Abstract
陰極経頭蓋直流刺激(TDCの)は、薬剤耐性発作の抑制効果を誘導します。効果的なアクションを実行するために、刺激パラメータ( 例えば 、配向、磁界強度、および刺激期間)は、マウスの脳スライス標本で検査する必要があります。試験マウスの脳切片の位置に電極の向きを配置も可能です。本発明の方法は、前帯状皮質の発作のような活動にDCSの効果を評価するthalamocingulate経路を保持します。マルチチャンネル・アレイ・レコーディングの結果は陰極DCSが大幅に4-アミノピリジン及びビククリン誘発性発作様活性の刺激誘発応答の振幅および持続時間を減少することが示されました。この研究はまた15分で陰極DCSアプリケーションがthalamocingulate経路の長期不況を引き起こしたことがわかりました。本研究は、thalamocingulat上のDCSの影響を調査します電子シナプス可塑性および急性発作のような活動。現在の手順は、in vitroマウスモデルにおける配向、磁界強度、および刺激期間を含む最適な刺激パラメータをテストすることができます。また、この方法は、両方の携帯電話やネットワークレベルでの皮質発作のような活動にDCSの効果を評価することができます。
Protocol
動物被験体が関与する手順は、施設内動物管理と活用委員会、中央研究院、台北、台湾によって承認されました。
1.多電極アレイ記録のための実験的なソリューションと機器を準備
- 人工脳脊髄液(aCSFの調製95%のO 2を通気124ミリモルのNaCl、4.4ミリモルのKCl、1mMののNaH 2 PO 3、2mMのMgSO 4を、2ミリモルのCaCl 2、25mMのNaHCO 3を、10 mMグルコース、および5%CO 2)。
- 6×10の平面MEAと8×8 MEA:MEAプローブの2種類を使用してください。前者のようなプローブは、皮質、線条体、および視床を備える領域を覆います。後者のプローブは、唯一の皮質領域をカバーしています。
- 0.1 Hzから1200増幅で3 kHzの間に設定したバンドパスフィルタで60チャンネルアンプを使用してください。 10 kHzのサンプリングレートでデータを取得します。
- DCS用MEA室内2のAgClコート銀ワイヤを配置します。 AgClを使用してくださいコーティングされた銀ワイヤは、単離された刺激装置によって生成される電界を生成します。
- タングステン電極(;長さ、7.62センチメートル; 8°ACテーパーチップ;直径、127μmの抵抗、5MΩ)を配置視床刺激のために、およびMEAのチャンバー内の参照電極を配置します。パルス発生器によって制御され、単離された刺激装置を用いて、タングステン電極の電流を供給。
2.脳スライスの準備
- 4-8週齢の雄のC57BL / 6Jマウスを、使用してください。食料と水を自由にアクセスできるハウスエアコンの動物(12時間/ 12時間の明/暗サイクル、午前8:00に点灯21-23°C;湿度50%)。
- ステップ1.1で調製したaCSFの250mlのアリコートを取り、氷を含んでいるビーカーに入れてください。同時に、95%O 2および5%CO 2で構成されている連続的なガスを供給する。
- 手術
- ガラス中の4%イソフルランで動物を麻酔約3分間の箱。動物は(つま先のピンチへの応答の欠如によって示される)麻酔の外科的な深さに達すると、砕いた氷で満たされている浅いトレイの上に置き、はさみを使用してヘッドを取り外します。
- 頭蓋骨を露出させ、残りの筋肉を切り落とします。次に、骨鉗子を使用して、脳から頭蓋骨の背側表面をはがします。骨鉗子を用いて、頭蓋骨の側面を切り取ります。 75%エタノール溶液で手術器具の全てを滅菌します。
- スパチュラを用いて、脳の腹側表面に沿って嗅球と神経接続を切断し、脳を取り出します。断頭後、速やかに氷のように冷たい酸素化にaCSFで満たされたビーカーに脳を転送します。
- 内側視床(MT)-ACC脳スライスの作製
注:ACC 13へのMTからの経路が含まれているスライスを準備します。- ハンドカットの2矢状カット各半球における正中線に横2.0ミリメートルと脳のブロックを皮質下の解剖学的構造を表示します。その後、2角度付きカットを行います。線条体における可視光ファイバ管への最初のクロスカット、平行してください。
- thalamocingulate経路に腹側と平行で前交連と視索の間の中間点に小脳と視覚野との間の接続から第二のクロスカットを行います。
- シアノアクリレート系接着剤で、角板(〜120°)に脳のブロックを取り付け、単に経路の転換点以上のカットを行います。プレートを広げ、それを平らにし、ビブラトームのチャンバステージの上にのり。
- 内側視床-ACC脳切片(厚さの500μm)を作成した後、記録室に氷のように冷たい酸素aCSF.Transferスライスでそれらを浸し、そして1のために酸素aCSFので連続灌流(12ミリリットル/分)下で32℃で維持時間。
多電極アレイ記録用灌流チャンバーの調製
- 準備灌流チャンバーの
- マルチチャネルシステム上MEAプローブを配置し、蠕動ポンプにプローブを接続するために2つの別々のポリエチレン管を使用しています。 MEA室と室の外にaCSFを導くために、他のチューブにaCSFのを案内するために、1つのチューブを使用してください。最後に、継続的に暖かい(29-30℃)で酸素化にaCSF(8 ml /分)で準備を灌流。
- MEAに脳スライスを転送します。湿った綿棒を使用して、MEAの脳切片を押したままにします。慎重にACCが電極上に指向されていることを確認するために脳スライスを移動します。
- スライスアンカーキットを使用して、脳切片を押してダウンを保持します。このステップは、スライスと電極との間の良好な電気的接続を確実にします。
DCSによって電場の4世代
注:電界配向の定義はACCにおける軸索樹状突起間の軸の方向に基づいていました。樹状突起と細胞体コンパートメントの向きがありましたゴルジ染色12を使用して確認しました。
- ACCにAgCl電極(アノードとして定義される)近位に配置し、ACCの遠位に(陰極として定義される)他の電極を配置します。 MEAによる2つの電界の向き(ACC軸索樹状突起間繊維に平行および垂直)によって生成される電界強度を記録し、刺激を用いた電界の電流を供給します。
- AgCl電極(約1.5〜2センチメートル)の距離を修正し、ミリアンペア0.5〜2 DCSを作るために刺激装置の現在の強さを調整します。
5.電気的に誘発された皮質シナプス応答
注:プログラム可能な電気刺激発生器は、長方形の二相性の電流パルスを生成するには、MTに電気刺激によってACCにおけるシナプス応答を誘導します。
- 上記の繰り返しセクション3。
- MTでタングステン電極を配置し、サールに刺激からのパルスを届けます双極タングステン電極を介して、スライスのアミック地域。
- ACC応答を誘発するしきい値を決定するために、さまざまな現在の強度を使用してください。ここでは、ほとんどのスライスでACCで80%最大応答を誘発した200マイクロ秒の±150μAの強度および持続時間を、使用しています。
- 最適な応答プロファイルを得るために、MT-ACCスライスに(脳梁にMTから)thalamocingulate経路に沿ってタングステン電極を移動します。
- ACC応答の10-20スイープを作成し、MTの刺激により誘発されるACCのすべてを自動的に平均化するためのソフトウェアを使用しています。 MT-ACC経路によってMT刺激から誘導されたACCにおけるシナプス応答ISS結果。
6.電気的に誘発される発作のような活動
発作様活性は、4-アミノピリジンの適用により誘導された(4-AP; 250μM)およびビククリン(5μM):注意してください。前回コントロール研究は、最大かつ安定した応答が現れたことを示しました薬物適用14後の2〜3時間。
- 上記の繰り返しセクション5。
- 灌流液に薬物を追加します。 4-AP(250μM)を使用し、ビククリン(5μM)。均一に薬を混ぜて、2-3時間灌流を続けます。
- 発作様活性を容易にするために、また、pH勾配のビルドアップを防ぐことができ、比較的速い灌流速度(8ミリリットル/分)、で灌流ポンプを維持します。
- MTでタングステン電極を配置し、ACCの応答プロファイルを得るために、電気刺激(150μA、200マイクロ秒の持続時間)を提供します。
- 10-20スイープを作成し、応答を平均します。
- 薬物を洗い流すために、新鮮なaCSFの灌流液を交換してください。繰り返しステップ6.5。
誘発皮質応答に対するDCS 7.テスト効果
- 繰り返しセクション3と4は、Mの内側に配置された2つの並列のAgClコート銀ワイヤ間の電流を流すことにより生成される均一な電界を確認してくださいEA室。問題がない場合、DCSは0.5と2ミリアンペアの間にとどまります。
- DCSの電源をオフにして、(150μA、200マイクロ秒の持続時間を±)視床を刺激するためにタングステン電極を配置します。 ACCの最大シナプス応答を得るために、10月20日スイープを作成し、応答を平均します。
- 同時に、DCS(2 MV / mmのDCSの強さ)と視床刺激(350μA、200マイクロ秒の持続時間)をオンにします。 DCS中の視床刺激誘発ACC応答の振幅の変化を評価します。
- DCSの電源をオフにし、灌流液に4-AP(250μM)およびビククリン(5μM)を追加します。その後、2〜3時間を待ちます。薬は脳切片に影響を与える場合には、スライスは、皮質発作応答を生成します。
- ACC応答の10-20スイープを行い、その後、電気誘発皮質発作応答の振幅と持続時間を測定します。
- ステップ7.5の後、同時にDCS(2 MV / mmのDCSの強さ)と視床刺激(150μA、200 duratiをオンにしますマイクロ秒に)。 DCSアプリケーションの間に誘発された皮質の発作応答の振幅と持続時間の変化を評価します。
- 薬物を洗い流すために、新鮮なaCSFの灌流液を交換し、リピートは7.2と7.3を繰り返します。
- 異なる実験条件にデータを記録するすべてのデータを収集し、グループ。異なる実験条件の下で皮質発作応答の振幅と持続時間を評価します。
8.データ解析
- ( 例えば 、MCラックソフトウェア)が自動的に記録された応答を平均化するためのソフトウェアを使用して、スプレッドシートに生データをエクスポートします。生データの振幅と持続時間を分析し、色の数値を生成します。
- 振動発作イベントを検出するために、ベースライン値と標準偏差(SD)を測定するためのソフトウェアを使用しています。閾値として、ノイズレベルの3 SDを設定します。このしきい値を超える振動イベント中のピークの振幅が自動的に検出されていますエド。
- スチューデントのt検定を用いて統計分析を行います。
- スライスの数を示すnのエクスプレスの測定値と平均値±SEとしてテキストで分散分析(ANOVA)の結果の一方向分析は、12を検討しました 。
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Representative Results
ThalamocingulateスライスとMEA記録システムのセットアップの準備
マウスからのMT-ACCスライスはthalamocingulate経路の電気生理学的特性の探査を可能にする特殊なスライス標本である。 図1Aは、MT-ACCスライスが用意された方法を示しています。マウスの脳を速やかに除去し、( 図1A、B)クール酸素aCSFの中に保持しました。皮質下の解剖学的構造を明らかにするために、脳2.0 mmは矢状脳ブロック( 図の1A、C、D)を取得するために、各半球に正中線からの横切断しました。二つの傾斜腹カットはthalamocingulate経路を保持するために、脳のブロックで行われました。最初のクロスカットは、脳のブロックの前に線条体における可視光ファイバ管に平行に行われました。第二クロスカットは、接続ベットから脳ブロックの後部に行われました前交連と視索の間の中間点に小脳および視覚野を予期します。カットが行われた後、脳のブロックは、角度のついたプラスチック板(120°の角度)に接着し、カットが直接皮質( 図1A、例えば )を介して背側で行われました。脳ブロックプレートはビブラトームに接着し、クールな酸素化aCSFの中に沈めました。最後に、いくつかのスライス(厚さ500μm)は、脳のブロックから採取し、酸素化aCSFの中でインキュベートした( 図1A、H、I)。
図1Bは、MEA記録システムのセットアップを示しています。概略図では、記録用コンピュータに接続された灌流およびMEAシステムを示しています。空のMEAプローブは、アンプの内部に配置され、かつ灌流/ 8分mlで流速で開始しました。記録領域を中心にできるだけ近いことを保証しながらMT-ACC脳スライスはMEAプローブ上に置きました。刺激は、使用しました脳切片を刺激し、電界を生成するD。手順の全てが完了した後、システムはthalamocingulate経路の電気生理学的特性を記録しました。
図1Cは、記録領域の図とMT-ACC脳スライスがMEAプローブ上に配置された方法を示している。 図1C-Aは、MEAプローブの外観を示す図です。プローブ上の黒い線(赤い矢印)は、ユーザがアンプ内部のプローブの正しい方向を決定する助けた。 図1C-bは MEAプローブの主要な回路を示している。 図1C-cは上に重ねられた電気アレイを示します皮質組織。
テスト誘発反応
スライス標本でthalamocingulate経路の保存を確認するために、本研究では、刺激しました視床および電気生理学的実験にACCで記録。 MTに少量の電流を実現しながら、ACCにおけるシナプス後電位でスライスのみ実験に使用した。 図2Aは 、刺激と記録電極とACCにおける典型的な視床刺激誘発応答の位置を示しています。発作様活性、4-AP(250μM)およびビククリン(5μM)を誘導するためにてんかん様活性を誘導するために使用されました。ビククリン誘導性の自発的な発作様活性を有する代表的な4-APは、強壮剤相と長い期間続いて、発作開始から構成されていました。トレースは、 図2Bの拡大のために選択しました。この研究はまた、薬物誘発性発作を誘発した後、MTに刺激を提供しようとしました。 4-アミノピリジン/ビククリン誘発てんかん様活動は、電気刺激( 図2C)の後に誘導されました。
検査DCSとスライスのオリエンテーション
前臨床研究は、陰極DCSの電界の向きが視床刺激誘発活性に影響を与えることを示した。 図3(a)は、ACCでの樹状突起と細胞体コンパートメントの向きに対して平行または垂直に配置された電場の異なる配向を示しています。電界が神経細胞に対して平行に配置されたとき、陰極刺激では、ACC( 図3Bの内側部分における視床刺激誘発応答を抑制しました 上パネル)。電界が神経細胞に対して垂直に配置されたとき、視床刺激誘発応答に対する有意な効果は( 図3B、下のパネル)で観察されませんでした。並列陰極のDCSはまた、ACC( 図3C、上パネル)の内側部に4-AP-とビククリン誘発性発作様活性を抑制しました。それは発作様活性の持続時間を短縮し、かつ垂直陰極DCSの有意な効果は( 図3C、下のパネル)は観察されませんでした。これらの結果は、電界の向きがthalamocingulate経路におけるシナプス伝達の調節に重要であることを確認しました。
発作活動上のDCSの影響
経頭蓋磁気刺激の臨床応用は、TDCの、およびDCSは、薬剤耐性発作の治療のための非侵襲的なアプローチを提供します。以前の研究は、フィールド刺激は、種々の脳領域におけるシナプス可塑性および影響てんかん様活性を変調することを示しました。本研究の結果は、陰極のTDCはthalamocingulateシナプス伝達を押し下げていることを示しました。刺激誘発応答および発作様活性の持続期間の振幅が押された(9〜11のスライス、81.82パーセント; 図UREの4A、左パネル)。 図4(a)(右のパネル)は15 MT-ACC経路における陰極DCS効果的に誘導された長期抑圧(LTD)の分と落ち込んでは、(N = 11、P <0.05)。 図応答を誘発することを示しています図4(b)は、(左のパネル)視床刺激が帯状皮質で堅牢な発作様活性を誘発することを示しています。三十分、15分陰極DCSアプリケーションの後、視床刺激誘発発作様活性の持続時間が短縮されました。 、 図4(b);結果はまた、発作の持続時間が大幅に無DCSアプリケーション(N = 9、P <0.05に比べて15分の陰極のDCS後に減少していることが示されました 右パネル)。
図1:Thalamocingulateスライスの調製とMEA記録システムのセットアップ (A)MT-ACCスライスプロcedureは、(a)は、酸素化にaCSFを冷却するために脳と(b)の転送を削除します。 (c)の正中線からの2矢状カットを行います。脳ブロックの内側部分の(d)の側面図。 (e)は 、脳のブロックの2つの角度の付いた腹側のカットを行います。 (f)は、角度のついたプラスチックプレート上に脳のブロックを接着。 (g)の背側のカットを行い、脳のブロックを展開。 (h)はビブラトーム脳ブロックを接着します。 (I)は、脳のブロックからスライスを収集します。 (B)MEA記録システムのセットアップ。 (C)MEA記録領域。 (a)は、MEAプローブ。 (b)は、MEA回路。 (c)の脳切片のACCは、電極プローブの上に配向させた。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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図2:視床刺激と薬物誘発刺激するために、異なる誘発反応 (A)ACCにおける視床刺激誘発応答。 (B)4-Aminopyridine-とビククリン誘発性発作のような活動。 (C)視床stimulation-および薬物誘発性発作のような活動。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3:DCSの異なる配向の影響 (A)電場の異なる配向。 (B)DCSとの視床刺激誘発応答。 (C)発作のような活性に陰極DCSの影響。://www.jove.com/files/ftp_upload/53709/53709fig3large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図4:発作活性に対する陰極のTDC(A)フィフティーンDCS-誘発されるLTD陰極分と誘発活動を押し下げの影響 。 (B)発作様活性の発生が陰極刺激の間に減少しました。 DCSのアプリケーションが終了した場合でも、DCSが耐え15分の陰極によって発作様活性の抑制。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
本研究では、ACC発作様活性にDCSの持続時間と方向の効果を試験しました。マウス脳切片で安定したデータを取得するには、どのようにMT-ACC経路の整合性を保つために、それは、2角度を付け腹カットと皮質の背側カットが行われている、特にステップキーである損傷を避けるために。また、脳スライスを準備する時間も新鮮で強い脳を維持するための最短時間であるべき脳切片の活性に影響を与えることができます。以前の研究では、標的組織への電気化学的な損傷はin vivoでの準備15で発生する可能性があることを示しました。 インビトロでの脳スライス標本は、この問題を回避するために使用することができます。 in vitroでの準備では、組織は、直接このように、電気化学的効果16を最小限に抑え、電極に接触しません。 DCSの効果は、異なる方向に配向された電極と比較しました。ときelectrodESは90°、270°に配向された、DCSは誘発活性( 図3)には影響しませんでした。したがって、この制御実験は、我々の研究では、組織を損傷したDCSへの電気化学反応のいずれかの副作用の可能性を除外しました。脳スライスの保護回収方法は、別のキーです。本研究でaCSFの式は、保護切断法に代わるものを提供し、4〜8週齢の動物からの脳切片におけるニューロンの保全のために非常に有効です。この方法は、すべての年齢の動物で使用するために設計されていません。トリスaCSFのの使用は6週間と歳以上のマウスでのNMDG保護回復法の使用があるとして、若いマウスでは有効であると思われます。そのため、ユーザーは実験のための最善の方法を選択するために種を越えて心の中で相対的な年齢同値を維持する必要があります。
脳スライスを記録するためにMEAを使用することは一般的な技術であるが、MEAの記録SYSで電場を組み合わせますテムは、一般的に行われていません。 MEA記録システムの導電性溶液中でのDC電界に影響を与えることは、特に分何秒の期間について、興味深いアプローチです。以前の研究は、DCSアプリケーションは、導電性溶液のpHがこの実験12で安定であったことを示す、aCSFの溶液のpHを変化させなかったことを示しました。比較的速い灌流速度(8 ml /分)は発作様の活動を容易にするために維持し、そしてMEAプローブにおける化学変化のいずれかの製品は、このようにpH勾配の蓄積を回避すること、灌流によって洗浄しました。多重電極アレイ記録技術は、多くの場合、脳切片および記録電極の範囲の種類によって制限されます。脳スライスの種類が記録された回路経路を判断し、記録電極の範囲は、単一または複数の脳核が記録されているか否かを判断します。これらの条件は、実験前に確認する必要があります。
プレ viousの研究では、DCSの長期的な影響は、シナプス伝達17の変調を介して起こることを示しました。本研究では、陰極DCSは、MT-ACC経路にLTDを引き起こしました。株式会社または発作関連の増強のdepotentiationは可能かもしれないTDCの治療の成果の向上を示唆し、発作抑制の根底にある機構の一部であることが提案されました。しかし、発表された研究は、帯状皮質での電界強度に焦点を当てていません。皮質の内側部分に帯状皮質の深い場所は、テストすることは困難です。例えば、電流の流れが表面に近い組織および血管に影響を与える可能性があることは避けられません。 TDCのことで深部組織を標的とすることの難しさは、インビボ研究のためのTDCの適用を制限することができます。非特異的な血管効果が除外される必要があるとしてそのため、DCSは、ニューロンの活動にどのように影響するかを理解するために、脳スライス標本は、使用されるべきです。
jove_content ">実験モデルを確立するために、記載発作は健康な脳で誘導される。発作様活動はさらに電気パルスによって誘発された。DCSが適用されたときに発作の発生のタイミングを正確に制御することができ。結果は、TDCの治療のためのより多くの情報を提供することができる。もう一つの注目すべき発見はTDCのによって誘導された地域の皮質の興奮性の長期的な変化であった。将来的には、TDCのの基本的なメカニズムを解明することができれば、その後、DCSとの組み合わせ薬理学的治療は、非常に興味深い開発することができるてんかんの治療にLTDを向上させることができます。結論として、thalamocingulateとtranscallosalシナプス可塑性および急性発作へのDCSの影響を調査するための方法論が提供されていました。私たちの脳スライス標本における発作のような活動にDCSの長期的な影響は、株式会社のようなメカニズムを介して発生しました。
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Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Anesthetic: | |||
Isoflurane | Halocarbon Products Corporation | NDC 12164-002-25 | 4% |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
aCSF (total:1 L): | |||
D(+)-Glucose | MERCK | 1.08337.1000 | 10 mM |
Sodium hydrogen carbonate | MERCK | 1.06329.0500 | 25 mM |
Sodium chloride | MERCK | 1.06404.1000 | 124 mM |
(+)-Sodium L-ascorbate, >=98% | SIGMA | A4034-100G | 0.15 g/2 c.c |
Magnesium sulfate, anhydrous, ReagentPlus | SIGMA | M7506-500G | 2 mM |
Calcium chloride dihydrate | MERCK | 1.02382.1000 | 2 mM |
Sodium dihydrogen phosphate monohydrate | MERCK | 1.06346.1000 | 1 mM |
Potassium chloride | May & Baker LTD Dagenham England | MS 7616 | 4.4 mM |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Drugs: | |||
(+)-Bicuculline | TOCRIS | 0130 | 5 µM in aCSF |
4-Aminopyridine | TOCRIS | 0940 | 250 µM in aCSF |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Brain slice Preparation: | |||
Vibratome | Vibratome | Series 1000 | Block slicing into 500 µm thick slices |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
MEA system: | |||
Multielectrode array (MEA) probes: 6 x 10 planar MEA | Multi Channel Systems | 60MEA500/30iR-Ti-pr MEAS 6x10 | electrode diameter, 30 µm; electrode spacing, 500 µm; impedance, 50 kΩ at 200 Hz |
Multielectrode array (MEA) probes: 8 x 8 MEA | Ayanda Biosystems | 60MEA200/10iR-Ti-pr MEAS 8x8 | pyramidal-shaped electrode; diameter, 40 µm; tip height, 50 µm; electrode spacing, 200 µm; impedance, 1,000 kΩ at 200 Hz |
A 60-channel amplifier was used with a band-pass filter set between 0.1 Hz and 3 KHz at 1,200X amplification | Multi-Channel Systems | MEA-1060-BC | |
MC Rack software at a 10 KHz sampling rate | Multi-Channel Systems | Software for data collect and recordings | |
control of a pulse generator | Multi-Channel Systems | STG 1002 | |
slice anchor kits and hold-downs | Warner Instruments | SHD-26H/10; WI64-0250 | |
Peristaltic Pump-minipuls3 | Gilsom | MINIPULS3 | perfusion rate : 8 ml/min |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Stimulation system: | |||
Isolated stimulator | A-M Systems | Model 2100 | intensity of ±350 μA , duration of 200 μsec |
Tungsten electrode | A-M Systems | 575300 | placed in thalamus |
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