Summary
このプロトコルはマウスで信頼性の高い HFS メソッドを設定する方法を示しています。を通じて海馬歯状回の神経細胞は、HFS を直接および間接的に生体内で電気刺激します。神経活動と分子シグナリング、 c-fosと notch1 遺伝子の免疫蛍光染色でそれぞれチェックします。神経新生は、アッセイをラベリング ブロモデオキシウリジンによる定量化されます。
Abstract
電気高周波刺激 (HFS)、さまざまな脳領域をターゲット注入電極を使用しては、様々 な神経疾患、精神疾患の効果的な治療法として実証されています。深部脳刺激療法 (DBS) とも呼ばれます、脳の深部で HFS 臨床試験でますます重要になってきた。高周波 (HF DBS) 外科領域の最近の進歩は大鬱病障害 (MDD)、強迫性障害 (OCD) の治療など、その他の状況にこの侵襲的手法の利用可能性を普及し始めているので上。
これらの拡大の徴候にもかかわらず HF DBS の有益な効果のメカニズムに残る謎。この問題に対処するため 1 つのアプローチはまばら HFS によってニューロンの分散のサブポピュレーションをアクティブに注入電極を使用します。それは、診療所における難治てんかんの治療のため、視床の前核の HFS がされる可能性がありますが報告されています。基になるメカニズムは増加神経新生に関連するかもしれない、神経活動を変更します。したがって、HFS 治療前後 (DG) のマウスの海馬歯状回における神経新生と同様に、神経活動の検出による生理学的変化を探究することに興味を持っております。
本稿では、直接または間接的、急性または慢性的にマウスで DG の活性化をターゲットに HFS のための方法論について述べる.さらに、述べるは、 c-fosと notch1 遺伝子の神経の活動を監視する染色とシグナル伝達活性化蛍光ブロモデオキシウリジン (BrdU) を決定するためにラベル付け、脳スライスの準備のための詳しいプロトコル、HF DBS 誘導後の新生。HF DBS 治療後神経活動と神経の活性化は、神経生物学の直接証拠と潜在的な治療上の利点を提供します。特に、この方法論を変更し、大脳基底核などの他の興味がある頭脳領域とクリニック特定の脳障害に対する視床領域をターゲットに適用できます。
Introduction
HF DBS は、1870 年代1から培われた脳の電気刺激のため脳神経外科技術です。1980 年代後半に HFS がパーキンソン病の潜在的な治療的介入として使用された最初と他の運動障害2。過去数十年で、HF DBS 使用されていますより広く現在治療である脳疾患の治療に従来の治療方針で。特に、HFS 電極、非常に効果的な成果、最小限の副作用の精度向上のため、HF DBS によって扱われる脳疾患の大幅増えている過去数十年3,4、 5。HF DBS をパーキンソン病 (PD)、アルツハイマー型痴呆、本態性振戦、運動疾患2,6、の他の種類の治療のため米国食品医薬品局 (FDA) によって承認されているなど7。 ドーパミン作動性薬の削減 PD 患者における HF DBS8時 50% まで。運動障害の治療に加えて HF DBS はも2,9,として認知増強のため診療所で精神疾患の治療に強力な効果を示しています。10,11. HFS の他の精神疾患の治療のための研究は、さまざまな段階、患者12に多くの約束を提供することに注意してください。
多くの研究は焦点の HFS が脳13全体のローカルとリモートの両方の効果を持っていることを示している、とらえどころのない2,14のまま効果の神経学的および分子のメカニズムです。診療所で治療 HF DBS は、通常のパーキンソン病と慢性の痛みなど多くの意見がどの 1 つの可能性の間での HF DBS 治療によって生成される改善を説明する発生の治療のため長期的な方法で適用されます。現在の HFS は、変調注入の HFS 電極近傍における軸索の反復的な脱分極によって神経ネットワークの活動をおそらく。また、HF DBS は、出力ニューロンと投影のターゲットの吐出量を変更可能性があります。また、HF DBS をつながる可能性があります長期的なシナプスの変化によって、長期増強 (LTP) や長期抑圧 (LTD) などに症状の改善に貢献するかもしれない。ところ、それはまだ不明かどうか HFS influences 携帯を調節する分子のキーイベント処理など成体脳ニューロン新生の生体として。研究のいくつかの行は、齧歯動物の HFS が臨床的に応用の DBS15,16のと同様の神経応答を模倣可能性がありますを示しています。本研究では、HF DBS の基になる細胞メカニズムを理解するには、我々 最初にセットアップを生体内でHFS 方法論マウスで急性 (1 日) または慢性 (5 日間) さま。第二に、我々 は HF DBS 出産後神経と神経活動の変化を決定する化分析の方法論を設定します。
神経幹細胞から神経細胞の生産が萌芽期の開発の間に豊かなが、大人の生活の中で続けていることを考える、海馬顆粒ゾーンは細胞新生が発生する主要な領域の 1 つです。神経新生のプロセスは、多くの生理学的および病理学的要因の影響を受けます。特定のてんかんの場合は、海馬の神経新生は劇的に減少した17,18です。さらに、単一電気けいれん療法は、19海馬歯状回の神経細胞の生産を大幅に向上する可能性があります。電気生理学的活動が成体と海馬ニューロンのシナプス可塑性の調節に重要な役割を果たしていることが示唆されました。したがって、神経活動と神経新生に及ぼす HF DBS をさらに示すためには、まず実施から生じる短期的な神経活動のよく知られているマーカーは、即時初期遺伝子 (IEG) fosの免疫染色法20をが発生します。Notch1 遺伝子のシグナルが検出された HFS 配信21,22後シグナル伝達活性をモニターします。さらに、我々 は、BrdU 染色することもできます gliogenesis のマーカーが様々 な方法で HF DBS 誘導後分析をラベリング BrdU による神経の生産も検出します。
本研究では 2 つの HFS 方法は直接および間接的に海馬 DG の活性化をターゲットに適応されます。電極は DG に直接注入または DG の神経細胞をアクティブにする予測を送信内側貫通パス (PP) に移植しています。HF DBS 誘導プログラム可能な刺激は、マウスの頭の上に固定電極を連続刺激を介して提示されます。HFS の神経細胞の活性化と神経新生に及ぼす影響を決定する免疫蛍光染色と海馬 DG 地域における BrdU 組み込まれて肯定的なニューロン数c-fosと notch1 遺伝子の発現を検出後,HFS の治療。特に、HF DBS の DG における神経新生に及ぼす影響比較されます急性と慢性刺激方法または直接および間接的な刺激方法間それぞれ。
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Protocol
動物実験手順、北京基礎医科学研究所 (中国・北京) のケアと実験動物の使用のための中国の政府の規制機関のガイドラインに従った。マウス (成人男性、26 〜 30 g) が収容され、12 h 光/12-h 暗いサイクル (7:00 に点灯)、下水と食品広告自由との 23 ° C の一定温度で保管します。光のサイクル中にすべての実験プロシージャを行った。
1. 手術の準備
注: カスタム電極だったハルパーンのレポート23から変更メソッドを使用して自家製。
- 並列バイポーラ電極として 2 マイクロ-銅線 (外径 200 μ m) を使用します。電極刺激用円筒電極を形成するためにお互いの周りをラップします。
注: ここでは、PP または DG 内電極の長さは、核の解剖学的深度によると変化させた。 - エチレン酸化物の消毒キャビネットを使用して電極を滅菌します。処理し、汚染することがなく自家製の 2 ch マイクロ ワイヤ電極を格納します。電極は、任意の外科的移植前に厳密に滅菌する必要があります。
- オートクレーブ手術器具。
- 手術前に麻酔の手術面を達成するために、ペントバルビ タール (20 〜 50 mg/kg) と腹腔内、マウスを挿入します。
- 滅菌ペニシリン G プロカイン サスペンション (75,000 U、i. m.)、感染症や痛み、それぞれ24のリスクを減らすための鎮痛エージェント (カルプロフェン、0.05 - 1 mg/kg、SC) とマウスを注入します。
- 動物の麻酔した後に、目の乾燥を防ぐために両方の目に目の潤滑剤を適用します。つま先の摘心し、応答がないときにだけ、操作を続行応答で動物の反射により、鎮静作用の誘導と麻酔の深さを確保します。
注: 獣医軟膏は目の乾燥を防ぐために別のオプションです。 - 電気バリカンや剃刀の刃を持つマウスの頭の上に毛皮のほとんどを剃る、70% アルコールや betadine ソリューションの 3 つの交互になるスクラブと剃毛エリアを滅菌、betadine、皮膚に乾燥後に操作を続行します。
2. 高周波刺激手術25,26
注: この手順では電極は一方的背 DG または内側の PP エリア、エピソードの学習と記憶に重要な役割を持つ海馬の部分に植えられました。
- 定位脳手術フレームに麻酔下のマウスを置きます。マウスの頭を動かないように、耳バーを正しく整列させるし、すぐにそれらをインストールします。中心の頭をサポートし、マウスを少し確保して優しく耳バーを締めます。
- 37 ± で動物の体の温度を維持するためにサーモスタットのパッドを使用して 0.5 の ° c.
- 鉗子を使用して、マウスの耳前方の皮膚をつかみ、マウスの頭蓋骨の上に皮膚の 1 cm2の領域を削除する滅菌はさみでカットします。
注: カット皮膚の端に少量の出血を観察できます。 - 筋肉や頭蓋骨表面を公開する綿棒と頭蓋骨を覆う他の添付ファイルを削除します。すべての骨膜、腱、結合組織から頭蓋骨の完全に識別、矢状面とラムダ縫合線をきれいに綿棒と解離性ノミを使用します。
- 前とラムダ点を識別します。冠状縫合と、頭蓋骨の優れた中間部分の矢状縫合の交点は前があります。矢状縫合で後上の縫合の交点はラムダが目に見えるです。他の核の位置を設定するのには、元のポイントとして前を使用します。
- 頭蓋骨の前とラムダの位置の同定後、横のレベルでこれらの 2 つの点を調整します。これらの 2 つの点の高さが (すべてのエラーは、< 0.05 mm をする必要があります), 背腹方向にほぼ同じであることを確認します。また、頭蓋骨が同じ方法26で内側外側方向に水平であることを確認します。
- 片側手術のため、自家製 2 ch 銅マイクロ ワイヤ電極を定位脳手術フレーム回転電極ホルダーにマウントします。
- 最初は、前のポイントの上に垂直方向に電極を置き、元のサイトとして設定。デジタルを使用して表示、前後 (ap 通信)、内側外側 (ML) を示す定位脳手術フレーム、背腹 (DV) が配置されます。
注: 電極が曲がってばかりを防ぐために操作中に頭蓋骨に電極先端部を触ください。 - 電極を正しい位置にゆっくり移動 (図 1 a、pp、DG と AP-3.8/ML ± 3.0 の AP-2.1/ML ± 1.0 それぞれ)27タッチせず頭蓋骨の上。電極挿入の目的のサイトが見つかった、電極ホルダー高い卵割の定位調整を使用して、黒のマーカーの位置をマークします。
メモ: 定位座標に関して正確な場所はマウス緊張、重量、および性によって異なります。同性の大人のマウスを使用して、場所の変化を最小限に抑えるください。可能であれば、事前の解剖学的なスキャンは、個々 の主題の基礎27上の場所を識別するために使用ください。 - マイクロマニピュレーター アシスト ハンドドリルを使用して (サイズをバリ = 0.5 mm) マークした位置でバリ穴を正確にあける。掘削前に 70% のエタノールでバリの先端を滅菌します。0.8 - 1.0 ミリメートルの X と Y の位置を変更することがなく z 軸に沿って頭蓋骨を介してミニ ドリル ビットを移動します。操作中に任意の出血を止めるため滅菌綿を使用します。
注: 掘削中に過剰掘削、過度の発熱を避けるためには、掘削速度 15,000-18,000 回転/分 (RPM) は、すべて 8-10 のバリの穴からドリル ビットをよく撤回を確認します。 - 硬膜は、公開までの掘削を維持します。曲がった針を使用して、掘削中に生成される、基になる柔らかい脳組織を損傷することがなく硬膜にピンホールを作るすべての骨のスクラップを削除します。
注: 脳組織を損傷しないように、ベントの鈍針置き換えることもできます罰金鈍い鉗子が付いて。 - バリ穴が目的の位置に適切に行われたことを確認するため定位脳手術フレームの調節によって電極の高さを減らすし、電極はバリの穴を介しては障害物に触れることがなくスムーズに挿入されることを確認します。もしそうならはゆっくりと電極を DG (DG PP) に内側の PP である頭蓋骨の表面に 1.8 mm DG (または PP の 3.0 mm) の深さに挿入します。
注: は、電極注入のプロセス中に脳脊髄液または滅菌綿とぎざぎざの穴からの血液流出をふき取りなさい。 - マイクロ ワイヤ電極を頭蓋の穴に挿入すると、小さなヘラを使用して適切な歯科用セメントと場所に保持します。セメントが濃くなると挿入された電極と素敵な滑らかなキャップを形成するネジの周り金型します。なかでも、創傷部を消毒してください。
- 電極ホルダーから電極を外します。定位脳手術フレームからマウスを外し、暖かいケージに戻ります。
注: 手術後、彼らは完全に十分な意識と麻酔から回復してまで自分のケージに動物を返すと待ちます。 - マウスを自由に移動し、檻の中を 2 日間の回復することができます。注入電極を接続し、マウスでは、プログラマブル刺激を介して脳、。図 2に示されるように、ソフトウェアのインターフェイスを設定します。400 Hz で 6 パルスの 6 列車の 6 シリーズとして HFS パラメーターを設定 (図 1B列車、20 間 100 ms シリーズの間 s)28。200 μ A に刺激強度を設定します。
- セットとして必要な期間、HFS を提供します。刺激 2 日 x 8:00、20:00 配信します。
- コントロール グループのマウスの電極をインプラントし、刺激を実行しないでください。
- Fosの染色実験的マウスを鋭く刺激 (一日あたり 2 倍)。Brdu 細胞標識の分割実験的マウス急性刺激グループ (一日あたり 2 倍を適用) と慢性的な刺激のグループ (10 x 5 日間で、1 日あたり 2 倍を適用)。刺激の中に、マウスが目がさめているを確認します。リードがよじれていないことを確認してください。
注: プロシージャの最後の日で急性刺激群マウスは励まされて同時に。 - 刺激が終わったら、慎重に電極ホルダーおよび記録システムのコネクタから電極ピンを外します。
3. 蛍光抗体法およびブロモデオキシウリジン29を表示
- Fosおよび notch1 遺伝子の染色は、最後の HF DBS 刺激後約 3 時間は麻酔の手術面を達成するために (20-50 mg/kg, i. p.) ペントバルビ タールを注射することによってマウスを麻酔します。
- Brdu 細胞標識の最後の HF DBS 刺激後約 12 時間は 2 h の間隔 (0.9% 生理食塩水、i. p. では 50 mg/kg) でコントロールして誘導マウス BrdU の 6 注射を与えます。最後の注射後 36 時間は、手術面を達成するために (20-50 mg/kg, i. p.) ペントバルビ タールを注射することによってマウスを麻酔します。
- 心を公開し、左心室に灌流 22 ゲージ鈍針に胸郭をメスを使って切開を確認します。右のアトリウムで小切開を行います。Transcardially はそれを冷たいリン酸緩衝生理食塩水 (PBS) 50 mL の 1x PBS (pH 7.4) の冷たい 4% パラホルムアルデヒド (PFA) の後の 50 mL の灌流します。
注: は、マウス血、生体内では置き換えられ、明確な流体を実行時に PFA に PBS を切り替えます。良い血流は肝のクリアによって判断できます。灌流固定微動が観測されている30一度停止してください。 - 眼科用ハサミでマウスの首をはねる、皮膚を切開し頭蓋骨を公開します。鉗子を使用して、頭蓋骨を少しチップそして慎重に全体のマウスの脳を解剖します。ポスト fix 追加 2 日間 4% パラホルムアルデヒドで脳と一晩で 4 ° C 30% ショ糖液に転送します。
- クライオスタットを使用して、20 μ m のコロナ セクションに脳を切り。転送しブラシでスライド ガラスのセクションをマウントし、-20 ° C で保存
注: 電極 misplacements または過度の機械的損傷を持つ動物は、その後の分析から除外されます。 - 通常 PBS (0.1 M、pH 7.4) にスライドをコピーする定着剤が含まれていません。任意の余分な定着剤を削除する各 5 分の 3-4 倍の PBS とスライスを洗います。BrdU 標識グループのセクション 2 N 塩酸 37 ° C で 30 分間インキュベートし、0.1 M ホウ酸バッファーにそれらを洗い流して (pH 8.4; 10 分)。その後、洗ってスライス 2 x PBS で 5 分間。
注: 免疫染色が実行されます。 - ソリューション (0.5% トリトン X-100 と 0.02% アジ化ナトリウム 1x PBS で、3% ウシ血清アルブミン < BSA > 1% ヤギ血清) 室温 (RT) で 1 h のブロックでスライスを扱います。
- アンチfosポリクローナル抗体 (1: 500; ウサギ)、反 notch1 遺伝子の抗体 (1:50; ヤギ)、またはブロッキング液の 4 ° c で抗 BrdU 抗体 (1:800; ラット) とスライスを一晩インキュベートします。
- 洗ってスライス 3 x pbs は、インキュベーションして Alexa Fluor 568 共役抗家兎 (1: 500)、Alexa Fluor 488 共役の反やぎ (1:1, 000) とまたは Alexa Fluor 488 共役抗ラット (1: 500) 二次抗体室温 1 時間
- サンプル 3 を洗って PBS (各時間 10 分) で x。DAPI を含む耐フェード試薬マウント媒体を用いた免疫標識脳のセクションをカバーしてください。空気乾燥し、4 ° C で光から保護保存スライスを聞かせてください。
- 高分解能マルチ チャンネル (シーケンシャル) 走査共焦点顕微鏡と脳の刺激と非刺激側から海馬領域の画像を取得します。対照群と実験群の間に一貫して撮像パラメーターを設定します。
- 隣接する電動ステージを使用して、ビューのフィールドの連続 3次元 (XYZ) を獲得し、大型複合材を作るためにそれらをステッチする適切なソフトウェアを活用して高倍率の目的 (20 X 空気目的、NA 0.45) モザイク画像を実行します。画像。
注: 真のステッチと改良されたシームレスなイメージのオプションを平滑化に、タイリング機能が含まれます。複合画像迅速かつ簡単に使用しておりますステッチ機能広域イメージを形成します。 - C-fosと notch1 遺伝子の染色、蛍光密度21ステッチの画像の肯定的な核定量分析を実行します。ランダムに吻側、背側、腹側海馬 DG 小で 3 エリアを選択し、画像 Jのソフトウェア (http://rsb.info.nih.gov/ij/) の31を使用して二重盲検の方法で蛍光の密度を測定します。
- ラベリング BrdU、二重盲検の方法で背側海馬 (前を基準にして-2.70 mm-1.70 mm) を介して掘削ポイント周りスライスを分析します。
- DG における BrdU 陽性ニューロンのみをカウントします。カウントの顆粒細胞の 2 セル径内に横たわっているセルが含まれてください。
注: ここでは、カウントを行った空気目的 X 40 を使用しています。ランダムに 3-5 セクションごとに動物が数えられたとカウントされた平均し DG19あたりの手段として表されます。
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Representative Results
次の海馬の DG のサブ領域を直接または DG を直接活性化する PP サブ領域に HF DBS 刺激定位調整を使用してを介して挿入された電極、齧歯動物の, ペントバルビ タール麻酔をかけられましたし、3 h をサンプリングc-fosと notch1 遺伝子免疫染色の最後の HF DBS 刺激。BrdU の染色、1 日または 5 日間 HF DBS 刺激の後最後の BrdU 投与後 36 h のげっ歯類脳セクションの準備のため, ペントバルビ タール麻酔されました。図 3は、 c-fosの発現も DG の同側で増加したことを示します。また、DG の側におけるc-fos発現fosの信号の表現をほとんど示さなかった人いいえ HF DBS 刺激コントロールに比べて亢進していたも。我々 はさらに、notch1 遺伝子のシグナルもできなかった大人の海馬 DG の HFS 刺激後誘導によって実証 notch1 遺伝子特定の免疫蛍光染色脳スライスに基づいて補足図 1に示すように、PP のニューロンの脱分極の (補足のファイル 1として提供される生のデータも参照)。
位置が表示されます図 4A DG サブ領域で直接 HF DBS 刺激に加えてと内側頁図 4Bに設置された電極先端部の HF DBS 刺激サイト実証 HF DBSPP の刺激だけでなく、DG の同側にc-fosの発現量を増加、またいいえ HF DBS 刺激と比較して DG の側でfos発現の増強制御します。
BrdU 5A - 5 C の数字、我々 さらのように脳スライスの解析のラベルを用いてその神経もでアクティブにできる大人の海馬 DG DG の慢性 (5 日) HF DBS 刺激後直接。慢性心不全 DBS 刺激 DG だけ大幅誘導気道における神経新生側にまた増加がない HF DBS 刺激コントロールに比べて側における神経新生。ただし、急性 (1 日) 刺激同側か DG の側で神経新生の発現を誘導するために失敗しました。図 5D、急性刺激グループまたは慢性的な刺激のグループのいずれかに示すように、PP で間接 HF DBS は海馬 DG の神経レベルを変更できませんでした。
図 1.電極先端部の脳ターゲットと HFS のパラメーターの概略図。海馬歯状回の下刃に内側の神経の投射 (A) 貫通パスが示されます。(紫) の挿入された電極の位置を刺激する DG を直接または PP サブ領域が示されます。(B) HFS パラメーターは 400 Hz で列車と 20 の間 100 ms のパルス 6 の 6 列車の 6 シリーズとして示される s シリーズの間。CA = コルニュ Ammonis;DG = 海馬歯状回;PP = 貫通パス。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2.インターフェイスと、multistimulator のパラメーター。刺激だったデジタル-アナログ コンバーターに接続され、独自のソフトウェアによってアクティブ化します。HFS の刺激タイプが相性であった。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3.HF DBS 治療を直接の応答で DG の神経細胞活性化。(A) 電極先端部 (塗りつぶされていない白いボックス) が直接の DG 領域上置かれた (AP-2.1/± 1.0 ML/DV 度:+1.8%) HFS の有無。このパネルは、コントロールと HFS グループc fos抗体と脳スライスの冠状断面の免疫染色を示しています。青い DAPI 染色は海馬の核の位置を示すため使用されました。スケールバー = 100 μ m。 このパネル (B) 蛍光信号密度の定量的解析を示しています。DG の同側、 fosの高発現ニューロンが噴き出して、大幅と DG の側におけるc-fos発現がのc-fos発現と比較しても比較的増加HFS 治療しなくてもマウスを制御します。± SEM は、一方向の分散分析を意味 F2,24 216、 P = < 0.0001、ボンフェローニポスト アドホックテスト * * *P < 0.001、 nいいえ sti = 9 (3 のマウスから 3 スライス), nHFS コントラ= 9 (3 スライス/マウスからマウス 3) nHFS IPS = 9 (3 スライス/3 マウスからマウス)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4.PP サブ領域の HFS に応えて DG 神経活性化。(A) 電極先端部 (塗りつぶされていない白いボックス) は AP-3.8、ML ±3.0 DV +3.0、HFS の有無・位置内側の PP で置かれました。(B) このパネルは、コントロールおよび HFS グループc fos抗体と脳スライスの冠状断面の免疫染色を示しています。青い DAPI 染色は海馬の核の位置を示すため使用されました。スケールバー = 100 μ m。 このパネル (C) 蛍光密度の定量的解析を示しています。PP の HFS 治療は、 fosの高発現と DG で同側のニューロンをアクティブに有意でした。対側の DG におけるfos発現はまた比較的 HFS 治療せずコントロール マウスのc-fos発現と比較して増加します。± SEM は、一方向の分散分析を意味 F2,24 189.3、 P = < 0.0001、ボンフェローニポスト アドホックテスト * * *P < 0.001、 nいいえ sti = 9 (3 のマウスから 3 スライス), nHFS コントラ= 9 (3 スライス/マウスマウス 3) からnHFS IPS = 9 (3 スライス/3 マウスからマウス)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5.DG と PP の HFS に応えて DG における神経新生の異なる活性化それぞれ。(A) このパネルは DG の HFS 治療と BrdU 標識増殖細胞の生成の実験的パラダイムを示しています。動物は、急性型および慢性的なグループに分かれていた。HFS 治療 2 に服従したマウス急性群では、5 日目に x。5 日間の HFS 治療に服従したマウス慢性群 (1 日目、5 日目から一日あたり 2 倍)。その後、両方のグループの動物は、6 日目に BrdU (50 mg/kg, 2 h 間隔で 6 x) を注入しました。8 日に動物は麻酔、クライオスタット切片の準備のため潅流されました。(B) このパネル (グリーン) の BrdU のポスト-HF-DBS DG での蛍光抗体染色を示しています。神経細胞の生産の (C) の定量分析が示された急性 (1 日で 2 倍) DG で刺激が慢性的な中、神経新生を高めることができるない DG (5 日以内 10 x) 刺激大幅細胞新生を誘導。対照群と比較して、BrdU 標識細胞慢性で大幅に増加数は同側および対側の半球で両方をグループ化します。スケールバー = 100 μ m の範囲意味 ± SEM、二元、刺激型効果 F2、14 97.09、 P = < 0.0001、半球効果 F1、14 1.137、 P = = 0.3044、ボンフェローニポスト アドホックテスト * * *P < 0.001, nコントロール3 (マウス 3 から 3 スライス) を = n1 日= 4 (マウス 3 から 4 スライス)、 n5 日= 3 (マウス 3 から 3 スライス)。(D) このパネル (グリーン) の BrdU のポスト-HF-DBS PP サブ領域での蛍光染色を示しています。神経細胞の生産の A (E) 定量分析ことが示された (2 回で 1 日) 急性または慢性 (10 x 5 日) PP で刺激が著しく細胞新生を高めない。BrdU 標識細胞数は HFS 治療の有無と比較的安定していた。スケール バー = 100 μ m の範囲意味 ± SEM、二元、刺激型効果 F2、16 = 0.9025、 P = 0.4252、半球効果 F1、16 = 1.402, P = 0.2537、ボンフェローニ投稿アドホックテスト、 P > 0.05, nコントロール3 (マウス 3 から 3 スライス) を = n1 日= 3 (マウス 3 から 3 スライス)、 n5 日= 5 (マウス 3 から 5 枚)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
補足図 1。HF DBS 治療への応答の DG における notch1 遺伝子の表現。(A) このパネルに表示されます (緑) で notch1 遺伝子の免疫蛍光染色 DG で HF DBS 後 3 h。この図は引用され、風水のレポート21から変更します。DG の HFS が notch1 遺伝子の表現を高めることができる蛍光性の (B) の定量分析が示されました。スケールバー = 100 の μ m の範囲の手段 ± SEM、スチューデントのt-テスト、 t = 12、* * *P < 0.001、 nいいえ sti = 9 (3 のマウスから 3 スライス/マウス) nHFS = 9 (3 スライス/3 マウスからマウス)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
HF DBS 手法は、1990 年代以降多くの神経疾患の治療のための強力なツールとして広く使用されています。これまでのところ、HF DBS のランドマーク作業はパーキンソン病や本態性振戦、多くの関心とクリニックと科学的なコミュニティの両方の関心を集めているの治療。特定神経疾患、精神疾患32,33HF DBS 治療上の適用の多くのグループによって進行中の HF DBS 研究のさまざまな種類があります。これらの研究のいくつかは現在臨床試験2,34のさまざまな段階で。刺激の副作用も可逆的である気分、思考などの否定的な変更のような頭脳で完璧な配置で発生する可能性し、の変更を避けることができる HF DBS は、大きな利点をもたらす必要があります、刺激の設定。
臨床試験からの過去十年にわたって蓄積 HF DB 技術の大幅な進歩、に加えて生きている動物の HF DBS の研究、また生理学的変化を理解する機会も紹介と神経生理電気刺激により誘発されるメカニズム。本稿では、直接または間接的に、HFS と海馬 DG サブ領域を刺激するためにマウスで実行される変更された HF DBS 方法論を説明しました。齧歯動物で説明したプロトコルを実行するは、豚35を含む、他のモデル生物で、HFS 応答研究もまた正常に行われています。この手法は、定位脳手術を特定の動物モデルを用いた神経疾患、精神疾患 HFS の有効性をテストするため潜在的な核をターゲットとした刺激の使用もできます。このような研究から引き出される結論は、診療所は、既存のターゲットで HFS の洗練のために特別に簡単に変換する必要があります。メモこの方法論の研究で、診療所で HF DBS の複数のエクスポー ジャーのシリーズと対照をなしては刺激し、海馬の DG、パラメーターとパラダイムの一部で神経活動を誘発する HFS のシングル、短期暴露しましたHFS の以前海馬スライス21,28に LTP を誘導するために報告されています。
HF DBS の一般的な制限事項が広くされている見直し他24,25。ここでの実験のための課題の 1 つは優れた手術手技と手術解剖学的軌跡ケア継続的な必要ではまた。正しくかつ正確には、刺激のためのターゲットの核に電極をインプラント、手術不要な血管損傷および電極の紛失を避けるために熟練した技術者によって重要なプロセスの一つです。また、脳標本のさらに解剖学的・組織学的解析も、HFS 後電極の適切なターゲットを確認するため必要です。これはまたそのまま動物脳における術後後電極の修正されたターゲットを明確に示すこと、このアプローチの利点の 1 つです。このプロトコルで提供されている詳細情報の多くを長期的な刺激によって動物に注入された刺激容易に合わせることができます。それはまた別の HFS 配信パターンと標的治療脳の交互刺激パラメーターに従う義務があることに注意してください。ただし、この記事は電気刺激後の細胞変更を理解するプログラム可能な刺激の単位によって提供される単体の急性 HFS の報告。
HF DBS を数年間クリニックで神経疾患、精神疾患の治療のための代替オプションとして提供しています、その有効性のメカニズムの不十分な理解ままです。使用や HF DBS の今後の改善点を考えるとより実用的なアプローチが必要です。開発ツールとしては、技術革新や機構検出さらに HFS テクニックが必要です。HF DBS の細胞および分子メカニズムを研究するには、高スループット シーケンス技術に基づくグローバルなトランスクリプトーム解析が HF DBS 誘導後分子イベントとシグナリングの変化を理解するための重要な情報を提供します。36. ニューロンの脱分極に対応する証明されている既存の分子の候補者の検査に基づいて、公平なスクリーニング戦略に加えて、おそらくキーのエフェクタを識別するために重要な手がかりHFS を担当します。Fosは本質的な神経活動への応答で亢進、ニューロンの風景が37で解雇最近その表現を見て、少なくとも私たちを提供するので。ただし、 fosのみされますも LTP37を受けるニューロンをマークするらしいのでちょうど活動を反映します。Notch1 遺伝子が成熟した海馬ニューロンのシナプス可塑性に重要な役割を果たして、21,22生体内で成体神経新生に不可欠な我々 を含む、以前の作品を示しています。このような状況、候補者を慎重に特徴し、事前説明すべきキーとc-fos発現の免疫組織化学的解析によるポスト HFS 誘導の詳細な定量的および時空間ローカリゼーション。このような研究は神経の活性化など携帯電話の変更を明らかに有利になるが、HFS21への応答の様々 な脳領域における遺伝子発現パターンの変化を示す直接的な証拠を提供します。神経、または神経変性。
必要がありますという刺激効果の成果しっかり刺激パラメーターに関連付けられているし、場所を脳・細胞・分子のため、クリニック内の HF DBS アプリケーションの利点にもかかわらず指摘HFS の効果のメカニズムは非常に複雑かもしれない。本研究では、成体の HFS の急性および慢性の効果を調査するラベリング BrdU をさらに行った。以前のレポートは、肯定的なニューロンは、HF DBS 治療すべき増殖成人神経前駆細胞21後 SGZ で観測された増加の BrdU の大半に基づいて BrdU の染色と、神経新生と gliogenesis の両方のマーカーがありますが、,38,39. HFS 治療のメカニズムの複雑さに関係なくメソッドと本稿で述べる結果提供の直接証拠海馬 DG をアクティブにその繰り返しの高周波電気刺激かなり神経活動と神経新生の生体の活性化を引き起こすことができます。
要約すると、我々 は HF DBS が神経活動と神経活動と HF DBS を受けなかったコントロール マウスの神経に比べてマウスの神経新生を改善できることを示した。これが事前認知的効果についての科学的な理解、HFS体内の刺激パターンです。後、急性期の心不全 DBS 治療を直接または間接的に生体内神経活性の同定は、HFS 治療がローカルおよび長距離接続のシナプスの伝達に重大な影響を持っていることを示しています。HF DBS 治療後神経活性化の急速な誘導は、MDD など多くの神経疾患、精神疾患の外れを障害のシナプス伝達を操作する強力なツールを提供します。一方、慢性と直接、しかしない急性または間接的な HF DBS 治療後神経新生の誘導には、明確な有効性と機能差別の電気刺激のマナーが示唆しています。このような結果は、将来的に神経の変調と HFS の潜在的な治療上の利点の直接的な証拠を提供します。一緒に取られて、HF DBS はクリニックで作った技術の進歩と研究室でなされる機構の進歩を統合することにより神経疾患、精神疾患の治療のための相当な利点を紹介します。
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Disclosures
著者申告するものがあります。
Acknowledgments
(ハイタオ呉) に中国から助成金 Z161100000216154 の基礎研究の状態主要な開発プログラムから 973 (2014CB542203) プログラムの 31522029、31770929、31371149 (ハイタオ呉) に中国の助成金の国家自然科学基金を支え、北京市科学技術委員会 (ハイタオ呉) に.著者は、彼らの励ましと議論ハイタオ呉研究所のすべてのメンバーをありがとうございます。著者は、装置をデバッグでご支援威劉に非常に感謝しています。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Brain stereotaxic instrument | Stoelting | 51730D | Stereotactic intracranial implantation for mouse |
| Stimulator | A-M systems | Model 3800 | MultiStim 8-Channel programmable stimulator |
| Dental driller | Saeshin Precision Co., Ltd | STRONG 90 | For drilling and crainiotomy |
| Burr | Meisinger | HM1 005# | For drilling and crainiotomy |
| Digidata 1550 Digitizer | Molecular Devices | AXON 1550 | High-resolution data acquisition |
| Cryotome | Thermo Fisher Scientific | Thermo Cryotome FSE | Cutting frozen sections of specimens |
| Confocal microscope | Olympus | FV-1200 | Japan, with 20x Objective (NA 0.45) |
| Mouse surgery tools | F.S.T. | 14084-08,11254-20,16109-14 | Scissors, forceps, bone cutter, holders etc. |
| Pentobarbital sodium | R&D systems | 4579 | 20-50mg/kg for i.p. injection |
| Penicillin G | Sigma-Aldrich | P3032 | 75,000 U for i.m. injection |
| Carprofen | Sigma-Aldrich | SML1713 | 5-10mg/kg, for s.c. injection |
| 4% Paraformaldehyde (PFA) | Beijing Solarbio Sci-Tech Co. | P1110 | stocking solution for tissue fixation |
| Phosphate buffer (PBS) | Invitrogen | 10010023 | pH7.4, 500ml in stocking |
| Tissue-Tek O.C.T. compound | Sakura | 4583 | Formulation of water-soluble glycols and resins |
| anti-BrdU antibody | Abcam | ab6326 | Dilutions:1/800 |
| anti-c-fos antibody | Abcam | ab209794 | Dilutions:1/500 |
| Goat Anti-Rabbit IgG (Alexa Fluor 568) | Thermo Fisher Scientific | A11036 | Dilutions:1/500 |
| Donkey Anti-Rat IgG (Alexa Fluor 488) | Jackson ImmunoResearch | 712-546-150 | Dilutions:1/500 |
| Antifade mounting medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | Counterstaining with DAPI |
| anti-Notch1 antibody (C-20) | Santa Cruz Biotech | sc-6014 | Dilutions:1/50 |
| Donkey Anti-Goat IgG (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150073 | Dilutions:1/1000 |
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