Mikro Guidad Implantation av elektroder i nucleus subthalamicus av råttor för långsiktigt Deep Brain Stimulation
Summary
A method for implanting electrodes into the subthalamic nucleus (STN) of rats is described. Better localization of the STN was achieved by using a microrecording system. Furthermore, a stimulation set-up is presented that is characterized by long-lasting connections between the head of the animal and the stimulator.
Abstract
Djup hjärnstimulering (DBS) är en allmänt använd och effektiv terapi för flera neurologiska sjukdomar, såsom idiopatisk Parkinsons sjukdom, dystoni eller tremor. DBS är baserad på leverans av elektriska stimuli till specifika djupa anatomiska strukturer i det centrala nervsystemet. Men mekanismerna bakom effekten av DBS förblir gåtfull. Detta har lett till ett intresse av att undersöka effekterna av DBS i djurmodeller, särskilt hos råttor. Som DBS är en långtidsbehandling, bör forskningen inriktas på molekyl genetiska förändringar av nervkretsar som förekommer flera veckor efter DBS. Långsiktig DBS hos råttor är en utmaning eftersom råttorna flytta runt i sin bur, vilket orsakar problem i att hålla på plats kabelgenomförings från huvudet av djuret till stimulatorn. Vidare målstrukturer för stimulering i råtthjärna är små och därför elektroder kan inte enkelt placeras vid önskat läge. Således, en set-up för långvarig stimulaning av råttor med användning av platina / iridium elektroder med en impedans på ca 1 MQ var utvecklad för denna studie. En elektrod med dessa specifikationer tillåter inte bara tillräcklig stimulans men också inspelning av djupa hjärnstrukturer att identifiera målområdet för DBS. I vår set-up var en elektrod med en plugg för tråden inbäddad i tandcement med fyra förankringsskruvar säkrade på skallen. Tråden från kontakten till stimulatorn var skyddad av en rostfritt stålfjäder. En svivel anslöts till kretsen för att förhindra att tråden trasslar. Sammantaget erbjuder denna stimulering ställt upp en hög grad av fri rörlighet för råttan och möjliggör huvudet kontakten, samt trådanslutning mellan pluggen och stimulatorn, för att behålla långvarig hållfasthet.
Introduction
Djup hjärnstimulering (DBS) är en metod som bygger på leverans av elektriska impulser via implanterade elektroder till specifika hjärnstrukturer, såsom den inre globus pallidus 1, nucleus subthalamicus (STN) 2-4 eller ventrala mellan thalamus 5. Under de senaste två decennierna har denna behandling etablerats som ett kraftfullt terapeutiskt verktyg för Parkinsons sjukdom en – fyra, dystoni 6 och tremor 7, och används också för att modulera kronisk smärta 7, psykiatriska störningar (dvs tvångssyndrom 8, egentlig depression 9) eller epilepsi 10,11. Dessutom DBS kan i framtiden bli ett behandlingsalternativ för eldfasta arteriell hypertension 12 eller ortostatisk hypotension 13.
De fysiologiska mekanismer som ligger bakom effekternaDBS förblir dåligt förstådda. Studier på sövda gnagare har gett insikt i neurala svar på högfrekvent stimulering som efterliknar kliniskt tillämpat DBS 14. Men dessa studier inte bara saknar beteende bekräftelse av DBS effekt, men också leda till betydande variationer beroende på stimuleringsparametrarna tillämpas 14.
För att undersöka mer koncist de beteendeeffekter och underliggande mekanismerna hos DBS i medvetna gnagare, behövs en stimulering set-up som uppfyller specifika krav. DBS används främst som en långtidsbehandling (t.ex. Parkinsons sjukdom, kronisk smärta). Därför bör stimuleringen set-up hos gnagare utformas så att enheten består av en elektrod med en plugg, samt en tråd från kontakten till en extern stimulator; och denna enhet bör vara lätt men okrossbar när fixerad på skallen. Dessutom är oumbärlig för råttor under stimula rörelsefrihetning under en längre tidsperiod. De målstrukturer av DBS är små; exempelvis STN hos råttor har en längd av 1,2 mm och en volym av 0,8 mm 3,15. Därför måste elektroderna vara utformade så att kärnan inte är skadad under införande och inriktning på behoven för att vara exakt. Eftersom de flesta DBS studier utförda på gnagare har använt landmärke baserad stereo införing av elektroden till målstrukturen kan felgraden vara relativt hög, även vid användning av koordinaterna enligt Paxinos och Watson 16. Detta resulterar i ett större antal djur som behövs för att nå en statistiskt meningsfullt resultat.
I föreliggande studie en elektrod implanteringstekniken införes, riktar att STN med hög noggrannhet genom att använda en microrecording systemet medan frammatning av elektroden. Dessutom är ett stimuleringssystem presenteras som inte bara tillåter en hög grad av rörlighet för den stimulerade djur men också garanterar kontinuerlig stimulatipå säkra fixering av stimuleringskabeln (som skyddas av ett rostfritt stålfjäder) på huvudet hos råttan.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie presenteras en steg-för-steg-uppsättning instruktioner för att implantera en monopolär kronisk elektrod i STN hos råttor. Även om volframelektroder med låg impedans används ofta för DBS 18,19, en monopolär elektrod av platina / iridium (Pt / Ir) användes som hade en impedans av ca 1 Mohm. Pt / Ir elektroder också användas till patienter med Parkinsons sjukdom på grund av sina goda egenskaper: de visar minimal erosion 20 och producerar inte relevant vävnadsskada <su…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We wish to thank Mr Wabbel for preparing the wires and Mr Tietsch for constructing the plugs and cages according to our plans. This work was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich 688). Felix Fluri holds a fellowship of the Interdisziplinäre Zentrum für Klinische Forschung (IZKF), University Clinics Würzburg, Germany.
Materials
| Pt/Ir electrode | FHC Inc. | UE | Custom-made: Specification: UEPSEGSECN1M |
| Plugs | GT Labortechnik (Arnstein/Germany) | Custom-made | |
| Pin header | DISTRELEC | 143-95-324 | single-row, 90° 1×3 datamate, Type M80-8420342 |
| Socket | DISTRELEC | 143-95-621 | single-row,straight 2 mm pole no.1×3 datamate, Type M80-8400342 |
| Stainless steel spring | Plastics ONE | SS0102 | Part-#: .120 X .156 Spring ID (mm): 3.0 Spring OD (mm): 4.0 |
| Dental cement/Paladur | Heraeus Kulzer | 64707938 | Liquid, 500 ml |
| Dental cement/Paladur | Heraeus Kulzer | 64707954 | Powder, rose, 500g |
| Head screw | Hummer & Reiss | V2ADIN84 M1.6×3 | |
| Jodosept PVP | Vetoquinol | 435678/E04 | |
| Mepivacain 1% | AstraZeneca | PZN03338515 | |
| Epinephrine | Sanofi-Aventis | PZN00176118 | |
| Tramadolhydrochloride | Rotexmedica | 38449.00.00 |
Riferimenti
- Kumar, R., Lang, A. E., et al. Deep brain stimulation of the globus pallidus pars interna in advanced Parkinson’s disease. Neurology. 55 (12 Suppl 6), S34-S39 (2000).
- Volkmann, J., Allert, N., Voges, J., Weiss, P. H., Freund, H. -. J., Sturm, V. Safety and efficacy of pallidal or subthalamic nucleus stimulation in advanced PD. Neurology. 56 (4), 548-551 (2001).
- Volkmann, J., Allert, N., Voges, J., Sturm, V., Schnitzler, A., Freund, H. -. J. Long-term results of bilateral pallidal stimulation in Parkinson’s disease. Annals of Neurology. 55 (6), 871-875 (2004).
- Odekerken, V. J., van Laar, T., et al. Subthalamic nucleus versus globus pallidus bilateral deep brain stimulation for advanced Parkinson’s disease (NSTAPS study): a randomised controlled trial. The Lancet Neurology. 12 (1), 37-44 (2013).
- Benabid, A. L., Pollak, P., et al. Long-term suppression of tremor by chronic stimulation of the ventral intermediate thalamic nucleus. The Lancet. 337 (8738), 403-406 (1991).
- Volkmann, J., Wolters, A., et al. Pallidal deep brain stimulation in patients with primary generalised or segmental dystonia: 5-year follow-up of a randomised trial. The Lancet Neurology. 11 (12), 1029-1038 (2012).
- Nguyen, J. -. P., Nizard, J., Keravel, Y., Lefaucheur, J. -. P. Invasive brain stimulation for the treatment of neuropathic pain. Nature Reviews Neurology. 7 (12), 699-709 (2011).
- Kohl, S., Schönherr, D. M., et al. Deep brain stimulation for treatment-refractory obsessive compulsive disorder: a systematic review. BMC psychiatry. 14, 214 (2014).
- Schlaepfer, T. E., Bewernick, B. H., Kayser, S., Mädler, B., Coenen, V. A. Rapid Effects of Deep Brain Stimulation for Treatment-Resistant Major Depression. Biological Psychiatry. 73 (12), 1204-1212 (2013).
- Fisher, R., Salanova, V., et al. Electrical stimulation of the anterior nucleus of thalamus for treatment of refractory epilepsy. Epilepsia. 51 (5), 899-908 (2010).
- DeGiorgio, C., Heck, C., et al. Vagus nerve stimulation for epilepsy: Randomized comparison of three stimulation paradigms. Neurology. 65 (2), 317-319 (2005).
- Callaghan, E. L., McBryde, F. D., et al. Deep Brain Stimulation for the Treatment of Resistant Hypertension. Current Hypertension Reports. 16 (11), 1-10 (2014).
- Green, A. L. M. R. C. S., Wang, S., Owen, S. L. F., Paterson, D. J. D. P., Stein, J. F. D., Aziz, T. Z. D. M. Controlling the Heart Via the Brain: A Potential New Therapy for Orthostatic Hypotension. [Miscellaneous Article]. Neurosurgery June 2006. 58 (6), 1176-1183 (2006).
- Chang, J. -. Y., Shi, L. -. H., Luo, F., Zhang, W. -. M., Woodward, D. J. Studies of the neural mechanisms of deep brain stimulation in rodent models of Parkinson’s disease. Neuroscience, & Biobehavioral Reviews. 32 (3), 352-366 (2008).
- Hardman, C. D., Henderson, J. M., Finkelstein, D. I., Horne, M. K., Paxinos, G., Halliday, G. M. Comparison of the basal ganglia in rats, marmosets, macaques, baboons, and humans: Volume and neuronal number for the output, internal relay, and striatal modulating nuclei. The Journal of Comparative Neurology. 445 (3), 238-255 (2002).
- Paxinos, G., Watson, C. H. . The rat brain in stereotaxic coordinates. , (2007).
- Dirnagl, U. Bench to bedside: the quest for quality in experimental stroke research. Journal of Cerebral Blood Flow, & Metabolism. 26 (12), 1465-1478 (2006).
- Maesawa, S., Kaneoke, Y., et al. Long-term stimulation of the subthalamic nucleus in hemiparkinsonian rats: neuroprotection of dopaminergic neurons. Journal of Neurosurgery. 100 (4), 679-687 (2004).
- Spieles-Engemann, A. L., Behbehani, M. M., et al. Stimulation of the rat subthalamic nucleus is neuroprotective following significant nigral dopamine neuron loss. Neurobiology of disease. 39 (1), 105-115 (2010).
- Agnew, W. F., Yuen, T. G. H., McCreery, D. B., Bullara, L. A. Histopathologic evaluation of prolonged intracortical electrical stimulation. Experimental Neurology. 92 (1), 162-185 (1986).
- Harnack, D., Winter, C., Meissner, W., Reum, T., Kupsch, A., Morgenstern, R. The effects of electrode material, charge density and stimulation duration on the safety of high-frequency stimulation of the subthalamic nucleus in rats. Journal of Neuroscience Methods. 138 (1-2), 207-216 (2004).
- Groothuis, J., Ramsey, N. F., Ramakers, G. M. J., van der Plasse, G. Physiological Challenges for Intracortical Electrodes. Brain Stimulation. 7 (1), 1-6 (2014).
- Li, Q., Ke, Y., et al. Therapeutic Deep Brain Stimulation in Parkinsonian Rats Directly Influences Motor Cortex. Neuron. 76 (5), 1030-1041 (2012).
