Micro-elektrode Begeleide Implantatie van elektroden in de nucleus subthalamicus van Rats naar Lange termijn Deep Brain Stimulation
2 oktober 2015
Er wordt een methode beschreven voor het implanteren van elektroden in de subthalamische nucleus (STN) van ratten. Betere lokalisatie van de STN werd bereikt door het gebruik van een micro-opnamesysteem. Verder wordt een stimulatie-opstelling gepresenteerd die wordt gekenmerkt door langdurige verbindingen tussen het hoofd van het dier en de stimulator.
Het algemene doel van deze procedure is om een opnamegeleide implantatie van micro-elektroden in de nucleus subthalamicus van ratten uit te voeren, en vervolgens een langdurige stimulatie van deze nucleus. Dit wordt bereikt door eerst een elektrodegat te boren door de blootgestelde schedel. De tweede stap is om de elektrode door het elektrodegat in de hersenen te brengen, en tegelijkertijd de elektrische activiteit in verschillende hersengebieden op te nemen totdat de specifieke activiteit van de STN detecteerbaar is.
Vervolgens wordt de elektrode gefixeerd door tandheelkundig cement rond de elektrodestang aan te brengen, en wordt de hoofdplug aan de elektrodepen bevestigd. De laatste stap is om de plug met tandheelkundig cement te fixeren en deze te verbinden met de draad die naar de stimulator leidt. Uiteindelijk wordt de geoogste hersenen in stukjes van acht micrometer dik gesneden en gekleurd met hemat, toin en eoin om te laten zien dat de punt van de elektrode in de nucleus subthalamicus is geplaatst.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals een blinde elektrode-implantatie, is dat de opnamegeleide implantatie van micro-elektroden de targeting van de nucleus subthalamicus met hoge nauwkeurigheid verbetert. Dierproeven werden goedgekeurd door de Universiteit van Burg en de wettelijke overheidsinstanties en werden uitgevoerd volgens de aanbevelingen voor onderzoek in experimentele beroertestudies en de huidige dierproefverslagen van in vivo-experimenten. De richtlijnen beginnen met het verdoven van de rat in een inductiekamer met lucht die met twee liter per minuut wordt afgegeven en isoflurine met 3,5%. Verwijder de rat uit de inductiekamer en scheer het gebied tussen de oren en de ogen. Gebruik een wattenstaafje gedrenkt in antiseptische oplossing om het geschoren gebied te deppen.
Om eventueel loszittend haar te verwijderen, schakel de luchtstroom over naar de neuskoker en pas de anesthesie aan op 2,5% Isoflurine met een stroomsnelheid van één liter per minuut. Plaats de rat op de neuskoker en plaats deze in het stereotactische frame. Controleer het niveau van anesthesie door in het interdigitale gebied te knijpen.
Als de rat voldoende verdoofd is, worden de verdedigingsreflexen afgeschaft. Breng vetzalf aan op de ogen om uitdroging tijdens de anesthesie te voorkomen. Monitor en houd de lichaamstemperatuur van de rat op 37 graden Celsius.
Injecteer 0,2 milliliter mepivacaïne subcutaan in het midden van het geschoren gebied om het chirurgische gebied te verdoven en zorg ervoor dat vanaf dit punt de steriliteit wordt gehandhaafd. Gebruik een scalpel om een middenlijnsnede te maken die begint tussen de oren en zich voorwaarts uitstrekt voor ongeveer twee centimeter. Zorg ervoor dat het periosteum ook wordt ingesneden en leg vervolgens de schedel bloot met vier klemmen.
Gebruik een wattenstaafje om voorzichtig het periosteum te verwijderen totdat de coronale en sagittale suturen zichtbaar zijn. Stam eventueel bloed met wattenwol. Bevestig een naald op een sondehouder en markeer vervolgens het puntje van de naald met een zwarte viltstift.
Gebruik de anterieure achterste midline laterale en dorso-ventrale aandrijfschroeven. Plaats het puntje van de naald direct boven bgma. Neem de AP en ML veneerschaal metingen.
Trek 3,6 millimeter af van de AP-meting en 2,5 millimeter van de ML-meting voor elektrode-implantatie in de rechter STN. Laat het puntje van de naald zakken tot het oppervlak van de schedel om de injectieplaats te markeren met de kleurstof van de viltstift, klemp de tandboor op de grote sondehouder van het stereotactische instrument. Verplaats de tandboor naar het gemarkeerde punt op de schedel en boreer terwijl u door de microscoop kijkt een gat van ongeveer één millimeter diameter door de schedel tot de dura zichtbaar wordt.
Dit is het gat voor de elektrode. Trek de dura terug met microdissectietang of een steriele naald, omdat de dura sterk genoeg is om het puntje van de elektrode te vernietigen. Boor een gat met de tandboor in elk frontaal squama en in het pariëtale squama tegenover het gat voor de elektrode.
Daarna boor een gat in elk interpariëtaal squama. Schroef een botschroef in elk van de vijf gaten. Vermijd het schroeven te diep, wat druk op de hersenen zal uitoefenen.
Het aantal omwentelingen hangt af van de draadstap van de schroef. Hier worden twee tot drie omwentelingen van elke schroef gebruikt. Ontkoppel de sondehouder van het stereotactische instrument en klemp de sondehouder met de elektrode in de micromanipulator.
Gebruik de AP ML en DV aandrijfschroeven om de sondehouder met de elektrode te verplaatsen totdat het puntje bijna Breg ma raakt. Noteer de AP ML en DV veneerschaal metingen bij breg ma. Vervolgens heft u de elektrode enkele millimeters op om te voorkomen dat de elektrode het schedeloppervlak bekrast tijdens beweging.
Om de coördinaten van de positie te bepalen waar de elektrode in het gat moet worden geplaatst, voegt u 3,6 millimeter toe aan de AP-meting en voegt u 2,5 millimeter toe aan de ML-meting. Gebruik de AP en ML aandrijfschroeven om de elektrode naar de berekende positie te verplaatsen. Op dit punt moet het puntje van de elektrode zich direct boven het geboord elektrodegat bevinden.
Kijk vervolgens door de microscoop en laat de elektrode zakken tot het niveau van de dura. Noteer dit als nul in de DV-richting. Breng vervolgens voorzichtig het puntje van de elektrode in de hersenen in.
Kijk terwijl door de microscoop en verbind de elektrodepen met de connector van het opnamesysteem. Aard het stereotactische instrument met de tegengewicht van de kamer. Plaats vervolgens een Faraday-kooi over de rat in het stereotactische instrument in plaats van een Faraday-kooi.
Je kunt ook aluminiumfolie gebruiken zoals hier getoond, omdat het effect hetzelfde is als dat van een Faraday-kooi. Start het opnamesysteem indien beschikbaar. Gebruik een luidspreker om een akoestisch signaal van ontladingen van enkele eenheden te verkrijgen
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een methode voor het implanteren van elektroden in de nucleus subthalamicus (STN) van ratten, waarbij een micro-registratiesysteem wordt gebruikt voor een betere lokalisatie. De procedure maakt langdurige stimulatie van de STN mogelijk na een nauwkeurige plaatsing van de elektroden.
Belangrijkste Onderdelen van de Studie
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
- Neurostimulatie
Achtergrond
- De nucleus subthalamicus speelt een cruciale rol bij de motorische aansturing.
- De implantatie van elektroden is essentieel voor het bestuderen van hersenactiviteit.
- Microregistratie verbetert de nauwkeurigheid van de elektrodeplaatsing.
- Langdurige stimulatie kan inzichten bieden in neurale mechanismen.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een betrouwbare methode voor de implantatie van elektroden in de STN.
- Het mogelijk maken van langdurige stimulatie van de STN voor onderzoeksdoeleinden.
- Het verbeteren van lokalisatietechnieken met behulp van micro-registratie.
Gebruikte methoden
- Het boren van een elektrodegat door de schedel.
- Het inbrengen van de elektrode in de hersenen terwijl de elektrische activiteit wordt geregistreerd.
- Het fixeren van de elektrode met tandheelkundig cement.
- Het aansluiten van de elektrode op een stimulator voor langdurig gebruik.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle lokalisatie van de STN met behulp van micro-registratie.
- Vestiging van een stabiele verbinding tussen de elektrode en de stimulator.
- Demonstratie van effectieve mogelijkheden voor langetermijnstimulatie.
- Validatie van de elektrodeplaatsing via histologische analyse.
Conclusies
- De methode biedt een betrouwbare aanpak voor het bestuderen van de STN.
- Langdurige stimulatie kan het begrip van de motorische controle verbeteren.
- Micro-registratie verbetert de nauwkeurigheid van de elektrodeplaatsing aanzienlijk.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor leidinggevenden
Precieze targeting van diepe hersenkernen is cruciaal voor mechanistische studies in neuromodulatieonderzoek. Deze methode maakt een nauwkeurige plaatsing van elektroden in de nucleus subthalamicus van ratten mogelijk, ter ondersteuning van langetermijnstimulatiestudies die bijdragen aan targetvalidatie en circuitinterrogatie in preklinische modellen van bewegingsstoornissen. De aanpak verhoogt het voorspellende vertrouwen door off-target effecten te verminderen en de reproduceerbaarheid bij onderzoeken naar het werkingsmechanisme van DBS te verbeteren.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door nauwkeurige targeting van de nucleus subthalamicus, een sleutelregio in de motorische controlepaden.
- Operationele waarde: Vermindert de variabiliteit in de plaatsing van elektroden door begeleiding via micro-registratie, wat de consistentie over experimentele cohorten vergroot.
- Predictieve waarde: Ondersteunt mechanistische risicoreductie door correlatie van stimulatieparameters met elektrofysiologische en gedragsmatige uitkomsten over langere perioden mogelijk te maken.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Biedt een stabiel chronisch implantaatsysteem dat geschikt is voor longitudinale beoordeling van neurale circuitresponsen op stimulatie.
- Operationele waarde: Beschikt over een draaibare kabelbescherming die de elektrische integriteit en de mobiliteit van het dier tijdens langetermijnstudies waarborgt.
- Klaar voor analyse: Maakt simultane registratie en stimulatie mogelijk, wat real-time monitoring van biomarkers en dosis-responskarakterisering faciliteert.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele continuïteit: Modelleert een klinisch relevant DBS-doelwit (STN) om moleculair-genetische adaptaties in neurale circuits na chronische stimulatie te bestuderen.
- Preklinische validatie: Histologische bevestiging van de elektrodeplaatsing ondersteunt de verificatie van de doelwitbetrokkenheid, een cruciale stap in preklinische risicoreductie.
- Risico-gecorrigeerde voortgang: Maakt evaluatie mogelijk van stimulatie-geïnduceerde neuroplasticiteit en potentiële adaptieve veranderingen die bijdragen aan het bepalen van het therapeutisch venster.
Integratie van Pijplijn & Workflow
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm van targetidentificatie via mechanistische validatie tot preklinische efficiëntietesten, in het bijzonder voor neuromodulatiebenaderingen die gericht zijn op motorische circuits.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesegestuurd onderzoek naar de STN-functie door nauwkeurige, op registratie gebaseerde plaatsing van elektroden mogelijk te maken om de effecten van stimulatie op specifieke neurale activiteitspatronen te isoleren.
- Screening: Genereert kwantificeerbare elektrofysiologische read-outs (bijv. vuursnelheid, burstpatronen) die dienen als functionele biomarkers voor target engagement en stimulatie-efficiëntie.
- Analytiek: Maakt longitudinale tracking van veranderingen in neurale activiteit mogelijk, wat statistische analyse van stimulatie-effecten over verschillende tijdspunten en condities ondersteunt.
- Translationeel onderzoek: Verbindt acute elektrofysiologische bevindingen met chronische structurele en moleculaire uitkomsten via histologie na stimulatie, waardoor de translationele brug wordt versterkt.
- Enterprise hergebruik: Het platform voor chronische implantatie kan worden hergebruikt in meerdere studies die gericht zijn op de STN of kan worden aangepast voor andere diepe hersenkernen, wat de schaalbaarheid van het platform bevordert.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt de betrouwbaarheid van de targetvalidatie door plaatsingsfouten te minimaliseren en correlatie van stimulatie met specifieke elektrofysiologische kenmerken van de STN mogelijk te maken.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid door gestandaardiseerde stereotaxische coördinaten, validatie via micro-registratie en chronische fixatiemethoden.
- Strategische waarde: Vermindert biologische ruis in studies naar het mechanisme van DBS, wat bijdraagt aan duidelijkere go/no-go beslissingen bij de selectie van targets en modulatiestrategieën.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van neuromodulatie-targets mogelijk door betrouwbaar preklinisch bewijs te leveren van targetmodulatie en downstream effecten.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in stereotaxische chirurgie, elektrofysiologische registratie en histologische verwerking.
- Afhankelijk van manipulatoren uitgerust met een microdrive, registratiesystemen en impedantie-compatibele elektroden (~1 MΩ platina/iridium).
- Vereist standaardisatie van chirurgische protocollen en postoperatieve zorg tussen verschillende operators en locaties.
- Aanpassing aan andere hersengebieden vereist heroptimalisatie van de coördinaten en validatie van regionale elektrofysiologische kenmerken.
- Langetermijnstudies moeten rekening houden met gliale inkapseling en veranderingen in de interface tussen elektrode en weefsel in de loop van de tijd, zoals blijkt uit de aanwezigheid van inflammatoire cellen in de histologie.
