Trap en Cilinder Test: een nieuwe benadering voor Motor Resultaat van Deep Brain Stimulation Effecten op het Hemiparkinsonian Rat Assess
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
Diepe hersenstimulatie van de subthalamische nucleus is een effectieve behandeling voor de ziekte van Parkinson. In ons lab hebben we een protocol om verschillende neurostimulatie patronen te screenen in hemiparkinsonian (eenzijdige laesie) ratten. Het bestaat uit het creëren van laesies eenzijdige Parkinson door injectie van 6-hydroxydopamine (6-OHDA) in de rechter mediale voorhersenbundel, implanteren chronische stimulering elektroden in de nucleus subthalamicus en evalueren motor resultaten eind 24 uur periode kabelgebonden externe neurostimulatie . De stimulatie werd uitgevoerd met constante stroom stimulatie. De amplitude is ingesteld onder de individuele drempel voor bijwerkingen 20%. De evaluatie motorische uitkomst werd gedaan door de beoordeling van de spontane poot gebruik in de cilinder-test volgens Shallert en door de beoordeling van geschoolde bereiken in het trappenhuis proef volgens Montoya. Dit protocol beschrijft in detail de training in de doos trap, de cylinder test, alsmede het gebruik van zowel hemiparkinsonian ratten. Het gebruik van beide tests is nodig, want de trap-test lijkt gevoeliger voor fijne motorische vaardigheden stoornis te zijn en vertoont een grotere gevoeligheid te veranderen tijdens neurostimulatie. De combinatie van de eenzijdige Parkinson model en de twee gedragstesten maakt de beoordeling van de verschillende stimulatie parameters op een gestandaardiseerde manier.
Introduction
Diepe hersenstimulatie van de subthalamische nucleus (STN) is een effectieve behandeling voor de ziekte 1 en andere bewegingsstoornissen Parkinson. De onderliggende mechanismen zijn nog slecht begrepen en multifactorieel, maar een belangrijk kenmerk is de modulatie van neuronale netwerkactiviteit door repeterende depolarisatie van neuronen in de nabijheid van de stimulerende elektrode 2-4. Hoge-frequentie (> 100 Hz) stimulatie is nodig om een gunstig effect in de meeste doelen hersenen en voor de meeste indicaties van DBS. Bijwerkingen van diepe hersenstimulatie gevolg van onbedoelde coactivation andere vezels, die onder de stimulatie volume en die bevordelijk verschillende functies, zoals de piramidebaan. Daarom zou het wenselijk zijn om stimulatieparameters, die bij voorkeur gunstig neurale elementen activeren ontwikkelen, maar vermijdt de coactivation neveneffect elementen 5,6. Hoewel neurofysiologie dergelijke fijne Tuni kunnen aanbiedenng opties van DBS, heeft de wetenschappelijke vooruitgang minimaal geweest gedurende de laatste twee decennia, omdat programmeringsstrategieën hebben voornamelijk met "trial and error" bij patiënten geëvalueerd en beperkt door de beperkte programmeringsopties van commercieel verkrijgbare DBS-apparaten, in plaats van neurofysiologische inzicht en experimentele instellingen gedefinieerd om systematisch te onderzoeken de volledige parameter ruimte.
Om de translationele wegversperring in DBS onderzoek ondervangen stellen wij een protocol om alternatieve stimulatie parameters in knaagdier modellen van parkinsonisme voorafgaand aan klinische exploratie screenen. Ziekte van Parkinson eenzijdige bij ratten wordt gemodelleerd met 6-hydroxydopamine injecties in de rechter mediale voorhersenbundel 7,8. De resulterende laesie, verder beschreven als hemiparkinsonian, wordt beoordeeld in het apomorfinetest door evaluatie van de rotatie score na een lage dosis apomorfine-injectie en bevestigd na het slachten door tyrosine hydroxylase immunohistochemistry. De werkwijze is gemakkelijk te verwerken en uiterst reproduceerbaar, terwijl die van een lage mortaliteit en morbiditeit. De tekorten resulterende motor zijn zeer discreet 7,8; de dieren vertonen een lichte aantasting van de contralaterale linkerpoot zowel tijdens spontane exploratie en complexe grijpgedrag 9,10.
Om de effectiviteit van diepe hersenstimulatie protocollen tests nodig waardoor het meten van een snelle en betrouwbare verandering motorprestaties en kan in de tijd met verschillende instellingen neurostimulatie herhaald evalueren. Verschillende groepen hebben verschillende stimulatie benaderingen en verschillende tests voorgesteld om de motorische functies bij ratten 11 met zeer variabele en inconsistente uitkomsten 11-14 beoordelen. Dit dwong ons om een reeks tests met een hoge voorspellen geldigheid en complementariteit te kiezen. Bovendien, voor de beoordeling van de motorische uitkomst onder diepe hersenstimulatie voorwaarden, tests werden begunstigd die zouden kunnen worden uitgevoerd door animals aangesloten via de kabel op de stimulus generator. Voor deze doeleinden hebben we onze testbatterij bestaande uit een test voor poot gebruik asymmetrie en één test voor ervaren verstrekkend. De onderzoeksopzet is weergegeven in figuur 1.
Voor spontane poot gebruik uitgevoerd we de cilinder-test beschreven door Shallert 15, dat is een veel gebruikte test voor poot gebruik tijdens verticale verkenning. Geen training van het dier vereist. Voor de beoordeling van complexere grijpgedrag hebben we de trap test overeenkomstig Montoya 16. Ons protocol is aangepast aan Kloth 17. De ratten worden getraind gedurende twaalf dagen bereiken pellets uit de testbox. Na de trainingsperiode de test kan worden toegepast op het complex grijpgedrag gemeten door telling van het succespercentage genaamd aantal pellets gegeten. Dit artikel presenteert de gedetailleerde opleiding in de doos trap evenals de prestaties van zowel behavioral testen onder naïef, hemiparkinsonian en deep brain stimulation omstandigheden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel beschrijft een uitgebreide training protocol voor de cilinder en trap te testen. Deze laatste is ontworpen om complexe grijpgedrag en fijne motoriek te beoordelen als gevolg van het bereiken van bekwaam bij ratten 16,17. De uitkomst temperatuur wordt uitgedrukt als aantal pellets gegeten tijdens de proef, die een objectieve meting. Het protocol kan worden gebruikt in ratmodellen voor de ziekte van Parkinson en andere auto ziektemodellen. De cilinder-test gaat om een eenvoudige benadering van…
Divulgations
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. Neurosciences. 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).
