsruhe，德国	T913.1
弯头镊子	FST Fine Science Tools，Heidelberg，德国	11071-10
虹膜镊，10 cm，直型，带齿	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	15914
手术刀柄 #3，13 cm	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	500236
标准手术刀片 #10	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	500239
Zelletten 纤维素棉签	Lohmann und Rauscher，Neuwied，德国	13349	5 × 4 cm
异氟烷	AbbVie Deutschland GmbH & Co	N01AB06
虹膜剪，11.5 cm，直型	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	501758	小型剪刀
棉签/棉棒	Carl Roth GmbH & Co. KG，Karlsruhe，德国	EH12.1	Rotilabo
Kelly 止血钳，14 cm，直型	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	501241	外科止血钳
电极板（铂金）	定制	Wissenschaftliche Werkstatt Neurozentrum Uniklinik Freiburg，德国	10 × 6 mm，厚度 0.15 mm
绝缘铜丝（直径约 1 mm）	Reichelt Elektronik GmbH & Co. KG，Sande，德国	LITZE BL	电极导线
Weller EC 2002 M 焊接站	Weller Tools GmbH，Besigheim，德国	EC2002M1D
Iso-Core EL 0.5 mm	FELDER GMBH Löttechnik，Oberhausen，德国	20970510	无铅焊料
MERSILENE 聚酯纤维缝线	Johnson & Johnson Medical GmbH, Ethicon Deutschland, Norderstedt, Germany	R871H	不可吸收编织缝线，4-0
Histoacryl	B. Braun Melsungen AG， Melsungen，德国	9381104	氰基丙烯酸酯
10% 氯胺酮	Medistar GmbH，德国	n/a	麻醉剂
罗姆潘 2%（赛拉嗪）	Bayer GmbH，德国	n/a	麻醉剂