Voorbereiding van perifere zenuwstimulatie elektroden voor chronische implantatie bij ratten
Summary
Bestaande benaderingen voor de bouw van chronisch implanteerbare perifere zenuwboektroden voor gebruik bij kleine knaagdieren vereisen vaak gespecialiseerde apparatuur en/of hoog opgeleid personeel. In dit protocol demonstreren we een eenvoudige, goedkope aanpak voor het fabriceren van chronisch implanteerbare manchetelektrodes en tonen we hun effectiviteit voor nervusstimulatie (VNS) bij ratten.
Abstract
Perifere zenuwboekelektrodes worden al lang gebruikt in de neurowetenschappen en aanverwante gebieden voor stimulatie van bijvoorbeeld vagus- of heupzenuwen. Verschillende recente studies hebben aangetoond dat de effectiviteit van chronische VNS in het verbeteren van het centrale zenuwstelsel plasticiteit om motorische revalidatie, uitsterven leren, en zintuiglijke discriminatie te verbeteren. De bouw van chronisch implanteerbare apparaten voor gebruik in dergelijke studies is een uitdaging vanwege de kleine omvang van ratten, en typische protocollen vereisen uitgebreide training van personeel en tijdrovende microfabricagemethoden. Als alternatief kunnen commercieel verkrijgbare implanteerbare manchetelektrodes tegen aanzienlijk hogere kosten worden aangeschaft. In dit protocol presenteren we een eenvoudige, goedkope methode voor de bouw van kleine, chronisch implanteerbare perifere zenuwboektroden voor gebruik bij ratten. We valideren de korte en lange termijn betrouwbaarheid van onze manchetelektroden door aan te tonen dat VNS in ketamine/xylazine verdoofde ratten een afname van de ademhaling produceert in overeenstemming met de activering van de Hering-Breuer reflex, zowel op het moment van implantatie als tot 10 weken na implantatie van het apparaat. Verder tonen we de geschiktheid van de manchetelektroden voor gebruik in chronische stimulatiestudies aan door VNS te koppelen aan ervaren hefboompersprestaties om motorische kaartplasticiteit te induceren.
Introduction
Onlangs is de vraag naar chronisch implanteerbare manchetelektrode voor stimulatie van perifere zenuwen toegenomen, omdat studies steeds vaker het preklinische nut van deze techniek voor de behandeling van talrijke ontstekingsziektenaantonen 1,2,3 en neurologische aandoeningen4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Zo is aangetoond dat chronische VNS de neocorticale plasticiteit in verschillende leercontexten verbetert, de motorische revalidatieverbetert 4,5,6,7,8,extinction learning10,11,12,13,14en sensorische discriminatie15. Commercieel beschikbare perifere zenuw manchetelektrodes worden vaak geassocieerd met langere tijden voor orderafhandeling en relatief hoge kosten, die hun toegankelijkheid kunnen beperken. Als alternatief blijven protocollen voor “in-house” fabricage van chronisch implanteerbare manchetelektrodes beperkt en de anatomie van knaagdieren stelt bijzondere uitdagingen voor vanwege hun kleine omvang. De huidige protocollen voor de bouw van manchetelektrodegen voor chronische knaagdierexperimenten vereisen vaak het gebruik van complexe apparatuur en technieken, evenals uitgebreid opgeleid personeel. In dit protocol demonstreren we een vereenvoudigde benadering van manchetelelektrodefabricage op basis van eerder gepubliceerde en veelgebruikte methoden16,17. We valideren de functionaliteit van onze chronisch geïmplanteerde elektroden bij ratten door aan te tonen dat, op het moment van manchetimplantatie rond de linker cervicale vaguszenuw, stimulatie toegepast op de manchetelektroden met succes een stopzetting van de ademhaling en daling van SpO2 veroorzaakte. Stimulatie van afferent longreceptor vagalvezels is bekend dat de Hering-Breuer reflex, waarbij de remming van verschillende ademhalingskernen in de hersenstam resulteert in de onderdrukking inspiratie18. Zo, stopzetting van de ademhaling in overeenstemming met de Hering-Breuer reflex, en de resulterende daling van SpO2, bieden een eenvoudige test voor een goede elektrode implantatie en manchet functie bij verdoofde ratten. Om de langetermijnfunctionaliteit van chronisch geïmplanteerde manchetelektrodes te valideren, werden reflexreacties gemeten op het moment van implantatie en vergeleken met de reacties die bij dezelfde dieren zes weken na de implantatie werden verkregen. Een tweede groep ratten werd geïmplanteerd met VNS manchetelektrodes na gedragstraining op een hefboom drukkende taak. Bij deze ratten produceerde VNS in combinatie met de juiste taakprestaties een reorganisatie van de corticale motorkaart , in overeenstemming met eerder gepubliceerde studies19,20,21,22. Op het moment van motorische corticale mapping onder narcose, die 5-10 weken na implantatie van het apparaat plaatsvond, hebben we de manchetfunctie bij met VNS behandelde dieren verder gevalideerd door te bevestigen dat VNS met succes een stopzetting van de ademhaling en een daling van meer dan 5% in SpO2veroorzaakte.
De onlangs gepubliceerde protocollen van Childs et al.17 en Rios et al.16 bieden een goed gevalideerd uitgangspunt voor een vereenvoudigde manchetelelektrodefabricatiebenadering, aangezien deze populaire methode is gebruikt door meerdere laboratoria die chronische VNS-onderzoeken uitvoeren bij knaagdieren1,2,3,4,5,6,7,8,99,10,11. De oorspronkelijke methode omvat verschillende hoge precisie stappen voor het manipuleren van de fijne microdraden zodanig dat manchetelelektrode fabricage duurt meer dan een uur in beslag, en uitgebreide training om betrouwbaar uit te voeren. De hier beschreven vereenvoudigde aanpak vereist aanzienlijk minder materialen en gereedschappen en kan in minder dan een uur worden voltooid door minimaal opgeleid personeel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier beschrijven we een eenvoudige, goedkope aanpak voor de assemblage van chronisch implanteerbare stimulerende manchetelektrodes voor gebruik bij knaagdieren, waardoor preklinische onderzoeken van deze opkomende therapie worden vergemakkelijkt. Deze vereenvoudigde methode vereist geen gespecialiseerde opleiding of apparatuur, en maakt gebruik van een klein aantal tools en benodigdheden die gemakkelijk toegankelijk zijn voor de meeste onderzoekslaboratoria, waardoor zowel de monetaire als de arbeidskosten van de product…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door de Universiteit van Texas in Dallas en de UT Board of Regents. Wij danken Solomon Golding, Bilaal Hassan, Marghi Jani en Ching-Tzu Tseng voor technische bijstand.
Materials
| Biocompatible polyurethane-based polymer tubing, 0.080" OD x 0.040" ID | Braintree Scientific | MRE080 36 FT | |
| Dissecting microscope | AM Scopes | #SM-6T-FRL | |
| Fine Serrated Scissors, straight, 22mm cutting edge | Fine Science Tools | #14058-09 | for cutting Pt/Ir wire and suture thread |
| Forceps, #5 Dumont forceps, straight, 11 cm, 0.1 x 0.06 mm tip | Fine Science Tools | #11626-11 | |
| Forceps, ceramic tipped forceps, 0.3 mm x 30 mm tips | Electron Microscopy Sciences | #78127-71 | |
| Gold Pins, PCB Press Fit Socket | Mill-Max | #1001-0-15-15-30-27-04-0 | or similar small pins for connecting cuff leads to headcap |
| Isobutane lighter | BIC | #LCP21-AST | for de-insulating Pt/Ir wire |
| Micro strip connector with latch, 4-pin | Omnetics | A24002-004 / PS1-04-SS-LT | |
| Pipette tip, 10 uL | VWR | 89079-464 | |
| Platinum-Iridium (90/10%) Wire, 0.001" (diameter) x 9 strands, PTFE insulated | Sigmund Cohn | 10IR9/49T | |
| Razor Blade, Single Edge, Surgical Carbon Steel No.9 | VWR | #55411-050 | for cutting MicroRenathane tubing |
| Sewing needle, ca. 4.0 cm length x 0.7 mm diameter (size 6-7) | Singer | 00276 | Smaller needle for threading Pt/Ir wire |
| Sewing needle, ca. 4.5 cm length x 0.8 mm diameter (size 2-3) | Singer | 00276 | Larger needle for pinning cuff during assembly and for threading suture |
| Small foam board | Juvo+/Amazon | B07C9637SJ | for fabrication platform; our dimensions are ca. 2.5" x 3.5" x 1" (L x W x H) |
| Solder, multicore lead-free, 0.38mm diameter | Loctite/Multicore | #796037 | |
| Soldering station | Weller | WES51 | or similar soldering iron compatible with long conical tips (this part has been discontinued) |
| Soldering tip, long conical, 0.01" / 0.4 mm | Weller | 1UNF8 | |
| Suture, nonabsorbable braided silk ,size 6/0 | Fine Science tools | #18020-60 | |
| UV (405 nm) spot light | Henkel/Loctite | #2182207 | |
| UV Light Cure Adhesive 25 ml | Henkel/Loctite | AA 3106 | or similar biocompatible UV cure adhesive |
| Wire wrapping wire, 30 AWG | Digikey | K396-ND |
Referencias
- Koopman, F. A., et al. Vagus nerve stimulation inhibits cytokine production and attenuates disease severity in rheumatoid arthritis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2016).
- Levine, Y. A., et al. Neurostimulation of the cholinergic anti-inflammatory pathway ameliorates disease in rat collagen-induced arthritis. PLoS One. , (2014).
- Zhang, Y., et al. Chronic vagus nerve stimulation improves autonomic control and attenuates systemic inflammation and heart failure progression in a canine high-rate pacing model. Circulation: Heart Failure. , (2009).
- Ganzer, P. D., et al. Closed-loop neuromodulation restores network connectivity and motor control after spinal cord injury. Elife. , (2018).
- Hays, S. A., et al. Vagus nerve stimulation during rehabilitative training enhances recovery of forelimb function after ischemic stroke in aged rats. Neurobiology of Aging. , (2016).
- Khodaparast, N., et al. Vagus nerve stimulation delivered during motor rehabilitation improves recovery in a rat model of stroke. Neurorehabilitation and Neural Repair. , (2014).
- Meyers, E. C., et al. Vagus nerve stimulation enhances stable plasticity and generalization of stroke recovery. Stroke. , (2018).
- Hays, S. A., et al. Vagus nerve stimulation during rehabilitative training improves functional recovery after intracerebral hemorrhage. Stroke. , (2014).
- Farrand, A., et al. Vagus nerve stimulation improves locomotion and neuronal populations in a model of Parkinson’s disease. Brain Stimulationation. , (2017).
- Souza, R. R., et al. Vagus nerve stimulation reverses the extinction impairments in a model of PTSD with prolonged and repeated trauma. Stress. , (2019).
- Noble, L. J., Souza, R. R., McIntyre, C. K. Vagus nerve stimulation as a tool for enhancing extinction in exposure-based therapies. Psychopharmacology. , (2019).
- Childs, J. E., Kim, S., Driskill, C. M., Hsiu, E., Kroener, S. Vagus nerve stimulation during extinction learning reduces conditioned place preference and context-induced reinstatement of cocaine seeking. Brain Stimulationation. , (2019).
- Peña, D. F., Engineer, N. D., McIntyre, C. K. Rapid remission of conditioned fear expression with extinction training paired with vagus nerve stimulation. Biological Psychiatry. , (2013).
- Childs, J. E., DeLeon, J., Nickel, E., Kroener, S. Vagus nerve stimulation reduces cocaine seeking and alters plasticity in the extinction network. Learning & Memory. , (2017).
- Engineer, C. T., et al. Temporal plasticity in auditory cortex improves neural discrimination of speech sounds. Brain Stimulationation. , (2017).
- Rios, M., et al. Protocol for Construction of Rat Nerve Stimulation Cuff Electrodes. Methods Protoc. , (2019).
- Childs, J. E., et al. Vagus nerve stimulation as a tool to induce plasticity in pathways relevant for extinction learning. Journal of Visualized Experiments. , (2015).
- Paintal, A. S. Vagal sensory receptors and their reflex effects. Physiological reviews. , (1973).
- Porter, B. A., et al. Repeatedly Pairing Vagus Nerve Stimulation with a Movement Reorganizes Primary Motor Cortex. Cerebral Cortex. 22, 2365-2374 (2011).
- Morrison, R. A., et al. Vagus nerve stimulation intensity influences motor cortex plasticity. Brain Stimulationation. , (2018).
- Hulsey, D. R., et al. Norepinephrine and serotonin are required for vagus nerve stimulation directed cortical plasticity. Exp. Neurol. , (2019).
- Hulsey, D. R., et al. Reorganization of Motor Cortex by Vagus Nerve Stimulation Requires Cholinergic Innervation. Brain Stimulation. 9, 174-181 (2016).
- Bouverot, P., Crance, J. P., Dejours, P. Factors influencing the intensity of the breuer-hering inspiration-inhibiting reflex. Respiration Physiology. , (1970).
- Fialova, E., Vizek, M., Palecek, F. Inflation reflex in the rat. Physiologia Bohemoslov. , (1975).
- Hays, S. A., et al. The bradykinesia assessment task: An automated method to measure forelimb speed in rodents. Journal of Neuroscience Methods. , (2013).
- Kim, H., et al. Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing. Journal of Neuroscience Methods. , (2020).
- González-González, M. A., et al. Thin Film Multi-Electrode Softening Cuffs for Selective Neuromodulation. Scientific Reports. , (2018).
- Thakur, R., Nair, A. R., Jin, A., Fridman, G. Y. Fabrication of a Self-Curling Cuff with a Soft, Ionically Conducting Neural Interface. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS. , (2019).
- Bucksot, J., et al. Flat electrode contacts for vagus nerve stimulation. PLoS One. 14, (2019).
- El Tahry, R., et al. Repeated assessment of larynx compound muscle action potentials using a self-sizing cuff electrode around the vagus nerve in experimental rats. Journal of Neuroscience Methods. , (2011).
- Bonaz, B., Sinniger, V., Pellissier, S. Anti-inflammatory properties of the vagus nerve: potential therapeutic implications of vagus nerve stimulation. Journal of Physiology. , (2016).
