静脈内メタンフェタミン自己管理に脳深部刺激効果を評価するための一般的な方法

本手順の全体的な目的は、齧歯類において、静脈内メタンフェタミン使用環境とは時間的および空間的に切り離された深部脳刺激の効果を評価することである。この手法は、「特定の脳領域への電気刺激によって薬物乱用を減少させることができるか」、また「どのような状況下でこの治療が最も効果的か」という、依存症精神医学における重要な問いに答えるのに役立つ。この技術の主な利点は、電気治療を薬物使用環境とは異なる時間および設定で提供できる点にある。

これにより、ヒト患者で可能となる状況により近い近似ができます。本手順の実演は、当研究室のポストドクター研究員であるDr.Vinita Batraと、主任研究技師のMr.Glenn Guerinが行います。本実験の準備については、テキストプロトコルに記載されています。

まず、行動上のアーティファクトを最小限に抑えるため、できるだけ迅速かつ穏やかにラットをオペラントチャンバーに入れてください。実験開始前にラインの開通性を確認するため、ラットのカテーテルを0.1 millilitersの0.9%生理食塩水でフラッシュします。次に、齧歯類の背中にあるガイドカニューラにステンレス製スプリングリードを取り付けます。

カニューレのもう一方の端を、オペラントチャンバー上の液漏れ防止機能付きフルイドスィベルに接続します。ラットに自己投与タスクを迅速に学習させるため、4〜5日間連続して、1日6時間、常に一日の同じ時間帯にセッションを行います。アクティブレバーが押されるたびにメタンフェタミンを1回注入し、その後、レバーを押しても何も供給されない30秒間のタイムアウト時間を設けます。

1週目の終わりまでに、げっ歯類はメタンフェタミンを自ら投与することに習熟します。トレーニングの2週目は、IVメタンフェタミンの自己投与を維持し洗練させるため、月曜日から金曜日まで、1日2時間のセッションを実施してください。セッションは、30秒のタイムアウトを設けた固定比率1で継続します。

3回連続のセッションにおけるメタンフェタミンの総注入回数の変動が10%未満となったときに、安定した強度の反応に達したとみなされます。安定した強度の反応を示すもう一つの指標は、最初の30分間の累積注入回数が、後半30分間の累積注入回数を上回ったときです。ラットにこのような薬物負荷パターンが現れることは、単なるカジュアルな使用ではなく、依存行動であることを示しています。

各セッションの終了時に、カテーテルを洗浄するためのシリンジを用意し、げっ歯類からリードを外します。血栓形成を防ぐため、800 IUのストレプトキナーゼを含む0.9%生理食塩水 0.1 millilitersを用いてラットのカテーテルを洗浄します。洗浄後、各ガイドカニューラにシースを挿入し、詰まりを防止します。

その後、ラットをホームケージに戻します。カテーテルの開通性の確認方法および、本実験でよく見られる問題への対処法については、テキストプロトコルを参照してください。本実験用にPlexiglas製のボックスを10〜12個用意します。

各ボックスの3面の外側を、ラットが互いに見えないように硬い不透明な紙で覆います。ただし、刺激セッション中に動物を確認できるよう、前面の壁は開放したままにします。次に、ボックスの上部を硬いパネルで部分的に覆い、空気の流れを確保しつつ、ラットが脱出するのを防ぎます。

上部パネルに、げっ歯類のヘッドキャップと刺激装置との間の電気的接続のためのコミュテータを設置します。DBS実験には、複数の動物に同時に定電流を供給できる刺激装置を使用してください。また、その装置にはプログラム可能なインターフェースが含まれている必要があります。

カスタム長のケーブルを使用して、スティミュレーターのチャネルポートを各コミュテーターの上部電子ペデスタルに接続します。次に、コミュテーターの下部電子ペデスタルを、ステンレス製スプリングに包まれた16インチのケーブルを用いて、げっ歯類のヘッドキャップにある植込み電極ペデスタルに接続します。ケーブルは、ヘッドキャップに大きな負荷をかけることなく、ラットがケージ内のあらゆる場所へ自由に移動できるように配置してください。

ラットが4肢で立っている状態で頭が到達できる範囲まで届く長さのケーブルであれば、通常は十分です。システムのプログラミングには、ビジュアルプログラミング言語を使用して、実験のエンドポイントを達成するために各デバイスがどの機能を実行するか、およびどのデータを保存し、あるいはリアルタイムで表示するかを指定します。実験開始前に、ビジュアルコントロールパネルに希望の周波数、パルス幅、および振幅を指定してください。

ラットにおける高頻度刺激の一般的なパラメータは、ヒトの臨床的な深部脳刺激で使用されるものと類似しています。周波数は130から180 Hertz、パルス幅は60から90 milliseconds、電流振幅は100から250 microampsです。脳刺激実験において、ラットをボックスに入れる際、コミュニテーターからのステンレス製スプリングケーブルをヘッドキャップの各電極ペデスタルに取り付けます。

まず、1000 Hzの周波数で5 µAの電流を2秒間流し、各電極のインピーダンスを測定します。電極のインピーダンスが125 kΩ以下であれば、実験を続行してください。そうでない場合は、電極の抵抗によって電流が減衰し、治療レベルを下回る可能性があるため、その動物を実験から除外することを検討してください。

まず1〜2回の模擬セッションを行い、ラットを慣化させます。これらのセッションの間は、いかなる有効治療も行わないでください。各模擬セッションの直後、ラットをオペラントボックスに移動させ、1日2時間のIVメタンフェタミン自己投与セッションを実施します。

実験のため、ラットを活性刺激群と、擬似セッションを行うシャム刺激群の2つのグループにカウンターバランスさせます。1日3時間、5日間にわたって毎日の深部脳刺激セッションを行います。各刺激セッションの一部において動物を注意深く観察し、刺激によって行動に明らかな変化が生じていないかを確認してください。

毎回の深部脳刺激セッションの直後に、ラットの毎日のIVメタンフェタミン自己投与セッションを開始します。頸静脈への静脈カテーテルおよび脳内深部脳刺激電極の留置後、ラットはメタンフェタミンへの拡張アクセスを2日間行った後、薬物自己投与を獲得し、その量を増加させました。次に、メタンフェタミン毒性を防止し、さまざまな治療的介入によって操作可能な安定した反応率を確立するため、ラットを1日2時間のオペラント訓練スケジュールに移行させました。

オペラント訓練の6日目までに、摂取量のフロントローディングパターンが出現したことから、ラットの薬物摂取に対する動機づけが高まったことが示されました。このパターンは、その後のセッションを通じて概ね維持されました。この安定した薬物乱用パターンの確立後、記載されたプロトコルに従って深部脳刺激が実施されました。

これにより、オペラント条件付けによるIV（静脈内）メタンフェタミン自己投与の著しい減少が認められました。習得後、この手法は1群あたり約10から12匹の動物を用いて、2週間から4週間の期間で完了させることができます。これは、メタンフェタミンを使用するげっ歯類におけるヘッドキャップおよびIVカテーテルの耐用期間が限られていることを考慮すると、深脳刺激の効果を検証するのに最適です。

この手順は、代替的な電気的パラメータ、異なる脳ターゲット、および新しい投与パターンの検討に加えて、持続的な行動変容をもたらす可能性のある電気療法と薬理学的薬剤の組み合わせの調査に使用することができます。