マウスにおける経頭蓋直流電流刺激 (tDCS)

経頭蓋直流電流刺激 (tDCS) は、低強度の連続電流¹を使用して神経の変調に焦点を当てて非侵襲、低コスト、治療テクニックです。現在、Tdc の 2 つの設定 (anodal、,) があります。Anodal 刺激を及ぼす現在電場電位をトリガーには弱すぎる中、電気生理学研究はこのメソッドがシナプス可塑性²の変化を生成することを示しています。たとえば、その tDCS は、興奮性シナプス後電位の^3,4の振幅増大と皮質興奮性⁵の変調などの長期増強 (LTP) 効果を誘導する証拠を示しています。

逆に、, 刺激は抑制、膜の過分極⁶の結果を誘導します。このメカニズムの仮説は、活動電位の頻度と神経体³の期間を調節する Tdc はで記述されている生理学的な所見に基づいています。特に、この効果呼び起こすはない直接、活動電位が脱分極閾値をシフトし容易またはニューロン⁷を妨げることができます。効果を対照的なこれらは既に実証されています。たとえば、anodal とし, 刺激はウサギ⁸の筋電図活動を介して登録条件反応の反対の効果を作り出した。しかし、研究は興奮性、自己対照的な効果³を提示する可能性があります, 電流を増加している間 anodal 序でセッション興奮性が低下することをまた示されています。

Anodal とし, 刺激電極対の使用を集計します。たとえば、anodal 刺激、「アクティブ」または「陽極」の電極は「リファレンス」または「カソード」電極電流影響取るに足りない⁹するとされる地域であるのに対し、変調されると脳の領域上に配置。, 刺激電極配置が反転されます。現在の強度に依存する効果的な tDCS の刺激強度と電気に影響を与える電極寸法フィールド¹⁰の異なる。平均電流は 0.10 から 2.0 の間、最も公表された研究は、mA、0.1 0.8 mA 人間、マウス、それぞれ^6,11mA。35 cm²の電極のサイズは、通常人間で使用されますが、齧歯動物の電極寸法に関する適切な理解がないより徹底的な調査が必要な⁶。

tDCS はてんかん¹², 双極性障害¹³、ストローク^{5 などのいくつかの神経疾患、精神神経疾患11の代替または補完的な治療を提供しての試みに関する臨床研究で提案されています。}、うつ病¹⁴、¹⁵アルツハイマー病、多発性硬化症¹⁶パーキンソン病¹⁷の主要な。TDCS の関心とその行動の結果と同様、臨床試験、詳細な携帯と脳組織、短い分子誘発変異と長期的な効果、成長している、にもかかわらず、まだより深く調査^18,19. tDCS をじっくり研究して直接人間のアプローチは実行可能なため、tDCS 動物モデルの使用 Tdc へのアクセシビリティのための治療上のメカニズムを基になる細胞と分子のイベントへの貴重な洞察力を提供するかもしれない、動物の脳組織。

入手可能な証拠は、マウスの tDCS モデルに関する制限されています。報告されたモデルのほとんどは、材料、電極寸法、打ち込むことのさまざまなレイアウトを使用しました。たとえば、ウィンクラーら(2017) 生理食塩水で満たされた頭部電極 (銀/塩化銀、直径 4 mm) を注入し、アクリル セメントやネジ²⁰で頭蓋骨に固定します。我々 のアプローチとは異なり、その胸部電極は、注入 (プラチナ、20 × 1.5 mm) だった。Nasehiら(2017) 非常に、よく似た手順を使用は、胸部電極を生理食塩水に浸したスポンジ (カーボン充填、9.5 cm²)²¹から作られたが。別の研究は、固定プレートを使用し、ハイドロゲル指揮者²²動物の頭をカバーによって達成された動物の頭の中に両方の電極を植え付け。ここでは、簡単な外科プロシージャおよび Tdc セットアップ (図 1) 慢性埋込電極を使用する Tdc マウス モデルをについて説明します。

それぞれ収容された男性大人 (8-12 週) c57bl/6 マウスは、この実験で使用されました。動物は食べ物と水で実験手順の前後中に適切なケアを受信したアドリブ。すべてのプロシージャは、連邦大学のミナスジェ ライス州から動物の倫理委員会で承認された(プロトコル番号 59/2014).

1. 電極配置

1. 鎮静と脳定位固定装置に動物を注視して
   1. すべての必要な手術器具を滅菌します。
      注意してください。440 ° C で 3 分間加熱滅菌処理は手術器具綿棒は、オートクレーブで 121 ° C、20 分で 20 の psi (1 平方インチあたりポンド) だった。
   2. 37 ° c. に温度プラットフォーム コント ローラーを調整します。
   3. 動物の重量を量るし、麻酔導入の適切な投与量を計算します。100 mg/kg 8 mg/kg とケタミン キシラジン、腹腔内に与えられた (31 G 針サイズ) の用量でケタミン ・ キシラジンの混合物を使用します。動物を 2 〜 3 分で眠りに落ちる必要があります。
   4. 手術部位を剃る電気シェーバーやかみそりを使用します。
   5. 場所を予め温めておいた脳定位固定装置に動物は加熱プレートです。
   6. 動物の頭を押し、各脳定位固定装置のプラットフォームにそれを修正する動物の耳のヒント耳バーに挿入します。
   7. ゆっくりと動物の頭位置をシフトすることによってない外側頭シフトと後少し上下運動があることを確認します。
   8. マウスの鼻をゆっくり麻酔マスクとネジを締めて場所でそれを修正します。
   9. O₂の 1.0 L/min と 1% に、イソフルランを設定します。
   10. 手術中に角膜の乾燥を防ぐために動物の目に眼軟膏を適用します。
2. 動物の頭にインプラントをアタッチします。
   1. ポビドン ヨード (または 2% クロルヘキシジン) の 3 つの交互になるスクラブと手術部位を準備する綿の綿棒を使用し、70% エタノール。
   2. ピンセットのペアを使用して、軽く動物のペダル撤退 (つま先ピンチ) 反射の消失を確認する動物の足の指を圧迫し麻酔の深さを確認します。
   3. 動物の耳ラインの後方約 3 mm 切開を行うし、目の行で停止します。切開部位にインプラントを受け取るのに十分な大きさで長さ 1 cm 程度が必要です。
   4. 軽く接着剤を改善し、遵守をセメント骨スクレーパーと頭蓋をこすり。独力のマイクロ傷を作成するつもりでこの光を行います。
   5. オープン手術フィールドを維持し、皮膚、毛皮などの障害物の無料たるんだ皮膚を手術のフックを慎重に移動します。
   6. 滅菌綿棒を使用して、動物の頭皮を乾燥します。
   7. 解剖顕微鏡を使用して、動物の頭蓋骨の上部を視覚化します。
   8. 針を付ける脳定位固定ホルダー、前を探します。少し前に触れる動物の頭の上に直接針を配置します。
   9. デジタル トレースのすべての座標をゼロにし、針を上げます。
   10. 脳定位固定装置のホルダーに Tdc インプラントを修正します。動物の頭の上、インプラントの位置し、適切な定位座標を使用して興味の地域の上にゆっくりと下ろします。
   11. インプラントのベースにスーパー接着剤を 1 滴 (約 35 μ L) を広げるため針を使用します。
   12. それが頭蓋骨に触れるまでホルダーに下方へゆっくりと移動します。インプラント基本が表面に接触して完全にあることを確認します。
   13. 製造元の指示に従って手術セメントを準備します。
   14. 精密位置決め後適用 3 薄い、頭蓋とインプラントの下の部分にセメントも層。1 アプリケーション ブラシを使用してドロップのドロップを適用します。レイヤーは、インプラントのさらに構造サポートにヒル状の構造を形成しなければなりません。
   15. 滑らかな、遮るもののない接続を許可するようにセメントのきれいなインプラントのねじを残します。
   16. 各レイヤーに約 4 分間乾燥を許可します。
   17. インプラントから完全に切り離されてまで乾いたら、慎重にホルダーを取り外します。常に動物の頭蓋骨から誤って抽出可能性がありますので、インプラントを処理するときは、細心の注意を使用します。
3. 仕上げの手術と手術後のケア
   1. 生理食塩水に浸した綿棒で切開部位に動物の皮を水和物します。
   2. Tdc インプラントの土台を越えて皮のコート。
   3. ピンセットのペアを使用して、組織を一緒に持参し、組織の 0.2 cm あたり手術組織接着剤のドロップで切開を閉じる。
   4. 切開部位の 1-2% リドカインに潜入し、組織の基礎となります。
   5. 皮下の乳酸リンゲル液 500 μ L でマウスをメタンハイド レートします。
   6. 予め温めておいた (37 ° C) きれいで、シングル収容ケージにマウスを配置します。
   7. 次の時間で簡単にアクセスできるケージに食品にウェット フード ペレット、小さな皿を入れてください。
   8. 動物の外科手術後の重量を登録します。
   9. 次の 2 日間、手術後皮下動物ケトプロフェン (5 mg/kg) を与えます。
   10. 動物の回復は、少なくとも 1 週間に密接に監視します。立毛、グルーミング、減らされた歩行、傷傷、手術部位の炎症の欠如などの苦痛の兆候を評価します。

2. tDCS セットアップおよび刺激

1. tDCS セットアップ (図 2参照)
   注意してください。TDCS 刺激は完全に充電されていることを確認します。
   1. TDCS 刺激にアノードとカソード ケーブルを取り付けます、刺激部位の近くに利用できるようにします。ピン型電極を脳定位固定装置のホルダーに取り付けます。
   2. 熱のプラットフォームを 37 ° C に設定します。
   3. 1 L/分吸入麻酔装置の酸素流量計を入れます。
   4. 麻酔誘導チャンバーにマウスを配置します。
   5. 3% にイソフルラン気化器をオンにします。4 分のイソフルレンの影響を受ける動物を許可します。
   6. 動物は、誘導商工会議所では、0.9% 食塩水で体電極を埋めるため滅菌注射器を使用します。
   7. 誘導室から動物を外し、体電極上にその胸を置きます。
   8. マウスの鼻をゆっくり麻酔マスクと場所でそれを修正します。1.5% にイソフルラン出力を下げます。
   9. インプラントとピン型電極を生理食塩水で埋める、慎重に取り付けます。
   10. 刺激時間と電流の強さを調整します。
   11. TDCS 刺激の接触の品質を確認します。最適な接触は 1-10 のスケールで 7 から 10 に行きます。
2. 刺激
   1. 刺激を開始します。
   2. 30 のために現在のランプを確認 s 選択した値とそれ自体の維持を着実に確立された時間のため、再びランプの下のセッションの終わりに。
   3. コントロール マウスの偽ボタンをアクティブにします。
   4. 30 のために現在のランプを確認 s 選択した値に放置上下連続ランプダウンと最後に選択した値を最終的な傾斜路の刺激周期の残りのための 1。
   5. 刺激のセッションが完了したら、慎重に 10 分のために予め温めておいた (37 ° C) ケージに動物を転送します。
      注意してください。動物は、3 分後に目を覚ますを開始します。
   6. 吸入麻酔システムをオフにします。

外科プロトコルは、誘導サイトでない炎症性の信号やその他の望ましくない効果を少なくとも 1 ヶ月、インプラントの長期安定性を提示しました。すべての動物が生き残った外科プロシージャと Tdc のセッション (n = 8)。この実験では、Tdc インプラントされた M1 と M2 野 (+1.0 mm 前後と前 0.0 mm 外側) 上に置かれました。一週間後、tDCS (n = 3-4) と偽 (n = 3) マウスは 0.35 で 10 分間の間に 5 日連続の刺激された mA。インプラントの生存率を評価するために登録された連絡先品質 (CQ) 値と 5 日間刺激プロシージャ (図 3 a) の中にグループ間に有意差が見つかりませんでした。脳由来神経栄養因子 (BDNF) とグリア線維性酸性蛋白の遺伝子発現レベルの評価を通じて決定できる刺激成功この動物モデルを使用して、 (GFAP)。BDNFおよびGFAP sham 群と比較した場合のインプラント下皮質領域に有意の mRNA のレベルを提示しました。Tdc の遺伝子発現に及ぼす影響 (アーク)、細胞骨格関連タンパク質の活動規制と synapsin 1 (SYN1) 遺伝子のレベルではなかった式 (図 3 b) を変更されたので特定の遺伝子を限定するように見えます。

図 1.用実験手順はインプラント手術刺激します。TDCS の手順の概略フローチャート インプラントの配置、tDCS のセットアップ、および刺激の手順.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2. tDCS セットアップします。右の画像は、スケマティック、tDCS 現在刺激 (A)、現在の強度と刺激期間 (B) の表示、(C) 1 から 10 のスケール CQ 表示と true 現在の表示 (D) を含むに対応します。TDCS 刺激は、偽刺激 (E)、(F) の刺激を開始してプロトコル (G) を中止するをアクティブにするボタンもあります。2 つのノブは、電流密度 (H) および (I) 刺激の持続時間を調整するために使用されます。オン/オフのスイッチは背面側 (J) にあります。電極ケーブル (K, 否定的な棒) の 2 つの女性挿入可能な入口が利用されます (L、肯定的な棒)。右下の画像は銀/塩化銀 (O) と体電極の頭部の電極と動物のセットアップはニッケル メッキ真鍮 (M) セットと彼らのそれぞれの次元から成っています。調整自動熱プラットフォーム (N) は、動物の温度を維持し、100% 酸素 (P) と混合イソフルランは定位防毒マスク (Q) 経由で供給します。インセット (R) は、M1 および M2 (S) 皮質運動領域に対する陽極の配置を示しています。TDCS パッチアンプ用アダプターは生理食塩水で満たされた植込み型ホルダー (T) の構成 (0.9 %nacl) (U) とプラスチック製のキャップ (W) に接続されているピン型電極 (V) が閉じられます。それぞれの次元はミリメートル単位で描かれている (D = 直径、H = 高さ、ID = 内径)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 3.TDCS による誘発性遺伝子の発現変動を問い合わせてください。(統計的な差異は見られ A) 接触品質 (CQ) グループの間で。双方向反復測定 ANOVA、毎日の相互作用と治療 (F4.30 0.552、P = = 0.698)、治療要因 (F4.30 = 0.349、P = 0.810)、日因子 (F1.30 0.157、P = = 0.694)。( BDNF (脳由来神経栄養因子)、GFAP (グリア線維性酸性蛋白)、円弧(細胞骨格関連タンパク質の活動規制) とSYN1 B) 量的なポリメラーゼの連鎖反応の遺伝子発現データ(synapsin 1)。両方のBDNF mRNA のレベル (p = 0.0081) とGFAP (p = 0.0108)アークの変更が検出されたない間に増加した (p = 0.0760) とSYN1 (p = 0.508)、続いて不対ダゴスティーノ ピアソン正規性検定によるとパラメトリック スチューデントの t 検定。フォールドの変更されたRPL13A遺伝子に対する 2- ΔΔCQメソッドを使用して計算されます。すべてのグラフで Tdc グループはマゼンタと偽のグループは緑。n = 3-4/グループ。データは、平均値と ± S.E.M. 誤差として表されます。n. s. =有意、p ≤ 0.05*、p ≤ 0.01* *。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

どれも