גישה חדשנית להעריך תוצאה מנוע של אפקטים גירוי מוחי עמוק בתוך עכברוש Hemiparkinsonian: המדרגות צילינדר מבחן
Summary
Deep brain stimulation (DBS) is an effective treatment option for Parkinson’s disease. We established a study design to screen novel stimulation paradigms in rats. The protocol describes the use of the staircase test and cylinder test for motor outcome assessment in DBS treated hemiparkinsonian rats.
Abstract
גירוי מוחי עמוק של גרעין subthalamic הוא אפשרות טיפול יעילה לטיפול במחלת הפרקינסון. במעבדה שלנו הקמנו פרוטוקול להקרין דפוסי עצביים שונים hemiparkinsonian חולדות (חד-צדדי lesioned). הוא מורכב יוצרי הגידול של חד-הצדדית פרקינסון באמצעות הזרקת 6-hydroxydopamine (6-OHDA) לתוך צרור המוח הקדמי התקין המדיאלי, השתלת אלקטרודות גירוי כרוניות לתוך גרעין subthalamic והערכת תוצאות מנועות בסוף 24 תקופות hr של עצבי חיצוני נכנס כבל . הגירוי נערך עם גירוי זרם קבוע. משרעת נקבע 20% מתחת לסף הבודד עבור תופעות לוואי. הערכת תוצאת המנוע נעשתה על ידי הערכת שימוש כפה ספונטנית במבחן הגליל פי Shallert ועל ידי ההערכה מיומנת להגיע במבחן המדרג פי מונטויה. פרוטוקול זה מתאר בפירוט את האימון בתיבת המדרגות, גylinder בדיקה, כמו גם את השימוש בשני בחולדות hemiparkinsonian. השימוש בשני המבחנים יש צורך, כי המבחן המדרגות נראה יותר רגיש לירידת ערך מיומנות מוטורית עדינה ותערוכות רגישות רבה יותר לשנות במהלך עצבי. השילוב של מודל פרקינסון חד-הצדדי ושתיים הבדיקות התנהגותיות מאפשר הערכת פרמטרי גירוי שונים בדרך אחידה.
Introduction
גירוי מוחי עמוק של גרעין subthalamic (STN) הוא אפשרות טיפול יעילה להפרעות מחל 1 ותנועה אחרת פרקינסון. המנגנונים שבבסיס עדיין לא הובנו בצורה גרועות בכמה גורמים אבל תכונת מפתח היא האפנון של פעילות רשת עצבית על ידי שלילת קוטביות חוזרת של אקסונים בקרבת האלקטרודה ממגרת 2-4. בתדר גבוה (> 100 הרץ) גירוי נדרש עבור השפעה חיובית ברוב מטרות מוח ועבור רוב הסימנים של DBS. תופעות לוואי של תוצאת גירוי מוחי עמוק מן coactivation המכוונת של סיבים אחרים, אשר מכוסים על ידי נפח הגירוי ואשר המשרתות פונקציות שונות, כגון מערכת הפירמידה. לפיכך, רצוי לפתח פרמטרי גירוי, אשר מעדיפים להפעיל אלמנטים עצביים מועילים, תוך הימנעות coactivation של אלמנטי תופעת לוואי 5,6. למרות לנוירופיזיולוגיה עשוי להציע tuni בסדר כזהאפשרויות ng של DBS, להתקדמות המדעית היו מינימאליות במהלך שני העשורים האחרונים, כי אסטרטגיות תכנות כבר העריכו בעיקר על ידי "ניסוי וטעייה" בחולים מוגבלים על ידי אפשרויות תכנות המוגבלות של מכשירי DBS זמינים מסחרי, ולא באמצעות תובנה הנוירופיזיולוגיים והגדיר הגדרות ניסיוניות לחקור את חלל פרמטר המלא באופן שיטתי.
כדי להתגבר על מחסום translational במחקר DBS שאנו מציעים פרוטוקול להקרין פרמטרי גירוי חלופיים במודלים של מכרסמים של פרקינסון לפני חיפושים קליניים. מחלת פרקינסון חד-צדדי בחולדות היא מודל באמצעות זריקות 6-hydroxydopamine לתוך צרור המוח הקדמי המדיאלי התקין 7,8. הנגע וכתוצאה מכך, מתואר בפירוט רב יותר כמו hemiparkinsonian, נבחן במבחן הידרוכלורידי ידי הערכה של סיבוב ציון לאחר הזרקה הידרוכלורידי במינון נמוך ואשר פוסט מורטם ידי immunohist hydroxylase טירוזיןochemistry. השיטה קלה ליישום מאוד לשחזור, בעוד נושאת תמותה ותחלואה נמוכה. גירעונות המנוע וכתוצאה מכך הם מאוד דיסקרטיים 7,8; חי תערוכת ליקוי קל של כף רגל השמאל הנגדית במהלך אחיזת חיפושים ספונטניים הוא ומורכב התנהגות 9,10.
כדי להעריך את מידת היעילות של פרוטוקולי גירוי עמוקים במוח בדיקות נדרשות המאפשרים מדידים שינוי מהיר ואמין בביצועי מנוע ניתן לחזור לאורך זמן עם הגדרות עצביות שונות. כמה קבוצות הציעו גישות גירוי שונות ובדיקות שונות על מנת להעריך את התפקודים המוטוריים בחולדות 11 עם תוצאות משתנות ובלתי עקביות מאוד 11-14. זה אלץ אותנו לבחור סדרה של בדיקות עם גבוהה לחזות תוקף משלים. בנוסף, להערכת התוצאה המנוע בתנאים גירוי מוחי עמוק, בדיקות הועדפו אשר יכול להתבצע על ידי Aniיונקים מחוברים באמצעות כבל אל הגנרטור הגירוי. למטרות אלה הקמנו סוללת הבדיקה שלנו המורכב מבחן אחד באסימטריה כפה שימוש ולבדוק אחד להגעה מיומנת. מערך המחקר מתואר באיור 1.
לשימוש כפה ספונטנית ביצענו את הבדיקה גליל שתיאר Shallert 15, שהוא מבחן בשימוש נרחב לשימוש כפה במהלך פעילות חיפוש אנכי. אין הכשרה של החיה נדרשת. להערכת התנהגות אחיזה מורכבת יותר הקמנו את הבדיקה המדרגת פי מונטויה 16. הפרוטוקול שלנו משתנה בהתאם Kloth 17. החולדות מאומנות לתקופה של שנתי עשרה ימים להגיע כדורים מתיבת הבדיקה. לאחר תקופת הכשרת המבחן יכול להיות מיושם על מנת למדוד את התנהגות האחיזה המורכבת על ידי ספירת שיעור ההצלחה מתואר במספר הכדוריות אכלו. המאמר מציג את האימון המפורט בתיבה המדרגת וכן את הביצועים של השנייה ביהבדיקות avioral תחת נאיבי, hemiparkinsonian ותנאי גירוי מוחי עמוק.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מתאר פרוטוקול אימונים מפורט עבור בדיקת גליל מדרגות. זה האחרון נועד להעריך את התנהגות אחיזה מורכבת ותנועת מוטוריקה עדינה בשל מיומן לכת חולדות 16,17. מדידת התוצאה מבוטאת במספר הכדוריות אכלו במהלך הבדיקה, אשר מהווה מדד אובייקטיבי. הפרוטוקול ניתן להשתמש במוד…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by Interdisziplinäres Zentrum für Klinische Forschung (IZKF), University Clinics Würzburg, Germany (project N-215).
Materials
| Staircase box witout lid | Glas Keil, Germany | custom made | |
| Cylinder box | Glas Keil, Germany | custom made | |
| Dustless precision pellets, 45 mg | Bio Serv | F0021 |
References
- Fasano, A., Lozano, A. M. Deep brain stimulation for movement disorders: 2015 and beyond. Current opinion in neurology. , (2015).
- McIntyre, C. C., Savasta, M., Kerkerian-Le Goff, L., Vitek, J. L. Uncovering the mechanism(s) of action of deep brain stimulation: activation, inhibition, or both. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 115, 1239-1248 (2004).
- Deniau, J. M., Degos, B., Bosch, C., Maurice, N. Deep brain stimulation mechanisms: beyond the concept of local functional inhibition. The European journal of neuroscience. 32, 1080-1091 (2010).
- Modolo, J., Legros, A., Thomas, A. W., Beuter, A. Model-driven therapeutic treatment of neurological disorders: reshaping brain rhythms with neuromodulation. Interface focus. 1, 61-74 (2011).
- Groppa, S., et al. Physiological and anatomical decomposition of subthalamic neurostimulation effects in essential tremor. Brain : a journal of neurology. 137, 109-121 (2014).
- Reich, M. M., et al. Short pulse width widens the therapeutic window of subthalamic neurostimulation. Annals of clinical and translational neurology. 2, 427-432 (2015).
- Blandini, F., Armentero, M. T., Martignoni, E. The 6-hydroxydopamine model: news from the past. Parkinsonism & related disorders. 14, 124-129 (2008).
- Bove, J., Perier, C. Neurotoxin-based models of Parkinson’s disease. 神经科学. 211, 51-76 (2012).
- Metz, G. A., Tse, A., Ballermann, M., Smith, L. K., Fouad, K. The unilateral 6-OHDA rat model of Parkinson’s disease revisited: an electromyographic and behavioural analysis. The European journal of neuroscience. 22, 735-744 (2005).
- Miklyaeva, E. I., Castaneda, E., Whishaw, I. Q. Skilled reaching deficits in unilateral dopamine-depleted rats: impairments in movement and posture and compensatory adjustments. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 14, 7148-7158 (1994).
- Li, X. H., et al. High-frequency stimulation of the subthalamic nucleus restores neural and behavioral functions during reaction time task in a rat model of Parkinson’s disease. Journal of neuroscience research. 88, 1510-1521 (2010).
- Darbaky, Y., Forni, C., Amalric, M., Baunez, C. High frequency stimulation of the subthalamic nucleus has beneficial antiparkinsonian effects on motor functions in rats, but less efficiency in a choice reaction time task. The European journal of neuroscience. 18, 951-956 (2003).
- Fang, X., Sugiyama, K., Akamine, S., Namba, H. Improvements in motor behavioral tests during deep brain stimulation of the subthalamic nucleus in rats with different degrees of unilateral parkinsonism. Brain research. 1120, 202-210 (2006).
- Lindemann, C., Krauss, J. K., Schwabe, K. Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus in the 6-hydroxydopamine rat model of Parkinson’s disease: effects on sensorimotor gating. Behavioural brain research. 230, 243-250 (2012).
- Schallert, T., Fleming, S. M., Leasure, J. L., Tillerson, J. L., Bland, S. T. CNS plasticity and assessment of forelimb sensorimotor outcome in unilateral rat models of stroke, cortical ablation, parkinsonism and spinal cord injury. Neuropharmacology. 39, 777-787 (2000).
- Montoya, C. P., Campbell-Hope, L. J., Pemberton, K. D., Dunnett, S. B. The ‘staircase test’: a measure of independent forelimb reaching and grasping abilities in rats. Journal of neuroscience. 36, 219-228 (1991).
- Kloth, V., Klein, A., Loettrich, D., Nikkhah, G. Colour-coded pellets increase the sensitivity of the staircase test to differentiate skilled forelimb performances of control and 6-hydroxydopamine lesioned rats. Brain research bulletin. 70, 68-80 (2006).
- Fluri, F., Volkmann, J., Kleinschnitz, C. Microelectrode guided implantation of electrodes into the subthalamic nucleus of rats for long-term deep brain stimulation. JoVE. , (2015).
- Paxinos, G., Watson, C. . The rat brain in stereotactic coordinates. , (2008).
- Nikkhah, G., Rosenthal, C., Hedrich, H. J., Samii, M. Differences in acquisition and full performance in skilled forelimb use as measured by the ‘staircase test’ in five rat strains. Behavioural brain research. 92, 85-95 (1998).
- Angelov, S. D., Dietrich, C., Krauss, J. K., Schwabe, K. Effect of Deep Brain Stimulation in Rats Selectively Bred for Reduced Prepulse Inhibition. Brain stimulation. , (2014).
- de Haas, R., et al. Wireless implantable micro-stimulation device for high frequency bilateral deep brain stimulation in freely moving mice. Journal of neuroscience methods. 209, 113-119 (2012).
- Heo, M. S., et al. Fully Implantable Deep Brain Stimulation System with Wireless Power Transmission for Long-term Use in Rodent Models of Parkinson’s Disease. Journal of Korean Neurosurgical Society. 57, 152-158 (2015).
- Gut, N. K., Winn, P. Deep brain stimulation of different pedunculopontine targets in a novel rodent model of parkinsonism. J. Neurosci. 35, 4792-4803 (2015).
- Whishaw, I. Q., Gorny, B., Foroud, A., Kleim, J. A. Long-Evans and Sprague-Dawley rats have similar skilled reaching success and limb representations in motor cortex but different movements: some cautionary insights into the selection of rat strains for neurobiological motor research. Behavioural brain research. 145, 221-232 (2003).
- Honndorf, S., Lindemann, C., Tollner, K., Gernert, M. Female Wistar rats obtained from different breeders vary in anxiety-like behavior and epileptogenesis. Epilepsy research. 94, 26-38 (2011).
- Jadavji, N. M., Metz, G. A. Sex differences in skilled movement in response to restraint stress and recovery from stress. Behavioural brain research. 195, 251-259 (2008).
- Kucker, S., Tollner, K., Piechotta, M., Gernert, M. Kindling as a model of temporal lobe epilepsy induces bilateral changes in spontaneous striatal activity. Neurobiology of disease. 37, 661-672 (2010).
- Smith, L. K., Metz, G. A. Dietary restriction alters fine motor function in rats. Physiology & behavior. 85, 581-592 (2005).
