En generel metode til evaluering Deep Brain Stimulation Virkninger på intravenøs Metamfetamin selvadministration

1Department of Neurosurgery, Louisiana State University, 2Department of Pharmacology, Toxicology, and Neuroscience, Louisiana State University
Behavior
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Batra, V., Guerin, G. F., Goeders, N. E., Wilden, J. A. A General Method for Evaluating Deep Brain Stimulation Effects on Intravenous Methamphetamine Self-Administration. J. Vis. Exp. (107), e53266, doi:10.3791/53266 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Metamfetamin er et psykostimulerende, der producerer en intens og langvarig eufori på grund af en akut stigning i synaptiske monoaminer, især dopamin. Metamfetamin afhængighed er en epidemi sundhedsproblem med en anslået 25 til 34 millioner brugere globalt og ingen dokumenteret behandling 1,2. Der er et stort behov for at udvikle nye terapeutiske strategier for metamfetamin afhængighed. Deep brain stimulation (DBS) er en neurokirurgisk procedure, der bruger en hjerne "pacemaker" at normalisere forstyrrende neuronfyring mønstre, der opstår i visse sygdomme, herunder Parkinsons sygdom, dystoni og essentiel tremor 3. Nylige menneskelige tilfælde rapporter tyder på, at DBS også kan være en effektiv behandling for alkohol- og narkotikamisbrug, men prækliniske beviser vedrørende psykostimulerende (f.eks., Kokain, metamfetamin) er begrænset 4-8.

Kontinuerlig deep brain stimulation, som det er Currently praktiseres, kræver ekstraordinære samarbejde fra patienten og hans / hendes familie. Omhyggelig sårpleje og personlig hygiejne er forpligtet til at beskytte den underliggende pacemaker hardware, som er modtagelige for infektion, selv hos patienter, som ikke bruger intravenøse lægemidler med deraf følgende bakteriæmi. Regelmæssig opfølgning af DBS-enheden er også nødvendigt i betragtning af den open loop design af systemet; erfarne læger ændre indstillingerne for moderne DBS at mindske mål symptomer under rutinemæssige klinik udnævnelser 3. Denne behandling paradigme vil være begrænset i kokain og metamfetamin brugere på grund af deres udfordrende psykosociale situationer. Adskillige gnavere undersøgelser har efterlignet denne upraktisk paradigme ved at undersøge DBS virkninger, når behandlingen er leveret kontinuerligt under kokain selvstændige administrative procedurer i lægemiddel-anvendelse miljø 9-11.

Ikke-invasiv diskontinuerte teknikker, som kræver ikke iboende hardware, ligesom transkranielmagnetisk stimulation (TMS), kan være en bedre løsning til behandling af stofbrugslidelser 12. TMS leveres ikke-invasivt at bruge en ekstern headcoil at generere elektriske felter i en bestemt hjerne mål under daglige, intermitterende behandlinger. Den nylige fremkomst af H spole eller "dyb" TMS giver dybere hjernens strukturer, der skal stimuleres, foruden kortikale steder, udvider dets potentielle anvendelse 13,14. Begge behandlingsformer leveres diskontinuerligt under en række sessioner i et andet miljø end brugen primære stof og har vist lovende i både menneskelige og gnavere forsøg for narkotikamisbrug 13,15-17. Vinduet til behandling metamfetamin afhængige patienter vil sandsynligvis være i perioder med ædruelighed såsom retten-mandat rehabilitering, ikke under street binges når de kan opleve voldelig eller uregelmæssig adfærd 18. Som sådan er formålet med denne artikel at beskrive levering af elektrisk stimulation, der er tidsmæssigtog rumligt adskilt fra den lægemiddel-anvendelse miljø, som i højere grad nærmer sig, hvad der er muligt i mennesker, til behandling af IV metamfetamin afhængighed.

Protocol

Alle procedurer er godkendt af LSUHSC Institutional Animal Care og brug Udvalg og blev udført i overensstemmelse med NIH "Principper for laboratoriedyr pleje."

1. gnaver Akklimatisering og fødevarer Begrænsning

  1. Brug voksne Wistar-rotter, der er 3 måneder gammel ved begyndelsen af ​​forsøget. House rotter enkeltvis i bure udstyret med en laminar strømning enhed og luftfilteret i en temperatur- og fugtreguleret, AAALAC-akkrediteret plejefaciliteten på en omvendt 12-timers lys / mørke-cyklus (lys slukket fra 0600 timer).
  2. Giv vand og standard gnaverfoder frit indtil kroppens vægt er ca. 380-400 g. Efterfølgende fødevare- begrænse rotter og holdes ved 85 til 90% af deres frie-fodring kropsvægt i løbet af de eksperimentelle sessioner at lette anskaffelse og vedligeholdelse af respons på methamfetamin.
  3. Håndter gnavere i hjemmet bur værelse dagligt fra ankomst i hele den eksperimentellesessioner i for at registrere kropsvægt og justere fordelingen daglige mad.
  4. Når target vægte opnås, forberede sig på at kirurgisk implantere hver rotte med en kronisk indlagt jugular kateter og intrakranielle stimulerende elektroder.

2. halsvenen kateterisation

  1. Kateter Forberedelse
    1. Der fremstilles en længde silastic-rør 13 cm med en indvendig diameter på 0,012 x 0,025 ", skaber en silikone bold 4 cm fra den ene ende af røret ved hjælp af ekstra silikoneslange og elektrokauterisation, og lad det lufttørre.
    2. Dyp den anden ende af slangen i en limonen-baseret opløsningsmiddel afledt af citrus i et par minutter og tillade at ekspandere. Forbind den ekspanderede slange til en rustfri stål ledekanyle bøjet i en ret vinkel.
    3. Forankre bøjede bunden af ​​rustfrit stål guide kanyle til en 1 "firkant af biokompatible mesh hjælp dental acrylcement.
    4. Skyl kateteret inde og ud med ethanol og destilleret water. Injicer luft gennem slangen for at fjerne resterende væskedråber. Lad det tørre O / N.
  2. Steril teknik
    1. Udfør alle operationer i en dedikeret dyr kirurgisk suite hjælp aseptiske kirurgiske teknikker. Sterilisere instrumenter og implantater under anvendelse af en autoklave og forberede et sterilt område ved at placere vandfast papir på eller bord dækket med en steril håndklæde (s).
    2. Bær sterile handsker og holde alle instrumenter, implantater og kirurgisk gaze på det sterile område under proceduren. Tør hvert instrument med en spritserviet, efterfulgt af 20 sek i en perle sterilisator mellem procedurer, når flere operationer udføres ned.
  3. Anæstesi
    1. Forbehandle rotter med atropin (sulfat) (0,04 mg / kg, sq) efterfulgt af pentobarbital (20 - 50 mg / kg, ip) for at opnå anæstesi.
    2. Injicere dyr med steril penicillin G procaine suspension (75.000 enheder, im) og en smertestillende middel (carprofen, 5 - 10 mg / kg, sc eller kedoprofen, 2 - 5 mg / kg, sc) umiddelbart før kirurgi for at formindske perioperative infektioner og smerter, henholdsvis.
    3. Check for tilstrækkelig anæstesi ved at levere en moderat tå knivspids til dyret, og hvis intet svar opstår, derefter fortsætte. Anvend øjensalve til begge øjne.
  4. Kirurgisk site Forberedelse
    1. Barbere et 2 x 2 cm dorsal plaster på rottens ryg lige posteriort for en linje, der forbinder skulderbladene. Barbere en 1 x 1 cm ventral plaster i den rigtige halsområde mellem kæbeknoglen og brystbenet.
    2. Tør barberede områder med alkoholservietter efterfulgt af betadine løsning. Placer rotte på en steril håndklæde og lad betadin tørre, før du fortsætter.
  5. Kateter Implantation
    1. Lave et snit parallelt med en linje, der forbinder skulderbladene i midscapular region på bagsiden ved hjælp af en 10-kniv. Brug en hæmostat at adskille huden fra det underliggende bindevæv at skabe et plan formesh kateter base. Skyl området med sterilt saltvand og dækkes med steril gaze før dreje rotte på ryggen.
    2. Et diagonalt snit mellem højre kæbeknoglen og brystbenet anvendelse af en 10-kniv. Brug en hæmostat at adskille huden fra det underliggende bindevæv at lokalisere halsvenen. Bemærk: Den halsvene vises hvid / sølv og skinnende og er større hos hanrotter end hos kvinder.
    3. Placer en spatel under vene, binde en 4-0 silke sutur forsigtigt omkring toppen (proksimale del) af den eksponerede vene og skub vene tilbage i nakken.
    4. Adskil bindevævet til at skabe en overfladisk lomme under inferolateral halsskindet men over musklen. Skub en steriliseret trocar fra halsen snit til midscapular indsnit ved tunneling tilbage bag armen og opad. Kør kateteret fra bagsiden til halsen ved at indsætte en stiv ledetråd op gennem trokaren fra halsen ende og ind i den distale kateter. Trækguidewire tilbage gennem til halsen incision og vedlagte distale kateter vil følge.
    5. Isoler højre halsvene over en spatel ved at trække op på den tidligere placeret proksimalt sutur. Brug en bold saks til at lave en lille delvis bortskæring på oversiden af ​​venen.
    6. Indsæt en buet pincet ind i venen snit til at åbne den op. Holde tangen fra hinanden, men i stedet, passerer kateterspidsen mellem tangen tip og ind i venen omkring 2 - 3 cm, hvor det vil afsluttes uden for højre atrium.
    7. Fastgør kateteret ved at binde en 4-0 silkesutur omkring distale vene. Bind de proximale og distale suturer sammen i en "kasse" knude for at tilføje ekstra stabilitet.
    8. Skyl kateter med hepariniseret sterilt saltvand og trække tilbage blod til at bekræfte vellykket implantation. Trim suturerne 1 - 2 mm over knuderne og guf den resterende proksimale kateter under nakken huden. lukke med en passende sutur / metode du vælger. Hvis ikke-absorsandsynligt, suturer eller hæfteklammer bruges, skal de fjernes i 10-14 dage under generel anæstesi. Dæk indsnittet med antibiotisk salve anvendelse af en steril vatpind.
    9. Forankre den distale kateter / vejledning kanyle / mesh forsamling til det subkutane tilbage væv ved hjælp af absorberbare suturer på to af de modstående hjørner af mesh base. Luk bagsiden snit omkring vejledning kanyle hjælp afbrudt, ikke-inverteret absorberbare suturer. Dæk indsnittet med antibiotisk salve anvendelse af en steril vatpind.
  6. Postoperativ pleje
    1. Skyl kateter med hepariniseret 0,9% sterilt saltvand under anvendelse af en 3 ml sprøjte og placere en obturator i ledekanylen at forhindre tilstopning.
    2. Skyl hver rotte s kateter på daglig basis for at opretholde åbenheden.
    3. Umiddelbart efter proceduren placere rotte i sit hjem bur over en varmepude i den kirurgiske suite og observere, indtil bevidstheden og spontan bevægelse tilbage.
    4. Retur den genvundne rotte til kolonien rum og tillade fem til syv dage til at gå, før intrakraniel operation. Afvejes, håndtere og vurdere deres generelle tilstand dagligt, herunder kontrol for infektion og evaluere dyrs adfærd, udseende og aktivitetsniveau.
    5. Konsultere Animal Resources dyrlæge, hvis der opstår problemer, og følg eventuelle anbefalede behandlingsregimer. Injicere dyr med et analgetisk middel (carprofen, 5 - 10 mg / kg, sc eller ketoprofen, 2 - 5 mg / kg, sc) til behandling af smerter perioperative efter behov.

3. Intrakraniel Placering af elektroder

  1. Kirurgisk Forberedelse
    1. Udfør alle operationer under sterile betingelser som beskrevet i afsnit 2.2.
  2. Anæstesi
    1. Placer dyr i en anæstesi induktion kammeret og tilvejebringe isoflurance gasstrøm ind i kammeret ved 1.000 - 2.000 ml / min med forstøveren på 5%.
    2. Når dyret er liggende, fjernes fra kammer etnd sted i næse kegle på polstret stereotaktisk operativsystem platform. Skift gasstrømmen fra kammeret til næsekeglen og køre gas med fordamper til 2 - 3%.
    3. Juster vaporizer efter behov for at opretholde stabile respirations og ingen respons på stimulering under kirurgi.
    4. Injicere rotter med sterilt penicillin G procain suspension (75.000 enheder, im) og et analgetisk middel (buprenorphin 0,05 til 0,5 mg / kg sc) umiddelbart før kirurgi for at formindske perioperative infektioner og smerter, henholdsvis.
    5. Check for tilstrækkelig anæstesi ved at levere en moderat tå knivspids til dyret, og hvis intet svar opstår, derefter fortsætte. Anvend øjensalve til begge øjne.
  3. Kirurgisk site Forberedelse
    1. Barbere toppen af ​​rottens hoved og placere rotten i øre barer at holde sit hoved immobile under proceduren. Tør barberede område med alkoholservietter efterfulgt af betadinopløsning. Lad betadin tørre, før du fortsætter.
  4. Elektrodeimplantation
    1. Tag fat i hovedbunden mellem og lidt anterior til ørerne med pincet og bruge saks til at klippe på tværs af basen. Denne manuveur vil fjerne en 1,5 x 1 cm hudområde over midten af ​​kraniet.
    2. Brug et 10-bladet til at lave en periferisk snit gennem pericranium ned til kraniet og en buet pincet til at skrabe og fjern pericranium. Skyl området med sterilt saltvand, ising overskydende blod og saltvand med gaze, og lade kraniet tørre helt så de knoklet vartegn, herunder bregma, kan tydeligt ses.
    3. For bilateral operation, montere to bipolære platin-iridium elektroder, en i hver elektrode holder på hver side af stereotaktisk drift platform. Flyt første elektrode i position ~ 1 mm over bregma og nedskrive stereotaktiske koordinater for anterior-posterior (AP) og mediale-laterale (ML) positioner, som vil blive vist på det digitale display. Faktisk ikke røre elektrodespidsen til skull fordi elektroden ikke længere vil fungere. Gentag denne procedure for den anden elektrode.
    4. Beregn den endelige AP og ML koordinater baseret på målet struktur af interesse. Flyt elektroden til denne position med spidsen lige over kraniet for at opnå den oprindelige dorsoventral (DV) koordinerer på det digitale display. Beregn den endelige DV dybde baseret på målet struktur af interesse.
      Bemærk: nucleus accumbens Shell blev rettet i dette eksempel givet sin kendte involvering i lægemiddel-consummatory adfærd 8 ved hjælp af følgende stereotaktisk koordinater i forhold til bregma:
      AP post koordinere = [Digital vises koordinere på bregma] + 1.6
      ML post koordinat = [Digitalt vises koordinat på bregma] ± 2,4 til højre / venstre
      DV dybde = [Digital vises koordinere på kraniet overflade hos AP / ML post] - 8,5
    5. Markere forventede post positionen af ​​hver elektrode på overfladen af ​​kraniet med en permanent marker. Undgå at støde eller røre elektrodens spids i løbet af denne manøvre.
    6. Brug en rund bold diamant belagt grat at bore et 1,4 mm hul ved hvert mærke. Pas på ikke at styrte gennem kraniet ind i det intrakranielle hvælving med høj hastighed boremaskine. Brug en buet pincet til at punktere dura når kraniet er boret væk.
    7. Brug en rund bold diamant belagt grat at bore 0,7 mm huller i yderligere fire steder bag elektrode poster for placering af kraniet skruer. Brug en manuel skruetrækker til at placere fire 0,8 (diameter) x 3,2 (længde) mm skruer i rustfrit stål ind i kraniet, to på hver side af midterlinjen. Tæt sikre disse skruer op til omkring halvdelen af ​​deres længde ind i kraniet, fordi de er den store infrastruktur, der vil holde kranie hætte på plads i de kommende uger og måneder.
    8. Sæt forsigtigt den første elektrode gennem sin burrhole ind i hjernen på den beregnede DV dybde ved manuelt at dreje knappen, der styrer Z-koordinatelektrodeholderen. Dreje knappen med en hastighed stort set svarer til 1/2 omdrejning i sekundet for at undgå unødig skade på spidsen af ​​elektroden. Sørg elektrodespidsen ikke rører den benede kant burrhole, når ind i hjernen.
    9. Fastgør første elektrode ved hjælp af superlim overtrukket over burrhole og de posteriore skruer, efterfulgt af dentalcement. Når denne konstruktion er tørret helt, fjernes elektroden ud af holderen. Gentag indføring og cementering fremgangsmåde til anden elektrode. Anvend dentalcement helt op til huden kant, men ikke overlapper med huden, fordi det løsner craniale cement cap lang sigt.
  5. Postoperativ pleje
    1. Placer to støvhætter over elektrode piedestaler for at forhindre tilstopning.
    2. Umiddelbart efter proceduren placere rotte i sit hjem bur over en varmepude i den kirurgiske suite og observere, indtil bevidstheden og spontan bevægelse tilbage.
    3. Retur den genvundne rotte til the koloni værelse og lade fem dage til at gå, før du starter eksperimentet. Afvejes, håndtag, og vurdere rotterne generelle tilstand dagligt, herunder kontrol for infektion og evaluere dyrs adfærd, udseende og aktivitetsniveau.
    4. Konsultere Animal Resources dyrlæge, hvis der opstår problemer, og følg eventuelle anbefalede behandlingsregimer. Injicere dyr med et analgetisk middel (buprenorphin 0,05 til 1 mg / kg sc) til behandling af smerter perioperative efter behov. Intrakraniel blødning kan være mere fremherskende med anvendelsen af ​​ikke-steroide smertestillende medicin (carprofen, 5 - 10 mg / kg, sc eller ketoprofen, 2 - 5 mg / kg, sc) så brug buprenorphin perioperativt for intrakraniel kirurgi.

4. Operant Apparatur

  1. Brug plast og rustfrit stål operant conditioning kamre indeholdt i lyd-formildende kabinetter til at køre de adfærdsmæssige eksperimenter.
  2. Udstyre hver kabinet med en udstødning fan til at levere ventilation og hvid noiSE at maskere udefra kommende lyde.
  3. Brug en personlig computer og en adfærdsmæssig software interface system til at programmere de procedurer og indsamle de eksperimentelle data.
  4. Generelt Set-Up
    1. Udstyre hver forsøgsgruppe kammer med to håndtag respons monteret på en væg af kammeret med en stimulus lys placeret over hvert håndtag. Udpeg en af ​​håndtagene den "aktive" løftestang, så det resulterer i en programmeret konsekvens, når der trykkes.
    2. Programmere en stimulus lys placeret direkte over den aktive respons løftestang til at belyse i løbet af hver operant session, hvilket indikerer tilgængeligheden af ​​lægemidlet.
    3. Har en reaktion på den aktive løftestang resultat i en infusion levering af metamfetamin (0,05 mg / kg / infusion i 100 pi 0,9% NaCl) i løbet af 2,8 sek ledsaget af huset lys på den modsatte væg stået på i 5 sek og stimulus lys går OFF for en 30-sek timeout.
    4. Tæl svar på den aktive arm, men de bør ikke have planlagt konsekvenser under 30 sek timeout periode. Byggetid, bør optage svarene på den inaktive håndtag, men de har ingen planlagte konsekvenser.

5. intravenøs (IV) Metamfetamin selvadministration Procedure

  1. Generelle Forberedelser
    1. Load rotter ind i operantkamre så hurtigt og roligt som muligt for at minimere adfærdsmæssige artefakter. Vedhæft en rustfri stålfjeder snor til vejledningen kanyle på gnaver ryg og en lækage-bevis væske drejelig ophængt over operant kammer.
    2. Sikre integriteten af ​​forbindelsen slangen fra drejeleddet til 20 ml sprøjte lægemiddel i en motordrevet pumpe placeret uden for lyddæmpende kabinet. For at gøre dette, skubbe plast tilslutning slange mindst ¼ af en tomme på metallet drejelig spids og narkotika sprøjte nålespidsen, indtil det ikke vil glide med moderat trækker. Counter-afbalancere svirvel og snor forsamling til at tillade relativt uhæmmet movement af dyret.
    3. Gennemføre operant sessioner på omtrent samme tidspunkt hver dag mandag til fredag.
  2. Erhvervelse
    1. For at lette hurtig overtagelse af IV metamfetamin selvadministration, køre rotter på daglige 6-timers sessioner for fire til fem dage i træk.
    2. Føre disse sessioner på et fast forhold FR-1 + 30 sek tidsplan for reinforcementduring hvor rotter får en infusion af IV metamfetamin for hvert tryk på den aktive arm efterfulgt af en 30 sek timeout (fx ingen cue eller belønne konsekvenser forekomme med at trykke på enten håndtaget). Bemærk: Denne indledende langvarig og "let" access vil resultere i de fleste gnavere erhverver betydelig doping adfærd i mindre end eller lig med en uge (figur 3).
  3. Opretholdelse
    1. I den anden uge af uddannelse, til at køre rotter på daglige 2-timers sessioner mandag til fredag ​​fastholde og forfine IV methamphetamine selvadministration.
    2. Conduct sessioner på et fast forhold mellem FR-1 + 30 sek timeout tidsplan for forstærkning.
    3. Dokument stabilt, intens reagere, når det samlede antal metamfetamin præsentationer på tværs af hver session varierer mindre end 10% for tre på hinanden følgende sessioner (figur 4) og den kumulative antal infusioner over den første 30-min er større end det samlede antal af infusioner under andet 30-min (figur 5). Bemærk: Dette kriterium sikrer, at rotterne udvikle et lægemiddel-loading mønster i begyndelsen af sessionen, der angiver vanedannende adfærd 19 og ikke blot afslappet brug.
  4. Post-Session
    1. Ved afslutningen af ​​hver session, afbryde snor fra gnaver ryg. Skyl kateteret med 0,1 ml 0,9% saltopløsning indeholdende 800 IU streptokinase at forebygge blodpropper. Indsæt et obturator i hver guide kanyle for at forhindre tilstopning før han vendte tilbage rATS til hjemmet bure.
    2. Test åbenheden af ​​katetre umiddelbart efter afslutningen af ​​hver eksperimentel session på onsdage hele forløbet af forsøget.
      1. Forbered en 3 cc sprøjte med en 22 G nål, som indeholder hepariniseret bakteriostatisk saltvand for at teste kateter åbenheden. Sæt den ene ende af en 4 til 6 tommer langt stykke plastrør til nålen og den anden ende til metallet stillingen af ​​katetret-kanyleenheden på dyrets ryg.
      2. Indgyde 0,1 til 0,2 ml saltvand at sikre en klar flow og derefter trække sprøjtestemplet tilbage. Hvis katetret patent, det skal både flush let og trække sig tilbage blod, vil være synlige i slangen. Slip stemplet og tilføre yderligere 0,2 ml at skylle alle blodet tilbage gennem kateteret.
      3. Hvis blodet ikke kan trækkes tilbage, og fjern derefter 3 cc sprøjten og slangen fra metal indlæg.
      4. Forbered en 1 ml sprøjte med en 22 G nål, som indeholder methohexital natrium, et hurtigt virkendebedøvelsesmiddel, til yderligere test kateter åbenheden. Sæt den ene ende af en 4 til 6 tommer langt stykke plastrør til nålen og den anden ende til metallet stillingen af ​​katetret-kanyleenheden på dyrets ryg.
      5. Indgyde 1,5 mg og hurtigt fjerne 1 cc sprøjte og slangen fra metallet post på dyrets ryg. Tilslut 3 cc sprøjte fyldt med hepariniseret bakteriostatisk saltvand og indgyde 0,1 - 0,2 ml. Hvis dyret mister muskeltonus inden for 3 sek, derefter kateteret er patentet og funktionelle.
  5. Se supplerende File "almindelige faldgruber" for en faldgruber afsnit, der omhandler bivirkninger ved metamfetamin, manglende erhvervelse metamfetamin selvadministration, og rotte udvinding vanskeligheder.

6. Apparat hjernestimulation

  1. Brug 10 til 12 plexi-glas kasser (12 x 18 x 18 in) (BxHxD) at køre DBS eksperimenter. Dæk hver kasse på ydersiden med stiv uigennemsigtigpapir, der dækker bagsiden og siderne af boksen for at forhindre rotterne i at se eller interagere med hinanden. Lad klare frontpanel afdækket, så eksaminator kan se dyrene i løbet af stimulation sessioner.
  2. Dække toppen af ​​kasser med en semipermeabel panel, der forhindrer rotterne i at undslippe, samtidig med at luftstrømmen. Brug dette panel til at støtte de kommutatorer, der er placeret over hver boks for at lette den elektriske forbindelse mellem gnaver hoved hætte og stimulering systemet.
  3. Brug en stimulering, der kan levere en konstant strøm til flere samtidige dyr for DBS eksperimenter. Brug et system, der består af en bruger programmerbar digital signalprocessor / kommunikation interface, en stimulator, en stimulator batteri, en kanal splitter boks, og den medfølgende software (se Materialer Sheet).
  4. Brug custom-længde kabler til at forbinde stimulator s kanal porte til den overlegne elektroniske piedestal af hver commutateller. Bemærk: Længden behov vil afhænge af den enkelte laboratorium. Disse kabler er uden for dyret området og behøver ikke at blive dækket i rustfri fjeder.
  5. Slut ringere elektroniske piedestal af kommutatoren til den implanterede elektrode piedestal på gnaver hoved cap hjælp 16 kabler dækket med rustfri fjeder. Sørg for, at kablerne er lange nok til, at den frie bevægelighed for alle områder af kabinettet uden væsentlig spænding på hovedet hætten. Bemærk: Et kabel, der slutter nogenlunde hvor lederen af ​​rotten ville være, når stående på alle fire fødder er normalt tilstrækkelig.
  6. Brain Stimulation Programmering
    1. Brug en personlig computer og programmeringssoftware til at programmere stimuleringsparametre (f.eks bølgeform, frekvens, puls bredde, inter-stimulus forsinkelse, aktuelle amplitude) og indsamle de eksperimentelle data.
    2. Ved hjælp af et visuelt programmeringssprog, angive, hvilke funktioner hver enhed vil udføre for at opfylde de erfamentale endpoints og hvilke data vil blive opbevaret og / eller projekterede til visning i realtid. Kommandoerne, der kører dette projekt er demonstreret i figur 1.
    3. Angive den ønskede frekvens, impulsbredde og amplitude i det synlige kontrolpanel (figur 2) forud for starten af forsøget. Typiske parametre for højfrekvent stimulering i rotter svarer til dem, der anvendes i klinisk human deep brain stimulation: frekvens på 130 til 180 Hz, pulsbredde på 60 til 90 ms, og den aktuelle amplitude på 100 til 250 uA 4,8-10. Bemærk: En lavere strøm anvendes i gnavere på grund af dets reducerede størrelse i forhold til primat.

7. Deep Brain Stimulation Procedure

  1. For at indlæse rotter i kasserne, fastgøre rustfri stålfjeder kabel fra kommutatoren til hver elektrode piedestal på hovedet hætten. Test impedans hver elektrode ved at køre 5 uA af strøm ved en frekvenspå 1.000 Hz til 2 sek.
    1. Hvis impedansen er lig med eller mindre end 125 kOhm derefter fortsætte med forsøget, fordi elektroden er i stand til at levere terapeutisk stimulering. Hvis impedansen er større end 125 kOhm overveje at fjerne dyret fra eksperimentet, fordi elektrodens høj modstand kan trunkere strøm til potentielt sub-terapeutiske niveauer.
  2. Kør rotterne gennem en eller to mock sessioner for tilvænning, hvor de vil blive knyttet til elektroden kablet (r), men ikke modtager nogen aktiv behandling. Mock test vil fjerne eventuelle ikke-specifikke adfærdsmæssige effekter. Umiddelbart efter hver mock session, transportere rotterne til operant kasser for den daglige 2-timers session IV metamfetamin selvadministration.
  3. Counter-balance rotter i to grupper, en aktiv-stimulation og humbug-stimulation kohorte, så baseline narkotika indtag ikke er signifikant forskellig mellem grupperne.
  4. Udfør daglig DBS-sessions på gnaver kohorten i 5 dage, hvor de modtager enten aktiv elektrisk hjernestimulation eller ingen stimulation til 3 timer afhængigt af deres gruppeopgave. Umiddelbart efter hver DBS-session, transport rotter til de operant kasser for den daglige 2-timers session IV metamfetamin selvadministration.
    1. Overhold dyrene omhyggeligt under mindst en del af hver DBS-session for at sikre, at stimulation er ikke forårsager klare ændringer i dyrs adfærd. Hvis der opstår unormale adfærd under / efter stimulering, sørge for at dokumentere disse observationer. Bemærk: Forfatterne har ikke bemærket betydelige adfærdsændringer eller ændringer i mad / vand indtag under forsøget beskrevet i denne artikel.
  5. Ret længden af ​​DBS behandling, de elektriske parametre, og tiden mellem DBS session og operant session efter behov afhængigt af hypotesen.

Representative Results

Efter placering af en IV jugularis kateter og intrakranielle DBS elektroder, kan gnavere med held trænet til selv at administrere IV metamfetamin efter en kort hvileperiode. Figur 3 viser, at rotter vil erhverve og eskalere metamfetamin selvadministration efter 2 dages udvidet adgang til lægemiddel med et gennemsnit på 168 ± 12 infusioner per session ved dag 4.

Rotter derefter flyttet til en daglig 2-timers tidsplan for operant træning af to grunde: 1) for at forhindre metamfetamin toksicitet og alvorlige adfærdsmæssige ændringer med vedvarende, langvarig adgang og 2) at etablere en forholdsvis stabil hastighed reagere der kan manipuleres med forskellige terapeutiske indgreb. Figur 4 viser, at det gennemsnitlige antal samlede infusioner pr korte adgang session end den anden uge er 75 ± 8 og generelt varierer med mindre end 10% dag-til-dag. Figur 5 viser, at rotter develop en øget motivation til at tage medicin som det fremgår af fremkomsten af ​​en "front-loading" mønster af indtagelse ved dag 6 i uddannelse i forhold til dag 1. Når dette udvikler sig, er effekten stort set opretholdes over efterfølgende sessioner (data ikke vist) .

Figur 6 viser, at den bilaterale DBS leveres i ikke-medicinsk miljø resulterede i et markant fald i operant IV methamfetamin selvadministration på tre af fem dage sammenlignet med sham stimuleret gruppe. Den nucleus accumbens skallen var målrettet givet sin kendte involvering i lægemiddel-consummatory adfærd 8 ved hjælp af følgende stereotaktisk koordinater i forhold til bregma (AP + 1,6, DV - 8,5, ML ± 2,4). Stimulation parametre og varighed var løst baseret på tidligere offentliggjorte erfaringer med DBS til behandling af psykiatriske sygdomme 8,20,21, men kan justeres afhængigt af forsøgslederen behov. Fejlsøjler er moderate og ikke alle dage reaCH betydning angiver række reaktioner, der kan ses i adfærdsmæssige vurderinger trods en klar behandlingseffekt. Forøgelse af antallet af rotter per eksperiment kan hjælpe med at kompensere for denne naturlige variation. 11 dyr blev indledningsvis anvendt til dette eksperiment. Et dyr blev aflivet for dårlig fodring postoperativt blev en dyr udelukket på grund af anfald, og en dyr blev udelukket på grund af DBS elektrode fejlfunktion forlader os med i alt 8 dyr (N = 4 Sham, N = 4 aktiv DBS). Generelt starter med omkring 10-12 rotter til hvert forsøg vil give mulighed for en vellykket afslutning.

Figur 1

Figur 1. Visuel Programming Language. Investigator bruger en visuel programmeringssprog, som det viste eksempel, til at designe et program, der kan levere brain stimulation til flere animals samtidigt på brugerindtastede parametre. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2

Figur 2. Visuel kontrolpanelet. Forud for starten af forsøget, investigator angiver den ønskede frekvens, impulsbredde og amplitude på venstre side af en visuel kontrol panel. Her stimulering parametre er: strømstyrke 200 uA; impulsbredde 61 msek; pulsfrekvens 130 Hz. Når stimulering er initieret, bølgeform for den aktive aktuelle levering vises til højre. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3. Erhvervelse af IV Metamfetamin selvadministration. Samlet operant reagere (360 min) blev analyseret ved hjælp af en gentagen-foranstaltninger ANOVA med den daglige session defineret som gentagne foranstaltning. Alle analyser, der var p <0,05 blev betragtet som signifikant. Data er gennemsnit ± standardfejl. Total metamfetamin infusioner i løbet af de daglige 6-timers operant sessioner i løbet af de første fire dage af operant træning. + P <0,05 sammenlignet med sessioner 1 og 2. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4

Figur 4.Vedligeholdelse af IV Metamfetamin selvadministration. Samlet operant reagere (120 min) blev analyseret ved hjælp af en gentagen-foranstaltninger ANOVA med den daglige session defineret som gentagne foranstaltning. Alle analyser, der var p <0,05 blev betragtet som signifikant. Data er gennemsnit ± standardfejl. Total metamfetamin infusioner i løbet af de daglige 2-timers operant sessioner over den anden uge af operant træning, demonstrerer stabil men intens doping adfærd. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5

Figur 5. Udvikling af Motivation til at tage Drug. Operant besvarer spørgsmålene i grønbogen blev i alt hver 15 min for den første time og data blev analyseret ved hjælp af en gentagen migasures ANOVA med hver 15-min kvadrant defineret som den gentagne foranstaltning. Alle analyser, der var p <0,05 blev betragtet som signifikant. Data er gennemsnit ± standardfejl. En "front-loading" mønster ikke er til stede på dag 1 af operant træning, men udvikler sig ved den anden uge, hvilket indikerer en stærk motivation til at tage narkotika. + P <0,05 sammenlignet med 30, 45, og 60 minutter, ++ P <0,05 sammenlignet med 45 og 60 minutter, +++ P <0,05 sammenlignet med 60 min. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6

Figur 6. DBS Virkninger på IV Metamfetamin selvadministration. Samlet operant reagerer i den første time (60 min) blev analyseret ved hjælp af en blandet ANOVA med en betweda emnet variabel for behandling (DBS vs Sham), og en gentagen måling af daglig session. Alle analyser, der var p <0,05 blev betragtet som signifikant. Data er gennemsnit ± standardfejl. Bilateral præ-operant deep brain stimulation væsentligt reduceret antallet af metamfetamin infusioner over de første 60 min af operant reagerer på behandling dage 3, 4 og 7. + P <0,05 sammenlignet med sham-gruppen og baseline reagere. Reaktion vendte tilbage til baseline niveauer efter daglig behandling sluttede. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Selv om de nøjagtige mekanismer for dyb brain stimulation ikke er fuldt karakteriseret, kan DBS effekt for både motor og psykiatriske lidelser skyldes en dynamisk samspil mellem den elektriske terapi og funktion af forskellige subcortical og kortikal hjerneregioner over tid 6,22-26. Mens ikke-betingede metoder metamfetamin levering til gnavere er godt beskrevet 27,28, disse metoder er mest hensigtsmæssigt for diskrete undersøgelser af narkotika farmakokinetik og neurokemiske effekter 27-29. Operant IV narkotika selvadministration, ved at indarbejde et element af motivation for narkotika, er velegnet til studiet af, hvordan elektriske behandlingsformer som DBS interagere med patologiske adfærd over tid. Procedurerne vi beskriver undersøge virkningerne af DBS i ét miljø betingede metamfetaminbrug i et andet miljø.

Der er tre vigtige skridt i vores IV metamfetamin selv-Administration paradigme: 1) Induktion af hurtig anskaffelse og optrapningen af ​​narkotika indtag under lange adgang sessioner, 2) Vedligeholdelse af en stabil, høj indtagelse af lægemidlet under de efterfølgende kort adgang sessioner og 3) Udvikling af en front loading mønster af doping. Dette paradigme kan udføres i en 2 til 3 uger tidsramme med 10 - 12 rotter pr forsøg, som både omkostningseffektiv og velegnet til at teste virkningerne af DBS givet potentielt begrænsede levetid hoved hætter hos gnavere under anvendelse af psyko-stimulanser. Denne procedure, ligesom andre paradigmer, der omfatter en periode med lang adgang 19,30,31 rimelighed simulerer nogle aspekter af stofbrugslidelser; det viser både optrapning af brug og høj motivation for at opnå lægemiddel med tidlig session "drug-loading", som er vigtige aspekter af den menneskelige afhængighed versus rekreativ brug 19,30. Gnavere, der har lang adgang eksponering til IV metamfetamin demonstrere også kognitive mangler 32, Distinkte reaktioner på farmakologisk behandling 33, farmakokinetik 34 og neurokemiske ændringer 35, der er mere ligner mennesker, der lider af kronisk metamfetamin brug uorden end gnavere med kun kort adgang eksponering.

Ligeledes er der tre vigtige skridt i vores deep brain stimulation procedure: 1) Tilvænning til DBS miljø, herunder hovedet tøjr forbindelse for en eller to "mock" sessioner, 2) Daily, intermitterende afgivelse af aktiv stimulering ved hjælp af et kommercielt system, og 3) DBS frakobling og efterfølgende transport til indstillingen lægemidlet. Dette paradigme er designet til at efterligne processen med ikke-invasive behandlinger som TMS snarere end den traditionelle kontinuerlige DBS. Fuldt implanteret, vil programmerbare DBS systemer som dem, der anvendes til fælles bevægelsesforstyrrelser 3 være marginalt muligt for patienter, der lider af psyko-stimulerende afhængighed af flere førnævnte grunde. Intermittent elektriske behandlingsstrategier, der ikke involverer høj risiko kirurgi og efterbehandling, ligesom TMS, kan bedre tilpasset denne patientgruppe. De metoder, vi har beskrevet vil give efterforskerne at udvikle og forfine behandlingsstrategier, der kan ændre narkotikarelateret adfærd, mens der leveres uden af ​​lægemidlet miljø i et begrænset tidsramme. Der er akkumulerende beviser for, at forbigående intrakraniel elektrisk stimulering, der er mønstret efter specifikke neurofysiologiske underskud 23 eller kombineret med systemisk farmakoterapi 36 øve langvarige positive virkninger på psykiatriske og narkotikarelaterede adfærd i flere uger efter behandlingen er ophørt.

Behovet for indledende fremragende kirurgisk teknik og for løbende pleje af flere kirurgiske steder under intens narkotika-brug er de vigtigste begrænsninger i denne metode. Hvis enten IV kateter eller DBS elektroder blive ikke-operationel og / eller inficeret, rotten skalafslutte undersøgelsen. Jugular kateter og intrakraniel elektrode placeringer under streng steril teknik er bedst lært af erfarne efterforskere inden påbegyndelse af disse procedurer selvstændigt.

Denne procedure er modtagelig for adskillige modifikationer og fremtidige undersøgelser, herunder en undersøgelse af:. 1) alternative stimulering parametre (f.eks, - stimulering bølgeform, pulsbredde, frekvens, amplitude), 2) andre potentielle terapeutiske hjerne mål (f.eks - nucleus accumbens. kerne, mediale præfrontale cortex, midthjernen, habenula), 3) forskellige DBS levering mønstre (f.eks -. daglig DBS levering, ugentlig DBS levering, DBS på forskellige intervaller før operant sessioner, DBS før overtagelsen), og, måske mest spændende, 4) kombinationer af kortvarige DBS og farmaceutiske midler, der efterligner optogenetic stimulering af selektive veje og udøver varige adfærdsmæssige ændringer 36.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Rodent operant chambers Med Associates, Inc ENV-008CT Med Associates Inc. PO Box 319 St. Albans, Vermont 05478 USA Phone: (802) 527-2343
Kopf Small Animal Stereotaxic Instrument with Digital Display Console Kopf Instruments Model 940 Kopf Phone: 1-877-352-3275 Fax: 1-818-352-3275 Email: sales@kopfinstruments.net
Z-Series 3-DSP Bioamp Processor Tucker Davis Technologies RZ5D Tucker-Davis Technologies 11930 Research Circle Alachua, FL 32615 USA Ph: 386-462-9622 www.tdt.com
Z-Series 32-Channel Stimulator Tucker Davis Technologies IZ2-32 Software is accompanied by a manual that discusses how to program experiments using the OpenEx platform, which can be accessed here: http://www.tdt.com/files/manuals/OpenEx_User_Guide.pdf
48 Volt LI-ION Battery Pack for IZ2 Stimulator Tucker Davis Technologies LZ48-200
32-Channel Splitter Box for PZ5 Tucker Davis Technologies S-BOX_PZ5
OpenEx Ext Software Package for Multi-Channel Neural Recording Tucker Davis Technologies OpenEx
Platinum-iridium stimulating electrodes Plastics One Inc MS303/8-B/SPC ELECT PT 2C TW .005" Plastics One Inc P.O.Box 21465, S.W. Roanoke, VA 24018, PH 540-772-7950
2-channel cables between stimulator and commutator Plastics One Inc 305-441/2 W/ Spring
2-channel cables between commutator and electrode pedestal Plastics One Inc 305-305 W/ Spring
4-channel commutators Plastics One Inc SL2+2C and SL2+SC/SB

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Panenka, W. J., et al. Methamphetamine use: a comprehensive review of molecular, preclinical and clinical findings. Drug Alcohol Depend. 129, 167-179 (2013).
  2. United Nations Office on Drugs and Crime. World Drug Report 2014. 14, United Nations. (2014).
  3. Miocinovic, S., Somayajula, S., Chitnis, S., Vitek, J. L. History, applications, and mechanisms of deep brain stimulation. JAMA Neurol. 70, 163-171 (2013).
  4. Muller, U. J., et al. Deep brain stimulation of the nucleus accumbens for the treatment of addiction. Ann N Y Acad Sci. 1282, 119-128 (2013).
  5. Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
  6. Pierce, R. C., Vassoler, F. M. Deep brain stimulation for the treatment of addiction: basic and clinical studies and potential mechanisms of action. Psychopharmacology (Berl). 229, 487-491 (2013).
  7. Yadid, G., Gispan, I., Lax, E. Lateral habenula deep brain stimulation for personalized treatment of drug addiction. Front Hum Neurosci. 7, 806 (2013).
  8. Wilden, J. A., et al. Reduced ethanol consumption by alcohol-preferring (P) rats following pharmacological silencing and deep brain stimulation of the nucleus accumbens shell. J Neurosurg. 120, 997-1005 (2014).
  9. Guercio, L. A., Schmidt, H. D., Pierce, R. C. Deep brain stimulation of the nucleus accumbens shell attenuates cue-induced reinstatement of both cocaine and sucrose seeking in rats. Behav Brain Res. 281, 125-130 (2015).
  10. Vassoler, F. M., et al. Deep brain stimulation of the nucleus accumbens shell attenuates cocaine priming-induced reinstatement of drug seeking in rats. J Neurosci. 28, 8735-8739 (2008).
  11. Friedman, A., et al. Electrical stimulation of the lateral habenula produces enduring inhibitory effect on cocaine seeking behavior. Neuropharmacology. 59, 452-459 (2010).
  12. Gorelick, D. A., Zangen, A., George, M. S. Transcranial magnetic stimulation in the treatment of substance addiction. Ann N Y Acad Sci. (2014).
  13. Zangen, A. IS 44. Development and applications of deep rTMS in depression and addiction studies. Clin. Neurophysiol. 124, e53 (2013).
  14. Alba-Ferrara, L. M., Fernandez, F., de Erausquin, G. A. The Use of Neuromodulation in the Treatment of Cocaine Dependence. Addict Disord Their Treat. 13, 1-7 (2014).
  15. Alba-Ferrara, L., Fernandez, F., Salas, R., de Erausquin, G. A. Transcranial Magnetic Stimulation and Deep Brain Stimulation in the treatment of alcohol dependence. Addict Disord Their Treat. 13, 159-169 (2014).
  16. Amiaz, R., Levy, D., Vainiger, D., Grunhaus, L., Zangen, A. Repeated high-frequency transcranial magnetic stimulation over the dorsolateral prefrontal cortex reduces cigarette craving and consumption. Addiction. 104, 653-660 (2009).
  17. Levy, D., et al. Repeated electrical stimulation of reward-related brain regions affects cocaine but not 'natural' reinforcement. J Neurosci. 27, 14179-14189 (2007).
  18. McKetin, R., et al. Does methamphetamine use increase violent behaviour? Evidence from a prospective longitudinal study. Addiction. 109, 798-806 (2014).
  19. Ahmed, S. H., Koob, G. F. Transition from moderate to excessive drug intake: change in hedonic set point. Science. 282, 298-300 (1998).
  20. Hamani, C., et al. Antidepressant-like effects of medial prefrontal cortex deep brain stimulation in rats. Biol Psychiatry. 67, 117-124 (2010).
  21. Laver, B., Diwan, M., Nobrega, J. N., Hamani, C. Augmentative therapies do not potentiate the antidepressant-like effects of deep brain stimulation in rats. J Affect Disord. 161, 87-90 (2014).
  22. Pascoli, V., Turiault, M., Luscher, C. Reversal of cocaine-evoked synaptic potentiation resets drug-induced adaptive behaviour. Nature. 481, 71-75 (2012).
  23. Gazit, T., et al. Programmed deep brain stimulation synchronizes VTA gamma band field potential and alleviates depressive-like behavior in rats. Neuropharmacology. 91, 135-141 (2015).
  24. Mayberg, H. S., et al. Deep brain stimulation for treatment-resistant depression. Neuron. 45, 651-660 (2005).
  25. Heldmann, M., et al. Deep brain stimulation of nucleus accumbens region in alcoholism affects reward processing. PLoS One. 7, e36572 (2012).
  26. de Hemptinne, C., et al. Exaggerated phase-amplitude coupling in the primary motor cortex in Parkinson disease. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 4780-4785 (2013).
  27. Segal, D. S., Kuczenski, R., O'Neil, M. L., Melega, W. P., Cho, A. K. Escalating dose methamphetamine pretreatment alters the behavioral and neurochemical profiles associated with exposure to a high-dose methamphetamine binge. Neuropsychopharmacology. 28, 1730-1740 (2003).
  28. Kuczenski, R., Segal, D. S., Melega, W. P., Lacan, G., McCunney, S. J. Human methamphetamine pharmacokinetics simulated in the rat: behavioral and neurochemical effects of a 72-h binge. Neuropsychopharmacology. 34, 2430-2441 (2009).
  29. Kamei, H., et al. Repeated methamphetamine treatment impairs recognition memory through a failure of novelty-induced ERK1/2 activation in the prefrontal cortex of mice. Biol Psychiatry. 59, 75-84 (2006).
  30. Kitamura, O., Wee, S., Specio, S. E., Koob, G. F., Pulvirenti, L. Escalation of methamphetamine self-administration in rats: a dose-effect function. Psychopharmacology (Berl). 186, 48-53 (2006).
  31. Wee, S., Specio, S. E., Koob, G. F. Effects of dose and session duration on cocaine self-administration in rats. J Pharmacol Exp Ther. 320, 1134-1143 (2007).
  32. Rogers, J. L., De Santis, S., See, R. E. Extended methamphetamine self-administration enhances reinstatement of drug seeking and impairs novel object recognition in rats. Psychopharmacology (Berl). 199, 615-624 (2008).
  33. Kufahl, P. R., et al. Attenuation of methamphetamine seeking by the mGluR2/3 agonist LY379268 in rats with histories of restricted and escalated self-administration. Neuropharmacology. 66, 290-301 (2013).
  34. Hadamitzky, M., Markou, A., Kuczenski, R. Extended access to methamphetamine self-administration affects sensorimotor gating in rats. Behav Brain Res. 217, 386-390 (2011).
  35. Le Cozannet, R., Markou, A., Kuczenski, R. Extended-access, but not limited-access, methamphetamine self-administration induces behavioral and nucleus accumbens dopamine response changes in rats. Eur J Neurosci. 38, 3487-3495 (2013).
  36. Creed, M., Pascoli, V. J., Luscher, C. Addiction therapy. Refining deep brain stimulation to emulate optogenetic treatment of synaptic pathology. Science. 347, 659-664 (2015).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics