Introduction
Metamfetamin är en psykostimulantia som producerar en intensiv och långvarig eufori på grund av en akut ökning av synaptiska monoaminer, i synnerhet dopamin. Metamfetamin beroende är en epidemi hälsoproblem med uppskattningsvis 25 till 34 miljoner användare globalt och ingen bevisad behandling 1,2. Det finns ett stort behov av att utveckla nya behandlingsstrategier för metamfetamin beroende. Djup hjärnstimulering (DBS) är ett neurokirurgisk procedur som använder en hjärna "pacemaker" att normalisera störande neuron mönster som förekommer i vissa sjukdomar, inklusive Parkinsons sjukdom, dystoni och essentiell tremor 3. Nya mänskliga fallrapporter tyder på att DBS kan också vara en effektiv behandling för alkohol och narkotikaberoende, men prekliniska belägg för psyko (t.ex.., Kokain, metamfetamin) är begränsad 4-8.
Kontinuerlig djup hjärnstimulering, eftersom det är Currently praktiseras kräver exceptionellt samarbete från patienten och hans / hennes familj. Noggrann sårvård och hygien krävs för att skydda den underliggande pacemaker hårdvara, som är mottagliga för smitta även hos patienter som inte använder intravenösa droger med resulterande bakteriemi. Regelbunden uppföljning av DBS anordningen är också nödvändigt med tanke på den öppna sling utformningen av systemet; erfarna läkare ändra inställningarna för moderna DBS att minska rikt symptom under rutinklinik möten 3. Denna behandling paradigm kommer att begränsas i kokain och metamfetaminanvändare på grund av deras utmanande psykosociala situation. Flera studier på gnagare har imiterade detta opraktiska paradigm genom att undersöka DBS effekter när behandlingen levereras kontinuerligt under kokain själv administrativa förfaranden inom narkotikaanvändningen miljö 9-11.
Icke-invasiv diskontinuerliga tekniker som inte kräver inneboende hårdvara, som transkraniellmagnetisk stimulering (TMS), kan vara ett bättre alternativ för behandling av missbruksstörningar 12. TMS levereras icke-invasivt med hjälp av en extern headcoil att generera elektriska fält i en viss hjärna mål under dagligen, intermittenta behandlingar. Den senaste tillkomsten av H spole eller "djup" TMS ger djupare hjärnstrukturer som ska stimuleras, förutom kortikala platser, utökar sin potentiella användning 13,14. Båda terapier levereras diskontinuerligt under en serie av möten i en annan miljö än den primära droganvändning och har visat lovande resultat i både mänskliga och gnagare prövningar för narkotikamissbruk 13,15-17. Fönstret för att behandla beroende patienter metamfetamin kommer sannolikt att vara under perioder av nykterhet såsom domstol mandat rehabilitering, inte under gatu binges när de kan uppleva våldsamt eller oberäkneligt beteende 18. Som sådan, är syftet med den här artikeln för att beskriva leverans av elektrisk stimulering som är tidsmässigtoch rumsligt åtskild från den läkemedelsanvändningsmiljön, som närmare approximerar vad som är möjligt i människor, för behandling av IV-metamfetamin beroende.
Protocol
Alla förfaranden är godkända av LSUHSC Institutional Animal Care och användning kommittén och genomfördes i enlighet med NIH "Principer för försöksdjurs vård."
1. Gnagare Acklimatisering och livsmedels begränsning
- Använd vuxna Wistar råttor som är 3 månader gamla i början av experimentet. Hus råttor ensamma i burar som är utrustade med ett laminärt flöde enhet och luftfilter i en temperatur- och fuktighetskontrollerad, AAALAC-ackrediterade djurvård anläggning på en omvänd 12-timmar ljus / mörker-cykel (belysningen på 0600 timmar).
- Tillhandahålla vatten och standard gnagarfoder fritt tills kroppsvikten är ungefär 380-400 g. Därefter livsmedels begränsa råttor och hålls kvar vid 85 till 90% av deras fria matning kroppsvikt under laborationer för att underlätta förvärv och underhåll av svar på metamfetamin.
- Hantera gnagare i hemmet buren rummet dagligen från ankomst under försökssessioner för att spela kroppsvikt och justera dagliga tilldelning.
- När målvikter uppnås, förbereda sig för att kirurgiskt implantera varje råtta med en kronisk kvar jugular kateter och intrakraniella stimulerande elektroder.
2. halsvenen Kateterisering
- Kateter Framställning
- Bered en 13-cm längd av silastic slang med en innerdiameter på 0,012 x 0,025 ", skapa en silikon boll 4 cm från en ände av slangen med användning av extra silikonslang och diatermi, och låt lufttorka.
- Doppa den andra änden av slangen i en limonen baserat lösningsmedel härrörande från citrus under några minuter och låt att expandera. Anslut den expanderade slangen till en rostfri kanyl böjd i en rät vinkel.
- Förankra bockade basen av det rostfria stålet guide kanyl till en 1 "fyrkant av biokompatibelt maskor med användning av dentala akrylcement.
- Spola katetern inifrån och ut med etanol och destillerat water. Spruta luft genom slangen för att eliminera kvarvarande vätskedroppar. Låt torka O / N.
- Steril teknik
- Utför alla operationer i en särskild djur kirurgisk svit med aseptisk kirurgisk teknik. Sterilisera instrument och implantat med hjälp av en autoklav och förbereda en steril område genom att placera vattenfast papper på ELLER bord täckt med en steril handduk (s).
- Bär sterila handskar och hålla alla instrument, implantat och kirurgisk gasbinda på det sterila området under proceduren. Torka varje instrument med en spritsudd följt av 20 sekunder i en pärla autoklav mellan förfaranden när flera operationer utförs.
- Anestesi
- Förbehandla råttor med atropin (sulfat) (0,04 mg / kg, sq) följt av pentobarbital (20 - 50 mg / kg, ip) för att uppnå anestesi.
- Injicera djur med steril penicillin G-prokain suspension (75.000 enheter, IM) och ett analgetiskt medel (karprofen, 5 - 10 mg / kg, se eller nadsoprofen, 2 - 5 mg / kg, se) omedelbart före kirurgi för att minska perioperativa infektioner och smärta, respektive.
- Kontrollera tillräcklig bedövning genom att leverera en måttlig tå nypa till djuret och, om inget svar inträffar, fortsätt sedan. Applicera ögon smörjmedel på båda ögonen.
- Kirurgisk Site Preparation
- Raka en 2 x 2 cm dorsal patch på råttans rygg bara posteriort en linje mellan skulderbladen. Raka en 1 x 1 cm ventral lapp i höger halsområdet mellan käkbenet och bröstbenet.
- Torka av rakade områden med spritsuddar följt av Betadine lösning. Placera råttan på en steril handduk och låt Betadine torka innan du fortsätter.
- Kateter Implantation
- Gör ett snitt parallellt med en linje som förbinder skulderbladen i midscapular regionen på baksidan med hjälp av en 10-kniv. Använd en hemostat för att separera huden från underliggande bindväv för att skapa en plan förmesh kateter bas. Skölj området med steril koksaltlösning och täck med steril gasbinda innan du startar råttan på rygg.
- Gör en diagonal snitt mellan höger käkbenet och bröstbenet med hjälp av en 10-kniv. Använd en hemostat för att separera huden från underliggande bindväv att lokalisera halsvenen. Obs! Halsvenen verkar vit / silver och blanka och är större hos hanråttor än hos kvinnor.
- Placera en spatel under venen, knyt en 4-0 silke sutur försiktigt runt den övre (proximala delen) av den exponerade venen och skjut venen tillbaka i halsen.
- Separera bindväv för att skapa en ytlig ficka under inferolateral nackskinn men framför muskeln. Tryck en steriliserad trokar från nacken snittet till midscapular snitt genom tunnling tillbaka bakom armen och uppåt. Kör katetern från baksidan till halsen genom att sätta in en styv styrtråd upp genom trokaren från halsänden och in i den distala katetern. Drastyrtråd tillbaka genom till halsen snitt och bifogade distala katetern kommer att följa.
- Isolera högra halsvenen över en spatel genom att dra upp den tidigare placerade proximala sutur. Använd en boll sax för att göra ett litet partiellt snitt på översidan av venen.
- Sätt en böjd pincett i venen snittet för att öppna den. Att hålla tången isär men på plats, passera kateterspetsen in mellan tångspetsarna och in i venen ungefär två - tre cm där det kommer avslutas utanför det högra förmaket.
- Säkra katetern genom att knyta en 4-0 silkesutur runt den distala ven. Knyt proximala och distala suturer tillsammans i en "låda" knut att lägga till extra stabilitet.
- Spola katetern med hepariniserad steril saltlösning och dra tillbaka blod för att bekräfta lyckad implantation. Trimma suturer 1 - 2 mm ovanför knutar och stoppa den återstående proximala katetern under nackskinnet. avsluta med en lämplig sutur / metod som du väljer. Om icke-absorbable suturer eller märlor används, måste de tas bort i 10-14 dagar under narkos. Täck snitt med antibiotisk salva med en steril bomullstopp.
- Förankra distala katetern / guide kanyl / maskenheten på subkutana tillbaka vävnad med hjälp av absorberbara suturer vid två av de motstående hörn av sängbotten. Stäng den bakre snittet runt styr kanylen med hjälp av avbrutna, icke-inverterad absorberbara suturer. Täck snitt med antibiotisk salva med en steril bomullstopp.
- Postoperativ vård
- Spola katetern med hepariniserad 0,9% steril koksaltlösning med användning av en 3 ml spruta och placera en obturator i styrkanylen för att förhindra igensättning.
- Spola varje råtta kateter på en daglig basis för att upprätthålla öppenhet.
- Omedelbart efter förfarande, placera råttan i sitt hem bur under en värmedyna i den kirurgiska sviten och observera tills medvetandet och spontan rörelse avkastning.
- Återgå den återvunna råttan till kolonin rummet och låta fem till sju dagar att passera innan intrakraniell operation. Väg, hantera och bedöma deras allmäntillstånd dagligen, inklusive kontroll av infektion och utvärdering av djurens beteende, utseende och aktivitetsnivå.
- Konsultera Animal Resources veterinär om det uppstår problem och följa rekommenderade behandlingsregimer. Injicera djur med ett analgetiskt medel (karprofen, 5 - 10 mg / kg, se eller ketoprofen, 2 - 5 mg / kg, se) att behandla perioperativ smärta efter behov.
3. Intrakraniell Elektrodplacering
- Kirurgisk förberedelse
- Utför alla operationer under sterila villkor som beskrivs i avsnitt 2.2.
- Anestesi
- Placera djur i en anestesiinduktionskammare samt tillhandahålla isoflurance gasflödet in i kammaren vid 1000 - 2000 ml / min med förångaren satt till 5%.
- När djuret är tillbakalutad, ta bort från kammaren ena plats i noskonen på vadderade stereotaktisk operativ plattform. Växla gasflödet från kammaren till noskonen och köra gas med förångaren inställd på 2-3%.
- Justera förångare efter behov för att bibehålla stabila andetag och inget svar på stimulering under kirurgi.
- Injicera råtta med steril penicillin-G prokain suspension (75.000 enheter, im) och ett smärtstillande medel (buprenorfin 0,05 till 0,5 mg / kg sc) omedelbart före operation för att minska perioperativa infektioner och smärta, respektive.
- Kontrollera tillräcklig bedövning genom att leverera en måttlig tå nypa till djuret och, om inget svar inträffar, fortsätt sedan. Applicera ögon smörjmedel på båda ögonen.
- Kirurgisk Site Preparation
- Raka toppen av råttans huvud och placera råttan i örat barer att hålla huvudet stilla under förfarandet. Torka av rakade området med spritsuddar följt av Betadine lösning. Låt Betadine torka innan du fortsätter.
- Elektrod Implantation
- Ta tag i hårbotten mellan och något anterior till öronen med pincett och använda sax för att klippa över basen. Denna manuveur kommer att ta bort en 1,5 x 1 cm stort område av huden över mitten av skallen.
- Använd en 10-blad för att göra en omkrets snitt genom HUVUDSKÅLSHINNA ner skallen och en böjd pincett att skrapa bort och avlägsna HUVUDSKÅLSHINNA. Skölj området med steril saltlösning, sandskädda överskott av blod och salin med gasbinda, och låta skallen torka helt så beniga landmärken, inklusive bregma, kan tydligt ses.
- För bilaterala kirurgi, montera två bipolära platina iridium elektroder, en in i varje elektrodhållare på vardera sidan av den stereotaktiska operativ plattform. Flytta den första elektroden på plats ~ 1 mm över bregma och skriva ner stereotaktiska koordinaterna för anterior-posterior (AP) och mediala-laterala (ML) positioner, som kommer att visas på den digitala displayen. INTE faktiskt röra elektrodspetsen till skUll eftersom elektroden inte längre att fungera. Upprepa proceduren för den andra elektroden.
- Beräkna den slutliga AP och ML koordinater bygger på målet strukturen av intresse. Flytta elektroden till denna position med spetsen precis ovanför skallen för att erhålla den grundläggande dorsoventral (DV) koordinat på den digitala displayen. Beräkna den slutliga DV djupet baserat på målet strukturen av intresse.
Obs: nucleus accumbens skalet var riktad i detta exempel med tanke på dess kända inblandning i narkotika consummatory beteende 8 med följande stereotaktiska koordinater i förhållande till bregma:
AP inträde samordna = [Digital visas koordinat bregma] + 1,6
ML inträde koordinaten = [Digitalt visas koordinat bregma] ± 2,4 för höger / vänster
DV djup = [Digital visas koordinat skallen ytan på AP / ML posten] - 8,5 - Märk den projicerade ingångsläget för varje elektrod på ytan av skallen med en permanent maRKER. Inte stöta eller rör elektrodens spets under denna manöver.
- Använd en rund boll diamantbelagd Burr att borra ett 1,4 mm hål vid varje markering. Var noga med att inte störta genom skallen i intrakraniell valvet med höghastighetsborr. Använd en böjd pincett att punktera dura när skallen har borrats bort.
- Använd en rund boll diamantbelagd Burr att borra 0,7 mm hål i ytterligare fyra platser bakom elektrodposter för placering av skallen skruvar. Använd en manuell skruvmejsel för att placera fyra 0,8 (diameter) x 3,2 (längd) mm rostfria skruvar i skallen, två på vardera sidan om mittlinjen. Tätt säkra dessa skruvar upp till ungefär halva sin längd i skallen, eftersom de är de stora infrastrukturprojekt som kommer att hålla hjärn locket på plats för de kommande veckorna och månaderna.
- Försiktigt in den första elektroden genom sin burrhole in i hjärnan till det beräknade DV djupet genom att manuellt vrida ratten som hanterar Z-koordinatelektrodhållaren. Vrid ratten med en hastighet ungefär lika med 1/2 varv per sekund för att förhindra onödig skada på spetsen på elektroden. Se till elektrodspetsen inte vidrör den beniga kanten på burrhole vid inträdet i hjärnan.
- Fäst den första elektroden med hjälp av superlim lager över burrhole och bakre skruvarna, följt av dentalcement. När denna konstruktion har torkat helt, ta bort elektroden från hållaren. Upprepa införing och cementeprocess för den andra elektroden. Applicera dentalcement ända fram till kanten huden men överlappar inte med huden eftersom detta lossar kraniala cementlocket långsiktigt.
- Postoperativ vård
- Placera två dammskydd över elektrod piedestaler för att förhindra igensättning.
- Omedelbart efter förfarande, placera råttan i sitt hem bur under en värmedyna i den kirurgiska sviten och observera tills medvetandet och spontan rörelse avkastning.
- Återgå den återvunna råttan till the koloni rum och låta fem dagar att passera innan försöket. Väg, hantera och bedöma råttornas allmäntillstånd dagligen, inklusive kontroll av infektion och utvärdering av djurens beteende, utseende och aktivitetsnivå.
- Konsultera Animal Resources veterinär om det uppstår problem och följa rekommenderade behandlingsregimer. Injicera djur med ett smärtstillande medel (buprenorfin 0,05-1 mg / kg se) att behandla perioperativ smärta efter behov. Intrakraniell blödning kan vara vanligare med användning av icke-steroida smärtstillande medel (carprofen, 5-10 mg / kg, sc eller ketoprofen, 2-5 mg / kg, SC) så använd buprenorfin perioperativt för intrakraniell operation.
4. Operant Apparat
- Använda plast och rostfritt stål operant konditionekammare som finns i ljuddämpande höljen att köra beteendeexperiment.
- Utrusta varje kapsling med en frånluftsfläkt för att leverera ventilation och vitt noiSE för att maskera främmande ljud.
- Använd en personlig dator och en beteendeprogramvarugränssnitt system för att programmera de förfaranden och samla experimentella data.
- General Set-Up
- Utrusta varje experimentell kammare med två svarsspakar monterade på en vägg hos kammaren med en stimulans ljus belägen ovanför varje hävarm. Utse en av spakarna den "aktiva" spaken så att det resulterar i en programmerad följd när man trycker.
- Programmera en stimulans ljus ligger direkt ovanför den aktiva spaken svaret för att lysa under varje operant session som anger tillgängligheten av läkemedlet.
- Har ett svar på den aktiva spaken resulterar i en infusions leverans av metamfetamin (0,05 mg / kg / infusion i 100 pl 0,9% NaCl) under 2,8 sekunder tillsammans med huset ljus på den motsatta väggen pågått i fem sekunder och stimulans ljus går FRÅN för en 30-sek-timeout.
- Räkna svar på den aktiva spaken men de bör ha någon planerad konsekonsekvenser under 30 sek tidsgräns. Fylls bör rekord svaren på den inaktiva spaken men de har inga schemalagda konsekvenser.
5. Intravenös (IV) Metamfetamin Själv tvångsförvaltning
- Allmänna Beredningar
- Last råttor i operant kammare så snabbt och lugnt som möjligt för att minimera beteende artefakter. Bifoga en rostfri stålfjäder koppel till guiden kanylen på gnagare rygg och en läckagesäker vätska vrid upphängd ovanför operant kammaren.
- Säkerställa integriteten hos anslutningsslangen från sviveln till 20-ml läkemedels sprutan i en motordriven pump placerad utanför ljuddämpande hölje. För att göra detta, tryck plastanslutningsslangen minst en fjärdedel av en tum på metallvrid spetsen och läkemedelssprut nålspetsen tills det inte kommer att glida ut med måttlig dra. Motvikt vrid och koppel enheten för att tillåta relativt ohämmad movement av djuret.
- Genomföra operant sessioner vid ungefär samma tid varje dag måndag till fredag.
- Förvärv
- För att underlätta en snabb förvärv av IV metamfetamin självadministration, kör råttor på dagliga 6-hr tillfällen för fyra till fem dagar i följd.
- Genomför dessa sessioner på en fast förhållande FR-1 + 30 sek schema för reinforcementduring som råttor får en infusion av IV metamfetamin för varje tryckning på den aktiva spaken följt av en 30 sek time-out (t.ex. ingen kö eller belöna konsekvenserna uppstå med att trycka av endera spaken). Obs: Denna inledande långvarig och "lätt" tillgång kommer att resultera i de flesta gnagare förvärva betydande drogbeteende på mindre än eller lika med en vecka (Figur 3).
- Underhåll
- Under andra veckan i utbildning, att köra råttor på dagliga 2-hr sessioner måndag till fredag upprätthålla och förbättra IV methamphetamine självadministrering.
- Genomföra sessioner på en fast förhållande FR-1 + 30 sek timeout schema för förstärkning.
- Dokumentera stabil, intensiv svara när det totala antalet metamfetamin presentationer över varje session varierar mindre än 10% under tre sessioner (Figur 4) och den kumulativa antalet infusioner över den första 30-min är större än den sammanlagda antalet infusioner under andra 30-min (Figur 5). Notera: Detta kriterium gör att råttorna utveckla ett läkemedel-lastningsmönster i början av sessionen som indikerar missbruksbeteende 19 och inte bara tillfällig användning.
- Post-session
- Vid slutet av varje session, koppla bort koppel från gnagare rygg. Spola katetern med 0,1 ml 0,9% koksaltlösning innehållande 800 IU streptokinas för att förhindra blodproppar. Sätt en obturator i varje styr kanyl för att förhindra igensättning innan han återvände rats till hemburar.
- Testa öppenheten hos katetrarna omedelbart efter slutet av varje experimentell session på onsdagar under hela experimentets förlopp.
- Förbered en 3 cc spruta med en 22 G nål, innehållande heparin bakteriostatisk saltlösning för att testa kateter öppenhet. Fäst ena änden av en 4-6 tum lång bit av plaströr till nålen och den andra änden till metall posten som kateterkanylenheten på djurets rygg.
- Ingjuta 0,1 till 0,2 ml koksaltlösning för att säkerställa en tydlig flöde och dra sedan sprutkolven tillbaka. Om katetern är patent bör det både spola lätt och dra tillbaka blod som kommer att vara synlig i slangen. Släpp kolven och ingjuta ytterligare 0,2 ml för att skölja alla av blodet tillbaka genom katetern.
- Om blodet inte kan återkallas, sedan bort 3 cc spruta och slang från metall stolpen.
- Bered en 1 cc spruta med en 22 G nål, innehållande metohexital natrium, en snabbverkandebedövningsmedel, för att ytterligare prov kateter patency. Fäst ena änden av en 4-6 tum lång bit av plaströr till nålen och den andra änden till metall posten som kateterkanylenheten på djurets rygg.
- Ingjuta 1,5 mg och snabbt ta bort en cc spruta och slang den från metall post på djurets rygg. Anslut 3 cc spruta fylld med hepariniserad bakteriostatisk saltlösning och ingjuta 0,1 - 0,2 ml. Om djuret förlorar muskeltonus inom 3 sekunder, då katetern är patent- och funktionell.
- Se Tilläggs File "vanliga fallgropar" för ett avsnitt fallgropar som behandlar biverkningar metamfetamin, underlåtenhet att förvärva metamfetamin självadministration och råtta utvinning svårigheter.
6. Brain Stimulation Apparatus
- Använd 10 till 12 plexi-glasrutor (12 x 18 x 18 tum) (BxHxD) att köra DBS experiment. Täck varje ruta på utsidan med Stiff ogenomskinligpapper som täcker ryggen och sidorna av lådan för att förhindra råttorna från att visa eller interagera med varandra. Låt klart frontglas avslöjade så att examinator kan se djuren under stimuleringssessioner.
- Täck topparna av rutorna med ett semipermeabelt panel som förhindrar råttorna från att fly samtidigt som luftflödet. Använd den här panelen för att stödja de kommutatorer som är belägna ovanför varje ruta för att underlätta den elektriska anslutningen mellan gnagare head cap och stimuleringssystemet.
- Använd ett stimuleringssystem som kan leverera konstant ström till flera samtidiga djur för DBS experiment. Använd ett system som består av en användare programmerbar digital signalprocessor / kommunikationsgränssnitt, en stimulator, en stimulator batteripaket, en kanal splitterbox, och den medföljande programvara (Se arkmaterial).
- Använd kablar anpassade längd för att ansluta stimulator kanal hamnar till den överlägsna elektroniska piedestal av varje commutateller. Obs: Den längd som behövs kommer att bero på det enskilda laboratoriet. Dessa kablar är utanför djurområdet och behöver inte tas upp i rostfritt fjäderstål.
- Anslut sämre elektronisk piedestal av kommutatorn till den implanterade elektroden piedestal på gnagare huvud mössa med hjälp av 16-kablar täckta med rostfritt fjäderstål. Se till att kablarna är tillräckligt långa för att möjliggöra fri rörlighet för varje område av inneslutningen utan väsentlig spänning på head cap. Obs: En kabel som slutar ungefär där chefen för råttan skulle vara när man står på alla fyra fötterna är oftast tillräcklig.
- Brain Stimulation Programmering
- Använd en personlig dator och programmering programvara för att programmera stimuleringsparametrar (t.ex. vågform, frekvens, pulsbredd, inter-stimulus dröjsmål strömamplitud) och samla de experimentella data.
- Med användning av en visuellt programmeringsspråk, anger vilka funktioner varje enhet kommer att utföra för att uppfylla de experimentala endpoints och vilka data kommer att lagras och / eller planerad för visning i realtid. De kommandon som kör just detta projekt är visas i figur 1.
- Ange den önskade frekvensen, pulsbredd och amplitud i det synliga manöverpanelen (fig 2) före starten av experimentet. Typiska parametrar för högfrekvent stimulering i råttor liknar dem som används i klinisk humant djup hjärnstimulering: frekvens av 130 till 180 Hz, pulsbredd på 60 till 90 ms, och strömamplituden av 100 till 250 | iA 4,8-10. Anmärkning: En lägre ström används i gnagare på grund av dess reducerade storleken jämfört med den primat.
7. Deep Brain Stimulation ordningen
- Så här fyller du råttor i rutorna, fästa fjäder i rostfritt stål kabel från kommutatorn till varje elektrod piedestal på huvudet cap. Testa impedansen hos varje elektrod genom att köra 5 ^ A av ström vid en frekvens1000 Hz för 2 sek.
- Om impedansen är lika med eller mindre än 125 KOhm, fortsätt sedan med experimentet eftersom elektroden kan leverera terapeutisk stimulering. Om impedansen är större än 125 KOhm, överväga att ta bort djuret från experimentet på grund av att elektrodens höga resistens kan trunkera strömmen till potentiellt subterapeutiska nivåer.
- Kör råttorna genom en eller två mock sessioner för tillvänjning under vilken de kommer att knytas till elektrodkabeln (s) men inte får någon aktiv behandling. Mock tester kommer att eliminera alla icke-specifika beteendeeffekter. Omedelbart efter varje mock session, transport råttorna till operant rutorna för den dagliga 2-timmars session IV metamfetamin självförvaltning.
- Motvikt råttor i två grupper, en aktiv stimulering och en bluff-stimulerings kohort så att baslinjen läkemedelsintag är ingen signifikant skillnad mellan grupperna.
- Utför daglig DBS sessionens på gnagare kohorten i 5 dagar under vilken de får antingen aktiv elektrisk hjärnstimulering eller ingen stimulering för 3 timmar beroende på grupparbete. Omedelbart efter varje DBS session, transport råttor operant rutorna för den dagliga 2-timmars session IV metamfetamin självförvaltning.
- Observera djur noga under åtminstone en del av varje DBS session för att säkerställa att stimulering inte orsakar tydliga förändringar i djurens beteende. Om några onormala beteenden inträffar under / efter stimulering, vara noga med att dokumentera dessa iakttagelser. Obs: Författarna har inte märkt betydande beteendeförändringar eller förändringar i livsmedel / vattenintag under försöket som beskrivs i den här artikeln.
- Ändra längden av DBS behandling, de elektriska parametrarna, och tiden mellan DBS session och operant sessionen efter behov beroende på hypotesen.
Representative Results
Efter placering av ett IV jugular kateter och intrakraniella DBS elektroder, kan gnagare framgångsrikt utbildad att själv administrera IV metamfetamin efter en kort återhämtningsperiod. Figur 3 visar att råttor kommer att förvärva och eskalerar metamfetamin självstyret efter 2 dagars förlängd tillgång till läkemedel med ett genomsnitt på 168 ± 12 infusioner per session dag 4.
Råttor flyttade sedan till en daglig 2-timmars schema för operant träning av två anledningar: 1) för att förhindra metamfetamin toxicitet och allvarliga beteendeförändringar med ihållande, långvarig tillgång och 2) att upprätta en relativt stabil takt att svara som kan manipuleras av olika terapeutiska ingrepp. Figur 4 visar att det genomsnittliga antalet totala infusioner per kort tillgång session under den andra veckan är 75 ± 8 och i allmänhet varierar med mindre än 10% dag till dag. Figur 5 visar att råttor develop en ökad motivation att ta drogen som framgår av framväxten av en "front-loading" mönster av intag dag 6 av utbildning jämfört med dag 1. När detta utvecklas, är effekten stor del upprätthållas under efterföljande sessioner (data visas ej) .
Figur 6 visar att bilaterala DBS levereras i icke-medicinska miljö resulterade i en markant minskning av operant IV metamfetamin självadministration på tre av fem dagar jämfört med sken stimulerade gruppen. Nucleus accumbens skalet riktades med tanke på dess kända inblandning i narkotika consummatory beteende 8 med följande stereotaktiska koordinater i förhållande till bregma (AP + 1,6, DV - 8,5, ML ± 2,4). Stimuleringsparametrar och varaktighet var löst baserad på tidigare publicerad erfarenhet med DBS för behandling av psykisk sjukdom 8,20,21, men kan justeras beroende på försöks behov. Felstaplar är måttlig och inte alla dagar reach signifikans anger intervallet av svar som kan ses i beteendebedömningar trots en klar behandlingseffekt. En ökning av antalet råttor per försök kan bidra till att kompensera för denna naturliga variabilitet. 11 djur ursprungligen användes för detta experiment. Ett djur avlivades för dålig utfodring postoperativt, var ett djur uteslutits på grund av kramper, och ett djur uteslöts på grund av DBS elektrod fel lämnar oss med totalt 8 djur (N = 4 Sham, N = 4 aktiv DBS). I allmänhet börjar med ca 10-12 råttor för varje experiment kommer att möjliggöra ett framgångsrikt slutförande.
Figur 1. Visuell programmeringsspråk. Utredaren använder ett visuellt programmeringsspråk, som nedanstående exempel, att utforma ett program som kan leverera hjärnstimulering till flera animaÄr samtidigt vid användaren lagt in parametrar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Visuell Kontrollpanelen. Inför starten av experimentet, anger utredaren önskad frekvens, pulsbredd och amplitud på den vänstra sidan av en visuell kontrollpanel. Här stimulering parametrar är: strömstyrka 200 iA; pulsbredd 61 ms; pulsfrekvens 130 Hz. När stimulering initieras, vågformen för den aktiva ström leveransen visas till höger. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Förvärv av IV Metamfetamin Själv Administration. Total operant svara (360 min) analyserades med hjälp av en upprepad-åtgärder ANOVA med dagliga session definieras som upprepade åtgärden. Alla analyser som var p <0,05 ansågs signifikant. Data är medelvärde ± standardfel. Totalt metamfetamin infusioner under de dagliga 6-hr operanta sessioner under de första fyra dagarna i operant träning. + P <0,05 jämfört med sessioner 1 och 2. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4.Underhåll av IV Metamfetamin Själv Administration. Total operant svara (120 min) analyserades med hjälp av en upprepad-åtgärder ANOVA med dagliga session definieras som upprepade åtgärden. Alla analyser som var p <0,05 ansågs signifikant. Data är medelvärde ± standardfel. Totalt metamfetamin infusioner under dagliga 2-hr operanta sessioner under den andra veckan i operant träning, visar stabil men intensiv drogbeteende. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Utvecklingen av Motivation att ta drogen. Operant svarande summerades var 15 min för den första timmen och data analyserades med en upprepad miggärder ANOVA med varje 15-min kvadranten definieras som upprepade åtgärden. Alla analyser som var p <0,05 ansågs signifikant. Data är medelvärde ± standardfel. En "frontmatade" mönstret är inte närvarande på dag 1 av operant träning, men utvecklas av den andra veckan, vilket tyder på en stark motivation att ta drogen. + P <0,05 jämfört med 30, 45 och 60 minuter, ++ P <0,05 jämfört med 45 och 60 minuter, +++ P <0,05 jämfört med 60 min. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. DBS Effekter på IV Metamfetamin Själv Administration. Total operant svara under den första timmen data (60 min) analyserades med en blandad ANOVA med en betwesv föremål variabel behandling (DBS vs Sham) och en upprepad mått på daglig session. Alla analyser som var p <0,05 ansågs signifikant. Data är medelvärde ± standardfel. Bilaterala pre-operant djup hjärnstimulering signifikant minskade antalet metamfetamin infusioner under de första 60 min av operant svara på behandlingsdagarna 3, 4 och 7. + P <0,05 jämfört med placebo-gruppen och baslinjen svara. Som svarade tillbaka till baslinjenivåer efter daglig behandling avslutats. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Även om de exakta mekanismerna för djup hjärnstimulering inte är fullt karakteriserats kan DBS effekt för både motor och psykiska störningar resultatet av en dynamisk interaktion mellan den elektriska terapi och funktion av olika subkortikala och kortikal hjärnregioner över tid 6,22-26. Medan icke-villkorade metoder för metamfetamin leverans till gnagare är väl beskrivna 27,28, dessa metoder är mest lämpliga för diskreta undersökningar av farmakokinetik läkemedels och neurokemiska effekter 27-29. Operant IV drogsjälvadministration, genom att införliva en del av motivationen för läkemedel, är idealiskt för att studera hur elektriska behandlingar som DBS interagera med patologiska beteenden över tiden. De förfaranden som vi beskriver undersöka effekterna av DBS i en miljö om villkorad methamphetamineanvändning i en annorlunda miljö.
Det finns tre viktiga steg i vår IV metamfetamin själv administranson paradigm: 1) Induktion av snabba förvärv och upptrappning av drogintag under långa åtkomstsessioner, 2) Underhåll av en stabil, hög drogintag under efterföljande korta åtkomstsessioner och 3) Utveckling av en frontmatad mönster narkotikamissbruk. Detta paradigm kan åstadkommas i en 2 till 3 veckors tidsram med 10 - 12 råttor per försök, vilket är både kostnadseffektiv och idealiska för att testa effekterna av DBS med tanke på den potentiellt begränsad livslängd av huvud mössor hos gnagare med hjälp av psykostimulantia. Detta förfarande, liksom andra paradigm som innehåller en period av lång tillgång 19,30,31 rimligen simulerar vissa aspekter av missbruksstörningar; det visar både upptrappning av användning och hög motivation att få läkemedel med tidig session "narkotika laddning", som är viktiga aspekter av mänskligt beroende kontra rekreation 19,30. Gnagare som har lång tillgång exponering IV metamfetamin visar också kognitiva brister 32, Tydliga svar på farmakologisk behandling 33, farmakokinetik 34 och neurokemiska förändringar 35 som är mer lika människor som lider av kronisk metamfetamin sjukdom än gnagare med bara kort tillgång exponering.
Likaså finns det tre viktiga steg i vår djup hjärnstimulering förfarande: 1) Tillvänjning till DBS miljön, inklusive huvudet tjuder anslutningen, för en eller två "mock" sessioner, 2) Dagligen, intermittent tillförsel av aktiv stimulering med hjälp av ett kommersiellt system, och 3) DBS frånkoppling och efterföljande transport till inställningen läkemedlet. Detta paradigm är utformad för att efterlikna processen av icke-invasiva behandlingar som TMS snarare än traditionell kontinuerlig DBS. Fullt implanteras, kommer programmerbara DBS system som de som används för vanliga rörelsestörningar 3 vara marginellt möjligt hos patienter som lider av psyko stimulerande beroende av flera ovan nämnda skäl. Intermittent elektriska behandlingsstrategier som inte innebär högriskkirurgi och eftervård, som TMS, kan bättre anpassade till denna patientgrupp. De metoder vi har beskrivit kommer att tillåta forskare att utveckla och förfina behandlingsstrategier som kan ändra narkotikarelaterat beteende vid leverans utanför läkemedelsmiljön i en begränsad tidsram. Det finns ackumulerande bevis för att övergående intrakraniell elektrisk stimulering som är mönstrad efter specifika neurofysiologiska underskott 23 eller i kombination med systemisk läkemedels 36 utövar långvariga positiva effekter på psykiatriska och narkotikarelaterade beteenden för flera veckor efter behandlingen har upphört.
Behoven för inledande utmärkta kirurgisk teknik och för löpande vård av flera kirurgiska platser under intensiv droganvändning är de viktigaste begränsningarna i denna metod. Om antingen IV-kateter eller DBS elektroderna blir icke-operativ och / eller smittade, råttan måsteavsluta studien. Jugular kateter och intrakraniell elektrodplaceringar under strikt steril teknik är bäst lärt från erfarna utredare före start dessa förfaranden självständigt.
Detta förfarande är mottaglig för flera modifieringar och framtida utredningar, bland annat undersökning av:. 1) alternativa stimuleringsparametrar (t.ex., - stimulerings vågform, pulsbredd, frekvens, amplitud), 2) andra potentiella terapeutiska hjärn mål (t.ex. - nucleus accumbens. kärna, medial prefrontala cortex, mitthjärnan, habenula), 3) olika DBS leveransmönster (t.ex. -. dagligen DBS leverans, veckovis DBS leverans, DBS vid olika intervall före operanta sessioner, DBS före förvärvet), och, kanske mest spännande, 4) kombinationer av kortvariga DBS och farmaceutiska medel som imiterar optogenetic stimulering av selektiva vägar och utöva bestående beteende ändringar 36.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Rodent operant chambers | Med Associates, Inc | ENV-008CT | Med Associates Inc. PO Box 319 St. Albans, Vermont 05478 USA Phone: (802) 527-2343 |
| Kopf Small Animal Stereotaxic Instrument with Digital Display Console | Kopf Instruments | Model 940 | Kopf Phone: 1-877-352-3275 Fax: 1-818-352-3275 Email: sales@kopfinstruments.net |
| Z-Series 3-DSP Bioamp Processor | Tucker Davis Technologies | RZ5D | Tucker-Davis Technologies 11930 Research Circle Alachua, FL 32615 USA Ph: 386-462-9622 www.tdt.com |
| Z-Series 32-Channel Stimulator | Tucker Davis Technologies | IZ2-32 | Software is accompanied by a manual that discusses how to program experiments using the OpenEx platform, which can be accessed here: http://www.tdt.com/files/manuals/OpenEx_User_Guide.pdf |
| 48 Volt LI-ION Battery Pack for IZ2 Stimulator | Tucker Davis Technologies | LZ48-200 | |
| 32-Channel Splitter Box for PZ5 | Tucker Davis Technologies | S-BOX_PZ5 | |
| OpenEx Ext Software Package for Multi-Channel Neural Recording | Tucker Davis Technologies | OpenEx | |
| Platinum-iridium stimulating electrodes | Plastics One Inc | MS303/8-B/SPC ELECT PT 2C TW .005" | Plastics One Inc P.O.Box 21465, S.W. Roanoke, VA 24018, PH 540-772-7950 |
| 2-channel cables between stimulator and commutator | Plastics One Inc | 305-441/2 W/ Spring | |
| 2-channel cables between commutator and electrode pedestal | Plastics One Inc | 305-305 W/ Spring | |
| 4-channel commutators | Plastics One Inc | SL2+2C and SL2+SC/SB |
References
- Panenka, W. J., et al. Methamphetamine use: a comprehensive review of molecular, preclinical and clinical findings. Drug Alcohol Depend. 129, 167-179 (2013).
- United Nations Office on Drugs and Crime. World Drug Report 2014. 14, United Nations. (2014).
- Miocinovic, S., Somayajula, S., Chitnis, S., Vitek, J. L. History, applications, and mechanisms of deep brain stimulation. JAMA Neurol. 70, 163-171 (2013).
- Muller, U. J., et al. Deep brain stimulation of the nucleus accumbens for the treatment of addiction. Ann N Y Acad Sci. 1282, 119-128 (2013).
- Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
- Pierce, R. C., Vassoler, F. M. Deep brain stimulation for the treatment of addiction: basic and clinical studies and potential mechanisms of action. Psychopharmacology (Berl). 229, 487-491 (2013).
- Yadid, G., Gispan, I., Lax, E. Lateral habenula deep brain stimulation for personalized treatment of drug addiction. Front Hum Neurosci. 7, 806 (2013).
- Wilden, J. A., et al. Reduced ethanol consumption by alcohol-preferring (P) rats following pharmacological silencing and deep brain stimulation of the nucleus accumbens shell. J Neurosurg. 120, 997-1005 (2014).
- Guercio, L. A., Schmidt, H. D., Pierce, R. C. Deep brain stimulation of the nucleus accumbens shell attenuates cue-induced reinstatement of both cocaine and sucrose seeking in rats. Behav Brain Res. 281, 125-130 (2015).
- Vassoler, F. M., et al. Deep brain stimulation of the nucleus accumbens shell attenuates cocaine priming-induced reinstatement of drug seeking in rats. J Neurosci. 28, 8735-8739 (2008).
- Friedman, A., et al. Electrical stimulation of the lateral habenula produces enduring inhibitory effect on cocaine seeking behavior. Neuropharmacology. 59, 452-459 (2010).
- Gorelick, D. A., Zangen, A., George, M. S. Transcranial magnetic stimulation in the treatment of substance addiction. Ann N Y Acad Sci. , (2014).
- Zangen, A. IS 44. Development and applications of deep rTMS in depression and addiction studies. Clin. Neurophysiol. 124, e53 (2013).
- Alba-Ferrara, L. M., Fernandez, F., de Erausquin, G. A. The Use of Neuromodulation in the Treatment of Cocaine Dependence. Addict Disord Their Treat. 13, 1-7 (2014).
- Alba-Ferrara, L., Fernandez, F., Salas, R., de Erausquin, G. A. Transcranial Magnetic Stimulation and Deep Brain Stimulation in the treatment of alcohol dependence. Addict Disord Their Treat. 13, 159-169 (2014).
- Amiaz, R., Levy, D., Vainiger, D., Grunhaus, L., Zangen, A. Repeated high-frequency transcranial magnetic stimulation over the dorsolateral prefrontal cortex reduces cigarette craving and consumption. Addiction. 104, 653-660 (2009).
- Levy, D., et al. Repeated electrical stimulation of reward-related brain regions affects cocaine but not 'natural' reinforcement. J Neurosci. 27, 14179-14189 (2007).
- McKetin, R., et al. Does methamphetamine use increase violent behaviour? Evidence from a prospective longitudinal study. Addiction. 109, 798-806 (2014).
- Ahmed, S. H., Koob, G. F. Transition from moderate to excessive drug intake: change in hedonic set point. Science. 282, 298-300 (1998).
- Hamani, C., et al. Antidepressant-like effects of medial prefrontal cortex deep brain stimulation in rats. Biol Psychiatry. 67, 117-124 (2010).
- Laver, B., Diwan, M., Nobrega, J. N., Hamani, C. Augmentative therapies do not potentiate the antidepressant-like effects of deep brain stimulation in rats. J Affect Disord. 161, 87-90 (2014).
- Pascoli, V., Turiault, M., Luscher, C. Reversal of cocaine-evoked synaptic potentiation resets drug-induced adaptive behaviour. Nature. 481, 71-75 (2012).
- Gazit, T., et al. Programmed deep brain stimulation synchronizes VTA gamma band field potential and alleviates depressive-like behavior in rats. Neuropharmacology. 91, 135-141 (2015).
- Mayberg, H. S., et al. Deep brain stimulation for treatment-resistant depression. Neuron. 45, 651-660 (2005).
- Heldmann, M., et al. Deep brain stimulation of nucleus accumbens region in alcoholism affects reward processing. PLoS One. 7, e36572 (2012).
- de Hemptinne, C., et al. Exaggerated phase-amplitude coupling in the primary motor cortex in Parkinson disease. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 4780-4785 (2013).
- Segal, D. S., Kuczenski, R., O'Neil, M. L., Melega, W. P., Cho, A. K. Escalating dose methamphetamine pretreatment alters the behavioral and neurochemical profiles associated with exposure to a high-dose methamphetamine binge. Neuropsychopharmacology. 28, 1730-1740 (2003).
- Kuczenski, R., Segal, D. S., Melega, W. P., Lacan, G., McCunney, S. J. Human methamphetamine pharmacokinetics simulated in the rat: behavioral and neurochemical effects of a 72-h binge. Neuropsychopharmacology. 34, 2430-2441 (2009).
- Kamei, H., et al. Repeated methamphetamine treatment impairs recognition memory through a failure of novelty-induced ERK1/2 activation in the prefrontal cortex of mice. Biol Psychiatry. 59, 75-84 (2006).
- Kitamura, O., Wee, S., Specio, S. E., Koob, G. F., Pulvirenti, L. Escalation of methamphetamine self-administration in rats: a dose-effect function. Psychopharmacology (Berl). 186, 48-53 (2006).
- Wee, S., Specio, S. E., Koob, G. F. Effects of dose and session duration on cocaine self-administration in rats. J Pharmacol Exp Ther. 320, 1134-1143 (2007).
- Rogers, J. L., De Santis, S., See, R. E. Extended methamphetamine self-administration enhances reinstatement of drug seeking and impairs novel object recognition in rats. Psychopharmacology (Berl). 199, 615-624 (2008).
- Kufahl, P. R., et al. Attenuation of methamphetamine seeking by the mGluR2/3 agonist LY379268 in rats with histories of restricted and escalated self-administration. Neuropharmacology. 66, 290-301 (2013).
- Hadamitzky, M., Markou, A., Kuczenski, R. Extended access to methamphetamine self-administration affects sensorimotor gating in rats. Behav Brain Res. 217, 386-390 (2011).
- Le Cozannet, R., Markou, A., Kuczenski, R. Extended-access, but not limited-access, methamphetamine self-administration induces behavioral and nucleus accumbens dopamine response changes in rats. Eur J Neurosci. 38, 3487-3495 (2013).
- Creed, M., Pascoli, V. J., Luscher, C. Addiction therapy. Refining deep brain stimulation to emulate optogenetic treatment of synaptic pathology. Science. 347, 659-664 (2015).
