إعداد أقطاب تحفيز الأعصاب الطرفية للزرع المزمن في الفئران
Summary
غالباً ما تتطلب الأساليب الحالية لبناء أقطاب أقطاب أقطاب أقطابية ذات كفة محيطية قابلة للزرع بشكل مزمن لاستخدامها في القوارض الصغيرة معدات متخصصة و/أو موظفين مدربين تدريباً عالياً. في هذا البروتوكول نبرهن على نهج بسيط ومنخفض التكلفة لتصنيع أقطاب الكفة القابلة للزرع بشكل مزمن ، ونبرهن على فعاليتها لتحفيز العصب المبهم (VNS) في الفئران.
Abstract
منذ فترة طويلة تستخدم أقطاب الكفة العصبية الطرفية في علم الأعصاب والمجالات ذات الصلة لتحفيز ، على سبيل المثال ، الأعصاب المبهمة أو الوركية. وقد أظهرت العديد من الدراسات الحديثة فعالية VNS المزمنة في تعزيز اللدونة الجهاز العصبي المركزي لتحسين إعادة التأهيل الحركي، والتعلم الانقراض، والتمييز الحسي. إن بناء أجهزة قابلة للزرع بشكل مزمن لاستخدامها في مثل هذه الدراسات أمر صعب بسبب صغر حجم الفئران، وتتطلب البروتوكولات النموذجية تدريبًا مكثفًا للموظفين وطرقًا للذم الدقيق تستغرق وقتًا طويلاً. وبدلاً من ذلك، يمكن شراء أقطاب أقطاب قابلة للزرع متاحة تجارياً بتكلفة أعلى بكثير. في هذا البروتوكول، نقدم طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة لبناء أقطاب صغيرة ذات كفة عصب محيطية قابلة للزرع بشكل مزمن لاستخدامها في الفئران. نحن التحقق من موثوقية قصيرة وطويلة الأجل من أقطاب الكفة لدينا من خلال إثبات أن VNS في الكيتامين / xylazine الفئران تخدير تنتج انخفاض في معدل التنفس بما يتفق مع تفعيل منعكس هيرينغ بروير، سواء في وقت زرع وما يصل إلى 10 أسابيع بعد زرع الجهاز. نحن نبرهن كذلك على مدى ملاءمة أقطاب الكفة للاستخدام في دراسات التحفيز المزمن من خلال إقران VNS مع أداء الصحافة الرافعة الماهرة للحث على اللدونة الخرف الحركي للخريطة.
Introduction
في الآونة الأخيرة ، ازداد الطلب على أقطاب الكفة القابلة للزرع بشكل مزمن لتحفيز الأعصاب الطرفية ، حيث تظهر الدراسات بشكل متزايد الفائدة قبل الإكلينيكية لهذه التقنية لعلاج العديد من الأمراض الالتهابية1و2و 3 والاضطرابات العصبية4،5,،6 6،7،8،10,،11،,1313،14،15.10 VNS المزمنة، على سبيل المثال، وقد ثبت لتعزيز اللدونة القشرية الجديدة في مجموعة متنوعة من سياقات التعلم، وتحسين إعادة التأهيل الحركي4،,5،,6،,7،,8، الانقراض التعلم10،11،12،13،14، والتمييز الحسي15. وغالبا ما ترتبط أقطاب الكفة العصبية الطرفية المتاحة تجارياً بأوقات ممتدة لتحقيق الطلبات وتكاليف عالية نسبياً، مما قد يحد من إمكانية الوصول إليها. وبدلاً من ذلك، تظل بروتوكولات تصنيع أقطاب الكفة القابلة للزرع بشكل مزمن محدودة، كما أن تشريح القوارض يمثل تحديات خاصة بسبب صغر حجمها. وكثيرا ما تتطلب البروتوكولات الحالية لبناء أقطاب أقطاب الأصفاد لتجارب القوارض المزمنة استخدام معدات وتقنيات معقدة، فضلا عن موظفين مدربين تدريبا مكثفا. في هذا البروتوكول، ونحن نبرهن على نهج مبسطة لتكبيل تلفيق القطب على أساس الأساليب المنشورة سابقا وتستخدم على نطاق واسع16،17. نحن التحقق من صحة وظيفة لدينا الأقطاب المزروعة بشكل مزمن في الفئران من خلال إثبات أنه، في وقت زرع الكفة حول العصب المبهم العنقي الأيسر، والتحفيز المطبقة على أقطاب الكفة أنتجت بنجاح وقف التنفس وإسقاط في SpO2. ومن المعروف تحفيز مستقبلات الرئة الألياف vagal لإشراك منعكس هيرينغ بروير، الذي تثبيط العديد من النوى التنفسية في جذع الدماغ النتائج في إلهام قمع18. وهكذا، وقف التنفس بما يتفق مع منعكس هيرينغ-بروير، وانخفاض الناتجة في SpO2، وتوفير اختبار مباشر لزرع القطب السليم وظيفة الكفة في الفئران تخدير. للتحقق من صحة وظيفة طويلة الأجل من أقطاب الكفة المزروعة بشكل مزمن، تم قياس الاستجابات منعكس في وقت زرع ومقارنة إلى الاستجابات التي تم الحصول عليها في نفس الحيوانات بعد ستة أسابيع من زرع. تم زرع مجموعة ثانية من الفئران مع أقطاب كفة VNS بعد التدريب السلوكي على مهمة ضاغطة على الرافعة. في هذه الفئران، أنتجت VNS يقترن الأداء المهمة الصحيحة إعادة تنظيم الخريطة الحركية القشرية، بما يتفق مع الدراسات المنشورة سابقا19،20،21،22. في وقت رسم الخرائط القشرية الحركية تحت التخدير، والتي وقعت بعد 5-10 أسابيع من زرع الجهاز، ونحن التحقق من صحة وظيفة الكفة في الحيوانات المعالجة VNS من خلال التأكد من أن VNS تسبب بنجاح وقف التنفس وأكبر من 5٪ انخفاض في SpO2.
البروتوكولات التي تم نشرها مؤخرا من Childs etal. 17 و Rios etal. 16 توفر نقطة انطلاق مصدق عليها بشكل جيد لنهج بسيط لتلفيق أقطاب الكفة ، حيث تم استخدام هذه الطريقة الشعبية من قبل مختبرات متعددة تجري دراسات VNS المزمنة في القوارض1،2،3،4،5،6،,88،9،10،11.3 الأسلوب الأصلي ينطوي على عدة خطوات عالية الدقة للتلاعب في الأسلاك الدقيقة مثل أن تلفيق القطب الكفة يستغرق أكثر من ساعة لإكمال، والتدريب المكثف لأداء موثوق بها. ويتطلب النهج المبسط الموصوف هنا عددا أقل بكثير من المواد والأدوات ويمكن استكماله في أقل من ساعة من قبل موظفين مدربين تدريبا أدنى.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا نصف نهج بسيط ومنخفض التكلفة لتجميع أقطاب الكفة المحفزة القابلة للزرع بشكل مزمن لاستخدامها في القوارض ، مما يسهل التحقيقات قبل الإكلينيكية لهذا العلاج الناشئ. هذه الطريقة المبسطة لا تتطلب أي تدريب أو معدات متخصصة، وتستخدم عدداً صغيراً من الأدوات واللوازم التي يسهل على معظم مختبرات ال…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل من قبل جامعة تكساس في دالاس ومجلس UT من الحكام. ونشكر سولومون غولدينغ، وبيلال حسن، ومرغي جاني، وتشينغ تزو تزو شينغ على المساعدة التقنية.
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 |
References
- 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).
