Transkraniell elektrisk hjernen stimulering i Alert gnagere
Summary
Denne protokollen beskriver et kirurgisk oppsett for en permanent epicranial elektrode socket og en implantert brystet elektrode i gnagere. Ved å plassere en andre elektrode kontakten, kan ulike typer Transkraniell elektrisk hjernestimulasjon leveres til motor systemet i alert dyr gjennom intakt skallen.
Abstract
Transkraniell elektrisk hjernen stimulering kan modulerer kortikale excitability og plastisitet i mennesker og gnagere. Den vanligste formen for stimulering hos mennesker er Transkraniell likestrøm stimulering (tDCS). Sjeldnere brukes Transkraniell vekselstrøm stimulering (tACS) eller Transkraniell tilfeldig støy stimulering (tRNS), en spesifikk form av tACS ved hjelp av en elektrisk strøm brukes tilfeldig i en forhåndsdefinert frekvensområdet. Økningen av noninvasive elektrisk stimulering hjerneforskning hos mennesker, både for experimental og klinisk, har gitt økt behov for grunnleggende, mekanistisk, sikkerhet studier på dyr. Denne artikkelen beskriver en modell for Transkraniell elektrisk hjernen stimulering (tES) gjennom intakt skallen målretting motor systemet i alert gnagere. Protokollen inneholder trinnvise instruksjoner for kirurgiske oppsettet av en permanent epicranial elektrode socket kombinert med en implantert counter elektrode på brystet. Ved å plassere en stimulering elektrode kontakten epicranial, kan ulike elektrisk stimulering typer, sammenlignes tDCS tACS og tRNS hos mennesker, leveres. Videre er praktiske skritt for tES i alert gnagere innført. Den anvendt nåværende tetthet, stimulering varighet og stimulering type kan velges avhengig eksperimentelle behov. Advarsler, fordeler og ulemper av dette oppsettet er diskutert, samt sikkerhet og toleranse aspekter.
Introduction
Transkraniell administrasjonen av elektrisk strøm til hjernen (tES) har blitt brukt i flere tiår å studere hjernefunksjon og endre atferd. Mer nylig søker direkte strøm eller sjeldnere vekslende strøm (tACS og tRNS), noninvasively gjennom intakt skallen ved bruk av to eller flere elektroder (anode(s) og cathode(s)) har fått vitenskapelig og klinisk interesse. Spesielt tDCS har blitt brukt i flere 33,200 sesjoner friske og pasienter med nevropsykiatriske sykdommer og har dukket opp som en trygg og enkel, kostnadseffektiv sengen program, med mulig terapeutiske potensial som varer lenge atferdsmessige effekter1. Dette tydelig gitt økt behov og vitenskapelig interesse i mekanistisk studier, inkludert sikkerhetsaspekter. Denne artikkelen fokuserer på den vanligste formen for stimulering, tDCS.
Tvers av arter modulerer tDCS kortikale excitability og synaptiske plastisitet. Excitability endringer er rapportert som polaritet avhengig av endring av spontane neuronal skyte rate i rotter og kattene2,3,4, eller som endringer i motor evoked potensial (MEP) amplituder i mennesker og mus ( både økt etter anodal og redusert etter cathodal tDCS: menneskelig5,6; musen7). Anodal DCS økt synaptic effekten av motor kortikale eller hippocampus synapser i vitro i flere timer etter stimulering eller lang sikt potensiering (LTP), når co brukes med et bestemt svak synaptic innspill eller når gitt før en plastisitet inducing stimulering,8,,9,,10,,11,,12. I samsvar, fordelene ved stimulering på motor eller kognitive opplæring suksess er ofte avslørte bare hvis tDCS er co anvendt med trening8,13,14,15. Mens disse tidligere funn hovedsakelig tilskrives til funksjoner av neurons, bør det bemerkes at ikke-neuronal celler (glia) kan også bidra til funksjonelle virkningene av tDCS. For eksempel økt astrocytic intracellulær kalsium nivåer under anodal tDCS i alert mus16. Tilsvarende indusert anodal tDCS på gjeldende tettheter under terskelen for neurodegeneration en dose avhengige aktivisering microglia17. Men trenger modulering av Nevron-glia interaksjon ved tDCS ytterligere bestemt etterforskning.
Tatt sammen, dyr forskning avanserte tydelig vår forståelse av modulatory effekten av tDCS på excitability og plastisitet. Men er det en “omvendt translasjonsforskning gapet” observerbare i eksplosive økningen i publikasjoner av menneskelig tDCS studier i motsetning til den langsomme og svak økning i undersøkelser av de underliggende mekanismene tES i i vitro og in vivo dyr modeller. I tillegg gnager tES modeller utføres med høye variasjon over forskningslaboratorier (alt fra transdermal til epicranial stimulering), og rapporterte stimulering prosedyrer er ofte ikke helt gjennomsiktig hindre sammenlignbarheten og Replicability grunnleggende forskningsdata samt tolkning av resultatene.
Her beskrive vi i detalj kirurgisk gjennomføringen av et Transkraniell hjernen stimulering oppsett målretting primære motorisk cortex, som lar oversettelse til betingelsen menneskelige tDCS samtidig minimere variasjon, og tillater gjentatte stimulering uten hindre atferd. En trinnvis protokoll for påfølgende tES i alert rotter er gitt. Metodisk og konseptuelle aspekter av trygg bruk av tES i alert gnagere diskuteres.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen beskriver typiske materialer og prosessuelle skritt for kirurgiske realisering av et permanent tES oppsett og påfølgende stimulering i alert gnagere. Under utarbeidelsen av en gnager tES eksperimentere, flere metodologiske aspekter (sikkerhet og toleranse av tES, utfallet parameteren) samt konseptuelle aspekter (sammenliknbarhet med menneskelige tilstand, forventede virkningene av stimulering på bestemt hjernen region) må tas i betraktning. Fra en metodisk synspunkt er kirurgisk konfigureringen av s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av tysk Research Foundation (DFG RE 2740/3-1). Vi takker Frank Huethe og Thomas Günther for in-house produksjon av skreddersydde tES oppsett og 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 |
References
- Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimul. 9 (5), 641-661 (2016).
- 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).
- 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).
- Purpura, D. P., McMurtry, J. G. Intracellular activities and potential changes during polarization of motor cortex. Neurophysiol. 28 (1), 166-185 (1965).
- 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).
- Nitsche, M. A., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
- Cambiaghi, M., et al. Brain transcranial direct current stimulation modulates motor excitability in mice. Eur J Neuro. 31 (4), 704-709 (2010).
- Fritsch, B., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: potential implications for motor learning. Neuron. 66 (2), 198-204 (2010).
- Ranieri, F., et al. Modulation of LTP at rat hippocampal CA3-CA1 synapses by direct current stimulation. J Neurophysiol. 107 (7), 1868-1880 (2012).
- 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).
- Sun, Y., et al. Direct current stimulation induces mGluR5-dependent neocortical plasticity. Ann Neurol. 80 (2), 233-246 (2016).
- 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).
- Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr opin Neurology. 24 (6), 590-596 (2011).
- 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).
- 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).
- Monai, H., et al. Calcium imaging reveals glial involvement in transcranial direct current stimulation-induced plasticity in mouse brain. Nature Comm. 7, 11100 (2016).
- Gellner, A. -. K., Reis, J., Fritsch, B. Glia: A Neglected Player in Non-invasive Direct Current Brain Stimulation. Front Cell Neurosci. 10, 188 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Liebetanz, D., et al. After-effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on cortical spreading depression. Neurosci Lett. 398 (1-2), 85-90 (2006).
- 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).
- Cambiaghi, M., et al. Flash visual evoked potentials in mice can be modulated by transcranial direct current stimulation. Neurosci. 185, 161-165 (2011).
- 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).
- 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).
- Pikhovych, A., et al. Transcranial Direct Current Stimulation Modulates Neurogenesis and Microglia Activation in the Mouse Brain. Stem Cells In. , 1-10 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jackson, M. P., et al. Safety parameter considerations of anodal transcranial Direct Current Stimulation in rats. Brain, behavior, and immunity. , (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
