Placering af ekstrakranielle stimulerende elektroder og måling af cerebral blodgennemstrømning og intrakranielle elektriske felter hos bedøvede mus
Summary
Vi beskriver en protokol til vurdering af dosis-responskurver for ekstrakraniel stimulering i form af hjerneelektriske feltmålinger og en relevant biomarkør-cerebral blodgennemstrømning. Da denne protokol involverer invasiv elektrodeplacering i hjernen, er generel anæstesi nødvendig, med spontan vejrtrækning foretrukket snarere end kontrollerede åndedræt.
Abstract
Påvisning af cerebral blodgennemstrømning (CBF) reaktioner på forskellige former for neuronal aktivering er afgørende for at forstå dynamisk hjernefunktion og variationer i substratforsyningen til hjernen. Dette papir beskriver en protokol til måling af CBF-responser på transkraniel vekselstrømsstimulering (tACS). Dosis-responskurver estimeres både fra CBF-ændringen, der forekommer med tACS (mA) og fra det intrakranielle elektriske felt (mV / mm). Vi estimerer det intrakranielle elektriske felt baseret på de forskellige amplituder målt med glasmikroelektroder i hver side af hjernen. I dette papir beskriver vi den eksperimentelle opsætning, som involverer brug af enten bilaterale laser Doppler (LD) sonder eller laser speckle imaging (LSI) til at måle CBF; Som et resultat kræver denne opsætning anæstesi for elektrodeplacering og stabilitet. Vi præsenterer en sammenhæng mellem CBF-responsen og strømmen som funktion af alder, der viser et signifikant større respons ved højere strømme (1,5 mA og 2,0 mA) hos unge kontroldyr (12-14 uger) sammenlignet med ældre dyr (28-32 uger) (p < 0,005 forskel). Vi demonstrerer også en signifikant CBF-respons ved elektriske feltstyrker <5 mV/mm, hvilket er en vigtig overvejelse for eventuelle humane undersøgelser. Disse CBF-reaktioner er også stærkt påvirket af brugen af anæstesi sammenlignet med vågne dyr, respirationskontrollen (dvs. intuberet vs. spontan vejrtrækning), systemiske faktorer (dvs. CO2) og lokal ledning i blodkarrene, som medieres af pericytter og endotelceller. På samme måde kan mere detaljerede billeddannelses- / optagelsesteknikker begrænse feltstørrelsen fra hele hjernen til kun et lille område. Vi beskriver brugen af ekstrakranielle elektroder til anvendelse af tACS-stimulering, herunder både hjemmelavede og kommercielle elektrodedesign til gnavere, den samtidige måling af CBF og intrakranielt elektrisk felt ved hjælp af bilaterale DC-registreringselektroder af glas og billeddannelsesmetoderne. Vi anvender i øjeblikket disse teknikker til at implementere et lukket kredsløbsformat til at øge CBF i dyremodeller af Alzheimers sygdom og slagtilfælde.
Introduction
Transkraniel elektrisk stimulering (tES; med sinusbølgestimulering, tACS) er en almindelig, ekstern, ikke-invasiv tilgang til hjernens neuromodulation 1,2. Tidligere antog vi, at tES (og især tACS) ved visse doser kan øge den cerebrale blodgennemstrømning (CBF) i de underliggende hjerneområder3. Endvidere kan der eksistere et dosis-responsforhold mellem enten den anvendte eksterne strøm eller det intrakranielle elektriske felt og de resulterende CBF-responser. Imidlertid har de fleste kliniske stimuleringsprotokoller fokuseret på et maksimalt behageligt hudniveau af stimulering (dvs. ~ 2 mA) i planlagte perioder (dvs. 30-45 min) som en behandlingsprotokol 4,5. Hos gnavere er det muligt at anvende invasive, ekstrakranielle hjerneelektroder påført direkte på kraniet for at undersøge de elektriske felter i hjernen induceret af tES6. Derfor er målet med denne tilgang at bestemme virkningerne af intensiteten af tACS ved relevante frekvenser på CBF-ændringer med hensyn til dosis-respons-forholdet. Denne dosis-responskurve er baseret på en kortvarig fysiologisk biomarkør-direkte måling af CBF – i forhold til det elektriske felt, der pålægges hjernen3. Vi har tidligere vist, at der ved større amplituder, typisk uden for rækkevidden af elektriske felter i hjernen induceret af tACS klinisk, er en næsten lineær korrelation mellem det inducerede elektriske felt og CBF i cortex3. Imidlertid kan stimulering med mindre felt (dvs. 1-5 mV/mm intensitet) være mere relevant og gennemførlig til brug hos mennesker; derfor har vi ændret vores teknikker til at opdage mindre CBF-ændringer.
Dette papir beskriver en protokol til analyse af virkningerne af tES vekslende sinusstrømme (tACS) med lavere feltstyrke (tACS) på CBF (dvs. 0,5-2,0 mA strøm, 1-5 mV / mm elektrisk felt), som kan tolereres af vågne gnavere5. Denne protokol involverer brugen af ny laserspeckle-billeddannelse under tACS såvel som dobbelte intrakranielle glaselektroder til at bestemme både spredningen af aktiv tACS i hjernen (som overvåget af CBF) og den intrakranielle elektriske feltintensitet, som vises både som et diagram og et faktisk eksperimentelt fotografi (figur 1). Der er mange mulige fysiologiske virkninger af tES i hjernen, herunder direkte neuronal modulation, neural plasticitet og astrocytaktivering 7,8. Selvom CBF er blevet målt med tDCS 9,10, var disse målinger langsomme, indirekte og utilstrækkelige til at vurdere dosis-respons-funktionen i hjernen. Derfor kan vi ved at bruge passende kortsigtede biomarkører (dvs. CBF, elektriske felter) og hurtige tænd / sluk-sekvenser af tACS nu estimere dosis-respons-funktionen mere præcist. Desuden kan vi anvende forskellige teknikker til at måle CBF, herunder både fokale Doppler-sonder (LD) og laserspeckle imaging (LSI) med definerede interesseområder.
Figur 1: Transkraniel stimuleringsdiagram og fotografisk eksempel . (A) Diagram over transkraniel stimuleringsopsætning. Diagrammet viser et musekranium med koronale og sagittale suturer. De transkranielle elektroder placeres sideværts og symmetrisk på kraniet og monteres med kirurgisk lim og ledende pasta mellem elektroderne og kraniet. Disse elektroder er forbundet til en menneskekompatibel, konstantstrømsstimuleringsenhed, som kan specificere frekvensen, amplituden og varigheden af stimuleringen. Til vurdering af intrakranielle elektriske felter placeres bilaterale glaselektroder (~ 2 MΩ) i hjernebarken (dvs. inden for 1 mm fra det indre aspekt af kraniet gennem små burrhuller), og disse er forseglet med mineralolie og har AgCl-grunde i nakkemusklen (vist som større ledninger i midten begravet i det subkutane halsvæv). Disse glaselektroder er forbundet til en DC-forstærker, og deres udgange optages via en digitizer med mindst fire kanaler. Bilaterale laser Doppler-sonder placeres også på kraniet til optagelser. Hele kraniet er også afbildet med enten en laser speckle imaging enhed eller en høj opløsning (mindst 1.024 x 1.024 pixels, 12-14 bit pixel dybde) afkølet kamera til iboende optisk signal detektion. Hæmoglobinisosbestisk frekvens vælges typisk (dvs. 562 nm) til belysning til blodgennemstrømningsbilleddannelse. (B) Et nærbillede af et faktisk eksperiment, der viser de bilaterale laserdopplersonder (til venstre), de (bilaterale) intrakranielle glasoptagende mikroelektroder placeret gennem grathullerne og med tACS-stimulerende elektroder sideværts. Forkortelse: tACS = transkraniel vekselstrømsstimulering. Klik her for at se en større version af denne figur.
Som en måde at vurdere mekanismerne på kan vi også forhøre interaktioner med andre fysiologiske processer, der også ændrer CBF, såsom K +-induceret spredningsdepolarisering11. I stedet for planlagte sessioner på regelmæssige tidspunkter er det også muligt at udvikle et lukket kredsløbssystem baseret på yderligere biomarkører for en række sygdomme, som det er blevet foreslået for epilepsibehandling12 (dvs. kliniske Neuropace-enheder). For eksempel er lukket hjernestimulering for Parkinsons sygdom almindeligvis baseret på de iboende, unormale lokale feltpotentialer (LFP’er), der er iboende for denne sygdom i mangel af tilstrækkelig dopamin (typisk β-bånds LFP’er)13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol fokuserer på in vivo, bedøvet måling af CBF-responsen som en biomarkør for at estimere hjernens respons på tES14. Langsigtede biomarkører for tES-responset inkluderer histologiske behandlingseffekter, såsom forebyggelse af eller ændringer i amyloid plaquedannelse (dvs. med gammastimulering ved 40 Hz i flere AD-modeller)16,17,18,19, men kortsigtede bi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af følgende bevillinger (til D.A.T.): NIA RO1 AG074999, NIA R21AG051103, VA I21RX002223 og VA I21 BX003023.
Materials
| Alcohol pads | HenryShein | 112-6131 | |
| Baby mineral oil | Johnson & Johnson | ||
| BD 1 mL syringe | Becton Dikinson | REF 305699 | |
| C3 Flat Surface Electrodes | Neuronexus | ||
| C57BI mice | from NIH colonies | ||
| Copper skull electrods | In house preparation | ||
| Digidata 1440, Clampex | Axon Instruments | ||
| Dumont #5 forceps | FST | #5 | |
| Dumont #7 forceps curved | Dumont | RS-5047 | |
| Eye ointment | Major | LubiFresh P.M. NDC-0904-6488-38 | |
| Flaming/Brown micropipette puller | Sutter instrument Co. | Model P-87 | |
| Forceps 11.5 cm slight curve serrated | Roboz | RS-8254 | |
| Intramedic needle 23 G | Becton Dikinson | REF 427565 | |
| KCl 1 M | In house preparation | ||
| Laser Doppler Probes | Moor Instruments | 0.46 mm laser doppler probes | |
| Laser Speckle Imaging Device | RWD | RFLSI-ZW | |
| Micro curette 13 cm | FST | 10080-05 | |
| Micro Dissecting Scissors, 11.5 cm | Roboz | RS-5914 | |
| Mouse anesthesia fixation | Stoelting | ||
| Neuroconn-DS | Neurocare | DC-Stimulator Plus | |
| PhysioSuite Monitoring | Kent Scientific | ||
| Q-tips | Fisherbrand | 22363167 | |
| Saline 0.9% NaCl solution | Baxter | 281322 | |
| Sensicam QE | PCO Instruments | ||
| Software | Axon Instruments Clampex | ||
| Surgical glue | Covetrus | 31477 | |
| Surgical tape | 3M Transpore | T9784 |
References
- Bestmann, S., Walsh, V. Transcranial electrical stimulation. Current Biology. 27 (23), R1258-R1262 (2017).
- Bikson, M., et al. Rigor and reproducibility in research with transcranial electrical stimulation: An NIMH-sponsored workshop. Brain Stimulation. 11 (3), 465-480 (2018).
- Turner, D. A., Degan, S., Galeffi, F., Schmidt, S., Peterchev, A. V. Rapid, dose-dependent enhancement of cerebral blood flow by transcranial AC stimulation in mouse. Brain Stimulation. 14 (1), 80-87 (2020).
- Shah, S., Chhatbar, P. Y., Feld, J. A., Feng, W. Integrating tDCS into routine inpatient rehabilitation practice to boost post-stroke recovery. Brain Stimulation. 13 (4), 953-954 (2020).
- Voroslakos, M., et al. Direct effects of transcranial electric stimulation on brain circuits in rats and humans. Nature Communications. 9 (1), 483 (2018).
- Alekseichuk, I., Mantell, K., Shirinpour, S., Opitz, A. Comparative modeling of transcranial magnetic and electric stimulation in mouse, monkey, and human. Neuroimage. 194, 136-148 (2019).
- Tavakoli, A. V., Yun, K. Transcranial alternating current stimulation (tACS) mechanisms and protocols. Frontiers in Cellular Neuroscience. 11, 214 (2017).
- Yavari, F., Jamil, A., Mosayebi Samani, M., Vidor, L. P., Nitsche, M. A. Basic and functional effects of transcranial electrical stimulation (tES)-An introduction. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 85, 81-92 (2018).
- Wachter, D., et al. Transcranial direct current stimulation induces polarity-specific changes of cortical blood perfusion in the rat. Experimental Neurology. 227 (2), 322-327 (2011).
- Han, C. H., et al. Hemodynamic responses in rat brain during transcranial direct current stimulation: A functional near-infrared spectroscopy study. Biomedical Optics Express. 5 (6), 1812-1821 (2014).
- Ayata, C., Lauritzen, M. Spreading depression, spreading depolarizations, and the cerebral vasculature. Physiological Reviews. 95 (3), 953-993 (2015).
- Berenyi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsaki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337 (6095), 735-737 (2012).
- Hoang, K. B., Cassar, I. R., Grill, W. M., Turner, D. A. Biomarkers and stimulation algorithms for adaptive brain stimulation. Frontiers in Neuroscience. 11, 564 (2017).
- Turner, D., A, D. S., Hoffmann, U., Galleffi, F., Colton, C. A. CVN-AD Alzheimer’s mice show premature reduction in neurovascular coupling in response to spreading depression and anoxia compared to aged controls. Alzheimer’s and Dementia. 17 (7), 1109-1120 (2021).
- Colton, C. A., et al. mNos2 deletion and human NOS2 replacement in Alzheimer disease models. Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 73 (8), 752-769 (2014).
- Castano-Prat, P., et al. Altered slow (<1 Hz) and fast (beta and gamma) neocortical oscillations in the 3xTg-AD mouse model of Alzheimer’s disease under anesthesia. Neurobiology of Aging. 79, 142-151 (2019).
- Etter, G., et al. Optogenetic gamma stimulation rescues memory impairments in an Alzheimer’s disease mouse model. Nature Communications. 10 (1), 5322 (2019).
- Iaccarino, H. F., et al. Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature. 540 (7632), 230-235 (2016).
- Martorell, A. J., et al. Multi-sensory gamma stimulation ameliorates Alzheimer’s-associated pathology and improves cognition. Cell. 177 (2), 256-271 (2019).
- Dawson, J., et al. Vagus nerve stimulation paired with rehabilitation for upper limb motor function after ischaemic stroke (VNS-REHAB): A randomised, blinded, pivotal, device trial. Lancet. 397 (10284), 1545-1553 (2021).
- Hacker, M. L., et al. Deep brain stimulation in early-stage Parkinson disease: Five-year outcomes. Neurology. 95 (4), e393-e401 (2020).
- Duun-Henriksen, J., et al. A new era in electroencephalographic monitoring? Subscalp devices for ultra-long-term recordings. Epilepsia. 61 (9), 1805-1817 (2020).
- Haneef, Z., et al. Sub-scalp electroencephalography: A next-generation technique to study human neurophysiology. Clinical Neurophysiology. 141, 77-87 (2022).
