JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

Transkraniell elektrisk hjärnstimulering i Alert gnagare

Published: November 02, 2017
doi:
10.3791/56242
, ,
1Department of Neurology,Albert-Ludwigs-University Freiburg

Summary

Det här protokollet beskriver en kirurgisk set-up för en permanent epicranial elektrod uttag och en implanterad bröstet elektrod på gnagare. Genom att placera en andra elektroden i uttaget, kan olika typer av transkraniell elektrisk hjärnstimulering levereras till det motoriska systemet i alert djur genom intakt skallen.

Abstract

Transkraniell elektrisk hjärnstimulering kan modulera kortikala upphetsning och plasticitet hos människa och gnagare. Den vanligaste formen av stimulering hos människa är transkraniell likström stimulering (TDC). Mindre ofta, används transkraniell växelström stimulering (TAC) eller transkraniell slumpmässigt brus stimulering (tRNS), en särskild form av TAC med hjälp av en elektrisk ström appliceras slumpmässigt inom en fördefinierad frekvensområde. Ökningen av noninvasiv elektrisk stimulering hjärnforskning i människor, både för experimentell och klinisk tillämpning, har gett ett ökat behov av grundläggande, mekanistisk, säkerhetsstudier i djur. Denna artikel beskriver en modell för transkraniell elektrisk hjärnstimulering (tES) genom intakt skallen inriktning det motoriska systemet i alert gnagare. Protokollet innehåller stegvisa instruktioner för kirurgiska set-up för en permanent epicranial elektrod socket kombinerat med en implanterad counter elektrod på bröstet. Genom att placera en stimulering elektrod i uttaget epicranial, kan olika elektrisk stimulering typer, jämförbar med TDC, TAC och tRNS hos människor, levereras. Dessutom introduceras de praktiska steg för tES i alert gnagare. Tillämpad strömtäthet, stimulering varaktighet och stimulering typ kan väljas beroende på de experimentella behov. De varningar, fördelar och nackdelar med detta upplägg diskuteras, samt säkerhet och tolerabilitet.

Introduction

Transkraniell administrationen av elektriska strömmar till hjärnan (tES) har använts i årtionden att studera hjärnans funktion och ändra beteende. Mer nyligen, ansöker direkt strömmar, eller mindre ofta växelströmmar (TAC och tRNS), flourescerande genom intakt skallen genom användning av två eller flera elektroder (anode(s) och cathode(s)) har vunnit vetenskapliga och kliniska intresse. I synnerhet TDC har använts i mer än 33,200 sessioner hos friska försökspersoner och patienter med neuropsykiatriska sjukdomar och har vuxit fram som en säker och enkel, kostnadseffektiv sängkanten ansökan, med möjliga terapeutiska potential samt långvarig beteendemässiga effekter1. Detta gav tydligt ökade behovet och vetenskapligt intresse för mekanistiska studier, inklusive säkerhetsaspekter. Denna artikel fokuserar på den vanligaste formen av stimulering, TDC.

Mellan arter modulerar TDC kortikala retbarhet och synaptisk plasticitet. Retbarhet förändringar har rapporterats som polaritet-beroende ändring av spontana neuronala eldhastighet i råttor och katter2,3,4, eller förändringar i motor evoked potential (MEP)-amplituder i människor och möss ( båda ökade efter anodal och minskade efter katodal TDC: mänskliga5,6. mus7). Anodal DCS ökade synaptic effekten av motor kortikala eller Hippocampus synapser i vitro i flera timmar efter stimulering eller lång sikt potentiering (LTP), när Co tillämpas med en viss svag synaptic ingång eller när ges före en plasticitet inducerande stimulering8,9,10,11,12. I enlighet, avslöjas ofta fördelarna med stimulering på motorisk eller kognitiv utbildning framgång endast om TDC är samtidig tillämpad utbildning8,13,14,15. Medan dessa tidigare fynd hänförs främst till funktioner av nervceller, bör det noteras att icke-neuronala celler (glia) kan också bidra till funktionella effekter av TDC. Exempelvis ökade astrocytic intracellulära kalciumnivåer under anodal TDC i alert möss16. Likaså inducerade anodal TDC på strömtätheter under tröskeln för neurodegeneration en dos beroende aktivering av mikroglia17. Moduleringen av neuron-glia interaktion av TDC måste dock ytterligare specifika undersökningar.

Tas tillsammans, djurs forskning avancerade klart vår förståelse av den immunmodulerande effekten av TDC på retbarhet och plasticitet. Det finns dock en ”inverterad translationell gap” observerbara i exponentiell ökning i publikationer av mänskliga TDC studier i motsats till den långsamma och mindre ökning i undersökningar av de bakomliggande mekanismerna för tES i in vitro- och in vivo djurmodeller. Dessutom gnagare tES modeller utförs med hög variabilitet över forskningslaboratorier (alltifrån transdermal till epicranial stimulering) och rapporterade stimulering förfaranden är ofta inte helt transparent hindra jämförbarheten och replikerbarhet av grundforskning data samt tolkning av resultaten.

Här beskriver vi i detalj kirurgiska genomförandet av en transkraniell hjärnan stimulering set-up inriktning primära motoriska cortex, vilket gör att översättningen i villkoret mänskliga TDC samtidigt minimera variabiliteten, och tillåter upprepad stimulering utan hindra beteende. Ett steg för steg protokoll för efterföljande tES i alert råttor tillhandahålls. Metodologiska och begreppsliga aspekterna av säkra tillämpningen av tES i alert gnagare diskuteras.

Protocol

för forskning på djur, de relevanta (landsspecifika) godkännanden måste erhållas innan experiment. Alla djurförsök som redovisas här utförs enligt de EU-direktiv 2010/63/EU, den uppdaterade tyska djurskyddslag (" Tierschutzgesetz ") i juli 2013 och uppdaterade tyska djurförsök reglementet av augusti 2013. Djur protokoll har godkänts av de lokala myndigheterna " kommissionen för djur experiment av regionala rådet av Freiburg " och " kommissionen för djur experiment av University Medical…

Representative Results

Beskrivs genomförandet av en set-up för tillförlitlig upprepade tES i alert gnagare kan enkelt integreras i mekanistiska experiment, dos-respons studier eller experiment inklusive beteendemässiga uppgifter. Hittills har hindras jämförbarhet av data från djurstudier med (noninvasiv) tES av variabilityen av de tES stimulering uppställningar mellan laboratorier och skillnader i stimulering parametrar (t.ex. olika strömtätheter tillämpas på orimliga höga nivåer jämför…

Discussion

Det här protokollet beskriver typiska material och förfarandeåtgärder för kirurgiska förverkligandet av en permanent tES set-up, liksom för efterföljande stimulering i alert gnagare. Under utarbetandet av en gnagare tES experimentera, flera metodologiska aspekter (säkerhet och tolerabilitet av tES, resultatet parameter) samt begreppsmässiga aspekter (jämförbarhet med människans villkor, förväntade effekter av stimulering på en viss hjärna region) behöver beaktas. Från en metodologisk synvinkel är den …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöds av den tyska forskningsfondens (DFG RE 2740/3-1). Vi tackar Frank Huethe och Thomas Günther för egen tillverkning av skräddarsydda tES set-up och DC-stimulator.

Materials

Softasept N B. Braun Melsungen AG,
Melsungen, Deutschland		 3887138 antiseptic agent
Ethanol 70 % Carl Roth GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Deutschland T913.1
arched tip forceps FST Fine science tools, Heidelberg, Deutschland 11071-10
Iris Forceps, 10cm, Straight, Serrated World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA 15914
Scalpel Handle #3, 13cm World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA 500236
Standard Scalpel Blade #10 World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA 500239
Zelletten cellulose swabs Lohmann und Rauscher, Neuwied, Deutschland 13349 5 x 4 cm 
Isoflurane AbbVie Deutschland GmbH & Co N01AB06
Iris Scissors, 11.5cm, Straight World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA 501758 small scissors
cotton swab/cotton buds Carl Roth GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Deutschland EH12.1 Rotilabo
Kelly Hemostatic Forceps, 14cm, Straight World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA 501241 surgical clamp
electrode plate (platinum) custom made Wissenschaftliche Werkstatt Neurozentrum Uniklinik Freiburg, Deutschland 10×6 mm, 0.15 mm thickness
insulated copper strands (~1 mm diameter) Reichelt elektronik GmbH & Co. KG, Sande, Germany LITZE BL electrode cable
Weller EC 2002 M soldering station Weller Tools GmbH, Besigheim, Germany EC2002M1D
Iso-Core EL 0,5 mm FELDER GMBH Löttechnik, Oberhausen, Deutschland 20970510 lead free solder
MERSILENE Polyester Fiber Suture Johnson & Johnson Medical GmbH, Ethicon Deutschland, Norderstedt, Germany R871H nonabsorbable braided suture, 4-0
Histoacryl B. Braun Melsungen AG,
Melsungen, Deutschland		 9381104 cyanoacrylate
Ketamin 10% Medistar GmbH, Germany n/a anesthetics
Rompun 2% (Xylazine) Bayer GmbH, Germany n/a anesthetics
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimul. 9 (5), 641-661 (2016).
  2. Bindman, L. J., Lippold, O. C., Redfearn, J. W. The action of brief polarizing currents on the cerebral cortex of the rat (1) during current flow and (2) in the production of long-lasting after-effects. J Physiol. 172, 369-382 (1964).
  3. Gartside, I. B. Mechanisms of sustained increases of firing rate of neurones in the rat cerebral cortex after polarization: role of protein synthesis. Nature. 220 (5165), 382-383 (1968).
  4. Purpura, D. P., McMurtry, J. G. Intracellular activities and potential changes during polarization of motor cortex. Neurophysiol. 28 (1), 166-185 (1965).
  5. Nitsche, M., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. J Physiol. 527 (Pt 3), 633-639 (2000).
  6. Nitsche, M. A., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
  7. Cambiaghi, M., et al. Brain transcranial direct current stimulation modulates motor excitability in mice. Eur J Neuro. 31 (4), 704-709 (2010).
  8. Fritsch, B., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: potential implications for motor learning. Neuron. 66 (2), 198-204 (2010).
  9. Ranieri, F., et al. Modulation of LTP at rat hippocampal CA3-CA1 synapses by direct current stimulation. J Neurophysiol. 107 (7), 1868-1880 (2012).
  10. Kronberg, G., Bridi, M., Abel, T., Bikson, M., Parra, L. C. Direct Current Stimulation Modulates LTP and LTD: Activity Dependence and Dendritic Effects. Brain Stimul. 10 (November), 51-58 (2016).
  11. Sun, Y., et al. Direct current stimulation induces mGluR5-dependent neocortical plasticity. Ann Neurol. 80 (2), 233-246 (2016).
  12. Podda, M. V., et al. Anodal transcranial direct current stimulation boosts synaptic plasticity and memory in mice via epigenetic regulation of Bdnf expression. Sci Rep. 6, 22180 (2016).
  13. Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr opin Neurology. 24 (6), 590-596 (2011).
  14. Buch, E. R., et al. Effects of tDCS on motor learning and memory formation a consensus and critical position paper. Clin Neurophysiol. 128 (4), 589-603 (2017).
  15. Reis, J., Fischer, J. T., Prichard, G., Weiller, C., Cohen, L. G., Fritsch, B. Time- but not sleep-dependent consolidation of tDCS-enhanced visuomotor skills. Cerebral cortex. 25 (1), 109-117 (2015).
  16. Monai, H., et al. Calcium imaging reveals glial involvement in transcranial direct current stimulation-induced plasticity in mouse brain. Nature Comm. 7, 11100 (2016).
  17. Gellner, A. -. K., Reis, J., Fritsch, B. Glia: A Neglected Player in Non-invasive Direct Current Brain Stimulation. Front Cell Neurosci. 10, 188 (2016).
  18. Takano, Y., Yokawa, T., Masuda, A., Niimi, J., Tanaka, S., Hironaka, N. A rat model for measuring the effectiveness of transcranial direct current stimulation using fMRI. Neurosci Lett. 491 (1), 40-43 (2011).
  19. Islam, N., Moriwaki, A., Hattori, Y., Hori, Y. Anodal polarization induces protein kinase C gamma (PKC gamma)-like immunoreactivity in the rat cerebral cortex. Neurosci Res. 21, 169-172 (1994).
  20. Islam, N., Aftabuddin, M., Moriwaki, A., Hattori, Y., Hori, Y. Increase in the calcium level following anodal polarization in the rat brain. Brain Res. 684 (2), 206-208 (1995).
  21. Rohan, J. G., Carhuatanta, K. A., McInturf, S. M., Miklasevich, M. K., Jankord, R. Modulating Hippocampal Plasticity with In Vivo Brain Stimulation. J Neurosci. 35 (37), 12824-12832 (2015).
  22. Wachter, D., et al. Transcranial direct current stimulation induces polarity-specific changes of cortical blood perfusion in the rat. Exp Neurol. 227 (2), 322-327 (2011).
  23. Koo, H., et al. After-effects of anodal transcranial direct current stimulation on the excitability of the motor cortex in rats. Rest Neurol Neurosci. 34 (5), 859-868 (2016).
  24. Liebetanz, D., et al. After-effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on cortical spreading depression. Neurosci Lett. 398 (1-2), 85-90 (2006).
  25. Fregni, F., et al. Effects of transcranial direct current stimulation coupled with repetitive electrical stimulation on cortical spreading depression. Exp Neurol. 204 (1), 462-466 (2007).
  26. Cambiaghi, M., et al. Flash visual evoked potentials in mice can be modulated by transcranial direct current stimulation. Neurosci. 185, 161-165 (2011).
  27. Dockery, C. A., Liebetanz, D., Birbaumer, N., Malinowska, M., Wesierska, M. J. Cumulative benefits of frontal transcranial direct current stimulation on visuospatial working memory training and skill learning in rats. Neurobiol Learn Mem. 96 (3), 452-460 (2011).
  28. Faraji, J., Gomez-Palacio-Schjetnan, A., Luczak, A., Metz, G. A. Beyond the silence: Bilateral somatosensory stimulation enhances skilled movement quality and neural density in intact behaving rats. Behav Brain Res. 253, 78-89 (2013).
  29. Pikhovych, A., et al. Transcranial Direct Current Stimulation Modulates Neurogenesis and Microglia Activation in the Mouse Brain. Stem Cells In. , 1-10 (2016).
  30. Rueger, M. A., et al. Multi-session transcranial direct current stimulation (tDCS) elicits inflammatory and regenerative processes in the rat brain. PloS one. 7 (8), e43776 (2012).
  31. Liebetanz, D., Koch, R., Mayenfels, S., König, F., Paulus, W., Nitsche, M. A. Safety limits of cathodal transcranial direct current stimulation in rats. Clinical Neurophysiol. 120 (6), 1161-1167 (2009).
  32. Yoon, K. J., Oh, B. -. M., Kim, D. -. Y. Functional improvement and neuroplastic effects of anodal transcranial direct current stimulation (tDCS) delivered 1 day vs. 1 week after cerebral ischemia in rats. Brain Res. 1452, 61-72 (2012).
  33. Spezia Adachi, L. N., et al. Exogenously induced brain activation regulates neuronal activity by top-down modulation: conceptualized model for electrical brain stimulation. Exp Brain Res. 233 (5), 1377-1389 (2015).
  34. Jackson, M. P., et al. Safety parameter considerations of anodal transcranial Direct Current Stimulation in rats. Brain, behavior, and immunity. , (2017).
  35. Ordek, G., Groth, J. D., Sahin, M. Differential effects of ketamine/xylazine anesthesia on the cerebral and cerebellar cortical activities in the rat. J Neurophysiol. 109 (5), 1435-1443 (2013).
  36. Sykes, M., et al. Differences in Motor Evoked Potentials Induced in Rats by Transcranial Magnetic Stimulation under Two Separate Anesthetics: Implications for Plasticity Studies. Front Neural Circ. 10, 80 (2016).
  37. Zhang, D. X., Levy, W. B. Ketamine blocks the induction of LTP at the lateral entorhinal cortex-dentate gyrus synapses. Brain Res. 593 (1), 124-127 (1992).

Tags

Transcranial Electrical Brain StimulationAlert RodentsNeuromodulationNeuroplasticityNon-invasive StimulationElectrode Socket PlacementNEBS ProceduresSubcutaneous PouchElectrode CablePlatinum Electrode

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Fritsch, B., Gellner, A., Reis, J. Transcranial Electrical Brain Stimulation in Alert Rodents. J. Vis. Exp. (129), e56242, doi:10.3791/56242 (2017).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image