Microelectrodos guiada implantación de electrodos en el Subtalámico Núcleo de ratas de largo plazo estimulación cerebral profunda
2 de octubre de 2015
Se describe un método para implantar electrodos en el núcleo subtalámico (STN) de ratas. Se logró una mejor localización del STN mediante el uso de un sistema de micrograbación. Además, se presenta una configuración de estimulación que se caracteriza por conexiones duraderas entre la cabeza del animal y el estimulador.
El objetivo general de este procedimiento es realizar una implantación guiada por registro de microelectrodos en el núcleo subtalámico de ratas y, posteriormente, una estimulación a largo plazo de este núcleo. Esto se logra perforando primero un orificio de electrodo a través del cráneo expuesto. El segundo paso es hacer avanzar el electrodo a través del orificio del electrodo hacia el cerebro y registrar simultáneamente la actividad eléctrica en diferentes regiones del cerebro hasta que se pueda detectar la actividad específica del STN.
A continuación, el electrodo se fija aplicando cemento dental alrededor del vástago del electrodo, y el tapón de cabeza se conecta a la clavija del electrodo. El paso final es fijar el tapón con cemento dental y conectarlo al cable que conduce al estimulador. En última instancia, el cerebro extraído se corta en rodajas de ocho micras de grosor y se tiñe con hemat, toin y eoin para mostrar que la punta del electrodo se coloca en el núcleo subtalámico.
La principal ventaja de esta técnica sobre los métodos existentes, como la implantación de electrodos ciegos, es que el registro de la implantación guiada de microelectrodos mejora la orientación al núcleo subtalámico con alta precisión. Los experimentos con animales fueron aprobados por la Universidad de Burg y las autoridades legales del estado y se realizaron de acuerdo con las recomendaciones para la investigación en estudios experimentales de accidentes cerebrovasculares y los informes actuales de investigación en animales de experimentos in vivo. Las pautas comienzan por anestesiar a la rata en una cámara de inducción con aire suministrado a dos litros por minuto y esde flúor al 3,5%Retire la rata de la cámara de inducción y afeite el área entre las orejas y los ojos. Use un hisopo de algodón empapado con una solución antiséptica para frotar el área afeitada.
Para eliminar el pelo suelto, cambie el flujo de aire al cono de la nariz y ajuste la anestesia al 2,5% de flúor suministrado a un caudal de un litro por minuto. Coloque la rata en el cono de la nariz y colóquela en el marco estereotáxico. Compruebe el nivel de anestesia pellizcando la zona interdigital.
Si la rata está adecuadamente anestesiada, los reflejos defensivos quedan abolidos. Aplique ungüento veterinario en los ojos para prevenir la sequedad mientras está bajo anestesia. Controle y mantenga la temperatura corporal de la rata a 37 grados centígrados.
Inyectar 0,2 mililitros de mepivacaína por vía subcutánea en el centro de la zona afeitada para anestesiar la zona quirúrgica, asegurando la esterilidad a partir de este punto. Use un bisturí para hacer una incisión en la línea media que comience entre las orejas y se extienda hacia adelante durante unos dos centímetros. Asegúrese de que el periostio también esté inciso y luego exponga el cráneo con cuatro pinzas.
Use un bastoncillo de algodón para retirar suavemente el periostio hasta que las suturas coronales y sagitales queden expuestas. Cubre la sangre con algodón. Fije una aguja en un soporte de sonda y luego marque la punta de la aguja con un rotulador negro.
Usando los tornillos de accionamiento anteroposterior, de la línea media, lateral y dorsoventral. Coloque la punta de la aguja directamente sobre bgma. Tome las lecturas de la escala de chapa AP y ML.
Reste 3,6 milímetros de la lectura AP y 2,5 milímetros de la lectura ML para la implantación de electrodos en el STN derecho. Baje la punta de la aguja hasta la superficie del cráneo para marcar el lugar de la inyección con el tinte de la pluma con punta de fieltro, sujete el taladro dental en el soporte de la sonda grande del instrumento estereotáxico. Mueva el taladro dental al punto marcado en el cráneo y, mientras mira a través del microscopio, perfore un orificio de aproximadamente un milímetro de diámetro a través del cráneo hasta que la duramadre sea visible.
Este es el orificio para el electrodo. Retraiga la duramadre con pinzas de microdisección o una aguja estéril, ya que la duramadre es lo suficientemente dura como para destruir la punta del electrodo. Taladre un orificio con el taladro dental en cada escama frontal y en la escama parietal opuesta al orificio para el electrodo.
A partir de entonces, perfore un agujero en cada escama interparietal. Atornilla un tornillo de hueso en cada uno de los cinco agujeros. Evite enroscar los tornillos demasiado profundos, lo que ejercerá presión sobre el cerebro.
El número de vueltas dependerá del paso del tornillo. Aquí se utilizan de dos a tres vueltas de cada tornillo. Desconecte el soporte de la sonda del instrumento estereotáxico y sujete el soporte de la sonda con el electrodo en el micromanipulador.
Con los tornillos de accionamiento AP ML y DV, mueva el soporte de la sonda con el electrodo hasta que la punta esté casi tocando Breg ma. Obsérvese las lecturas de la escala de chapa AP ML y DV en breg ma. A continuación, levante el electrodo unos milímetros para evitar que el electrodo raspe el cráneo durante el movimiento.
Para determinar las coordenadas de la posición en la que se debe insertar el electrodo en el orificio, agregue 3,6 milímetros a la lectura AP y agregue 2,5 milímetros a la lectura ML. Con los tornillos de accionamiento AP y ML, mueva el electrodo a la posición calculada. En este punto, la punta del electrodo debe situarse directamente sobre el orificio del electrodo perforado.
A continuación, mientras mira a través del microscopio, baje el electrodo hasta el nivel de la duramadre. Obsérvese esto como cero en la dirección DV. A continuación, inserte suavemente la punta del electrodo en el cerebro.
Mientras mira a través del microscopio, conecte la clavija del electrodo al conector del sistema de registro. Conecte a tierra el instrumento estereotáxico con el contrapeso de la habitación. Luego coloque una jaula de Faraday sobre la rata en el instrumento estereotáxico en lugar de una jaula de Faraday.
También puede usar papel de aluminio como se muestra aquí, ya que su efecto es el mismo que el de una jaula de Faraday. Inicie el sistema de grabación si está disponible. Utilice un altavoz para obtener una señal acústica de las descargas de unidades individuales mientras avanza el electrodo.
Inserte lentamente el electrodo en el cerebro mientras registra la actividad eléctrica durante el avance del electrodo. Durante el registro, reduzca la anestesia tanto como sea posible a 0,8 a 1%, ya que los animales con anestesia baja muestran una actividad cerebral eléctrica más clara. La actividad eléctrica específica del STN suele ser detectable a una profundidad de entre 7,5 y 8,1 milímetros de la duramadre.
La actividad típica de las neuronas en el STN se caracteriza por un patrón de disparo irregular y una alta tasa de disparo. Ahora, frote cualquier sangre o líquido cefalorraquídeo que se haya desplazado en la superficie del cráneo al bajar el electrodo, luego mezcle una pequeña cantidad de cemento dental y luego use una pequeña espátula para aplicarlo alrededor del electrodo y alrededor de cuatro de los cinco tornillos. Cuando el cemento dental se haya endurecido, desconecte la clavija del electrodo del portaelectrodos y del conector del sistema de registro.
A continuación, desatornille el quinto tornillo que no estaba fijado por el cemento dental. Coloque el enchufe en la clavija del electrodo y fije el cable de tierra del enchufe con el cuarto tornillo. Aplique cemento dental alrededor del tapón a medida que el cemento se espesa.
Molde alrededor del enchufe para formar una tapa. Evite los bordes afilados del cemento dental que puedan dañar al animal y retírelos durante el endurecimiento. Desbridar los bordes de la herida y cerrarlos con una sutura detrás del tapón y en la parte delantera desinfectar los bordes de la herida.
Conecte el enchufe de cabeza al cable que está fijado en un pivote. A continuación, retire la rata del instrumento estereotáxico, administre la analgesia postoperatoria adecuada. 12,5 miligramos por kilogramo.
Aquí se utiliza tramadol. Coloque la rata en una jaula limpia con soporte térmico y fije el eslabón giratorio en esta jaula. Observar la recuperación del animal.
Esta imagen muestra una sección de ocho micras de espesor teñida con hemat, toína y eoína de un animal sacrificado 14 días después de la implantación y estimulación continua para visualizar la posición donde se encontraba la punta del electrodo. Una línea continua rodea el STN. Una pequeña lesión es visible donde se ubicó la punta del electrodo durante un período de estimulación de 14 días.
Cabe destacar que no hay un canal de penetración visible del electrodo, lo que indica que el electrodo no altera el tejido circundante. Esta imagen muestra la misma región con mayor aumento. Se detectó un pequeño número de células inflamatorias alrededor de la lesión debido a la reacción del tejido cerebral a la punta del electrodo.
Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en una hora y cuarto si se realiza correctamente.
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Descripción general
Este artículo describe un método para implantar electrodos en el núcleo subtalámico (STN) de ratas, utilizando un sistema de micrograbación para una mejor localización. El procedimiento permite la estimulación a largo plazo del STN tras la colocación precisa de los electrodos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Electrofisiología
- Neuroestimulación
Antecedentes
- El núcleo subtalámico desempeña un papel crucial en el control motor.
- La implantación de electrodos es esencial para estudiar la actividad cerebral.
- La micrograbación mejora la precisión en la colocación de los electrodos.
- La estimulación a largo plazo puede proporcionar información sobre los mecanismos neuronales.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método confiable para la implantación de electrodos en el núcleo subtalámico (STN).
- Permitir la estimulación a largo plazo del STN con fines de investigación.
- Mejorar las técnicas de localización mediante micrograbación.
Métodos Utilizados
- Perforar un orificio para el electrodo a través del cráneo.
- Introducir el electrodo en el cerebro mientras se registra la actividad eléctrica.
- Fijar el electrodo con cemento dental.
- Conectar el electrodo a un estimulador para uso prolongado.
Resultados principales
- Localización exitosa del núcleo subtalámico mediante micrograbación.
- Establecimiento de una conexión estable entre el electrodo y el estimulador.
- Demostración de capacidades efectivas de estimulación a largo plazo.
- Validación del posicionamiento del electrodo mediante análisis histológico.
Conclusiones
- El método proporciona un enfoque confiable para estudiar el NST.
- La estimulación a largo plazo puede mejorar la comprensión del control motor.
- La micrograbación mejora significativamente la precisión en la colocación del electrodo.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El posicionamiento preciso de núcleos cerebrales profundos es fundamental para estudios mecanicistas en la investigación de neuromodulación. Este método permite la colocación exacta de electrodos en el núcleo subtalámico de ratas, facilitando estudios de estimulación a largo plazo que aportan información para la validación de dianas y el análisis de circuitos en modelos preclínicos de trastornos del movimiento. El enfoque mejora la confianza predictiva al reducir los efectos fuera de diana y aumentar la reproducibilidad en las investigaciones sobre el mecanismo de acción de la estimulación cerebral profunda (DBS).
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la comprobación de hipótesis terapéuticas mediante un posicionamiento preciso del núcleo subtalámico, una región clave en las vías de control motor.
- Valor operativo: Reduce la variabilidad en la colocación del electrodo mediante la guía de micrograbaciones, aumentando la consistencia entre cohortes experimentales.
- Valor predictivo: Facilita la reducción de riesgos mecanicistas al permitir la correlación entre los parámetros de estimulación y los resultados electrofisiológicos y conductuales durante períodos prolongados.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Valor Científico: Proporciona un sistema de implante crónico estable adecuado para la evaluación longitudinal de las respuestas de circuitos neuronales a la estimulación.
- Valor Operativo: Cuenta con un sistema de protección de cables basado en un conector giratorio que mantiene la integridad eléctrica y la movilidad del animal durante estudios a largo plazo.
- Preparación para Ensayos: Permite la grabación y estimulación simultáneas, facilitando la monitorización en tiempo real de biomarcadores y la caracterización de la relación dosis-respuesta.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Continuidad Translacional: Modela un blanco de estimulación cerebral profunda (DBS) clínicamente relevante (núcleo subtalámico, STN) para estudiar adaptaciones molecular-genéticas en circuitos neuronales tras la estimulación crónica.
- Validación Preclínica: La confirmación histológica de la colocación del electrodo respalda la verificación del acoplamiento al blanco, un paso clave en la reducción de riesgos preclínicos.
- Avance Ajustado al Riesgo: Permite evaluar la neuroplasticidad inducida por la estimulación y posibles cambios adaptativos que aportan información para la determinación de la ventana terapéutica.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método se encaja dentro del continuo de descubrimiento que va desde la identificación del blanco hasta la validación mecanicista y las pruebas de eficacia preclínica, particularmente para enfoques de neuromodulación dirigidos a circuitos motores.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la investigación basada en hipótesis de la función del NST al permitir una colocación precisa del electrodo guiada por grabación, para aislar los efectos de la estimulación sobre patrones específicos de actividad neural.
- Selección: Genera lecturas electrofisiológicas cuantificables (por ejemplo, frecuencia de disparo, patrones de ráfagas) que sirven como biomarcadores funcionales para la interacción con el objetivo y la eficacia de la estimulación.
- Análisis: Permite el seguimiento longitudinal de los cambios en la actividad neural, apoyando el análisis estadístico de los efectos de la estimulación a través de diferentes momentos temporales y condiciones.
- Investigación Translacional: Conecta hallazgos electrofisiológicos agudos con resultados estructurales y moleculares crónicos mediante histología posterior a la estimulación, fortaleciendo el puente translacional.
- Reutilización Empresarial: La plataforma de implante crónico puede reutilizarse en múltiples estudios dirigidos al NST o adaptarse para otros núcleos cerebrales profundos, promoviendo la escalabilidad de la plataforma.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza en la validación del blanco al minimizar el error de colocación y permitir la correlación entre la estimulación y las firmas electrofisiológicas específicas del núcleo subtalámico (STN).
- Valor operativo: Mejora la reproducibilidad mediante coordenadas estereotáxicas estandarizadas, validación por micrograbación y métodos de fijación crónica.
- Valor estratégico: Reduce el ruido biológico en los estudios sobre los mecanismos de la estimulación cerebral profunda (DBS), favoreciendo decisiones más claras de ir/no ir en la selección del blanco y en la estrategia de modulación.
- Impacto en el portafolio: Permite la priorización ajustada al riesgo de blancos de neuromodulación al proporcionar evidencia preclínica confiable de la modulación del blanco y sus efectos descendentes.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en cirugía estereotáxica, registro electrofisiológico y procesamiento histológico.
- Depende de manipuladores equipados con microposicionadores, sistemas de registro y electrodos compatibles con impedancia (~1 MΩ de platino/iridio).
- Necesita la estandarización de los protocolos quirúrgicos y del cuidado posoperatorio entre operadores y sitios.
- La adaptación a otras regiones cerebrales requiere una reoptimización de las coordenadas y la validación de las firmas electrofisiológicas regionales.
- En estudios a largo plazo, debe considerarse la encapsulación glial y los cambios en la interfaz entre el electrodo y el tejido a lo largo del tiempo, tal como se observa por la presencia de células inflamatorias en el análisis histológico.
